周翰斌，黃國忠

(中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510310)

0 引言

混凝土裝配式橋墩需根據運輸條件、設備吊裝能力及是否方便現場快捷安裝，在承臺基礎與墩柱、墩柱節(jié)段間、墩柱與蓋梁間設置連接接頭。已發(fā)生的地震災害表明，主要承擔地震水平作用的橋墩較易發(fā)生墩底彎剪破壞從而引起橋梁倒塌，說明墩柱與承臺基礎連接處為結構受力薄弱位置，在地震中易受到破壞，因此，預制墩柱與承臺合適的接頭連接技術是裝配式橋墩需解決的一個關鍵問題。

當前預制墩柱與承臺連接主要采用鋼筋灌漿套筒連接法，國內外對此研究和工程應用較多，尤其是在非抗震控制設計地區(qū)。但灌漿套筒連接要求預埋鋼筋與套筒位置容許偏差在2mm以內，拼裝時需在短時間內將墩柱多達50～60根鋼筋與套筒順利對接且精度要求高，另外套筒灌漿易出現不密實現象而影響接頭性能，現階段還沒有較完美的無損檢測方法檢測灌漿質量，總體施工難度較大。

預制墩柱與承臺的另一種連接方法為承插式連接，從施工角度看，此連接拼裝時無需高度精準的孔位對接，對預留孔精度要求低，拼裝連接施工簡單，現場濕作業(yè)也較少，但連接的灌漿料需保證密實，施工周期與灌漿套筒連接接近，具有較大應用價值，但總體上橋梁預制墩柱與承臺承插連接的研究和工程應用還相對較少，不利于促進其在國內大量中小跨徑混凝土橋梁中推廣應用。

1 國外研究及應用進展

世界上首次采用預制拼裝橋墩技術始于1955年美國的Pontchartrain 橋，直到20世紀90年代主要采用后張預應力筋、灌漿套筒、灌漿金屬波紋管連接技術。

日本最早開始承插連接節(jié)點的受力機理研究，并應用于建筑結構。1996年，Osanai等[1]采用擬靜力試驗開展建筑結構柱與基礎承插連接研究，重點在于剪力鍵在不同埋深情況下的應力傳遞機理研究。研究提出，若柱埋深≥1.5D(D為柱截面長邊尺寸)，無須設置剪力鍵，摩擦系數可取1.0；若柱埋深<1.5D，則需設置剪力鍵，其中柱埋深在1.25D～1.5D時摩擦系數可取1.0，柱埋深在1.0D時摩擦系數取0.5。根據試驗成果提出柱與基礎承插連接節(jié)點在水平和豎向荷載作用下的受力計算公式及1套設計方法。該試驗采用的剪力鍵為底寬8cm、頂寬6cm、高3cm正四棱臺。

2004—2012年，巴西圣保羅大學Canha等[2-4]同樣持續(xù)對建筑結構柱與基礎承插連接受力開展理論分析和擬靜力試驗研究，先后試驗了連接節(jié)點在不同埋深情況下光滑界面、粗糙界面的受力行為。研究表明，光滑界面試樣破壞是由承插區(qū)域內柱縱向鋼筋屈服引起，提出光滑界面情況下柱埋深應達2.0D，并針對承插區(qū)域中柱基礎受力行為提出“拉-拉桿”模型和解析公式；對于粗糙界面，提出多層齒鍵形狀及尺寸對抗剪能力的影響值和齒鍵抗剪計算公式，以及柱與基礎受力解析公式。

2010年，Marsh等[5]研究提出一種預制墩柱與基礎為承插連接、與蓋梁為灌漿波紋管連接的預制拼裝橋墩體系，此體系墩柱伸出基礎底面，基礎無鋼筋穿過墩柱底部，墩柱主筋端部采用T形錨固頭。研究發(fā)現，墩柱鋼筋采用T形錨固頭且傳統(tǒng)向外彎曲并延伸至現澆基礎，承插連接處可形成可靠的拉壓桿傳力機制，更有利于發(fā)揮力學性能，施工也更簡單。

2011年，華盛頓州交通部Khaleghi等[6]將Marsh提出的預制拼裝橋墩體系應用于排架墩橋梁中，開展不同承插深度試驗研究，評估連接節(jié)點在水平循環(huán)荷載和豎向荷載作用下的受力性能。試驗墩柱埋深選取0.5D及1.0D，承插段表面粗糙度通過鋸齒狀木條來呈現，該段截面由圓形變?yōu)榘诉呅?。試驗結果表明，若預制墩柱埋深≥1.0D，與基礎承插連接性能等同于或好于現澆橋墩；連接界面上無需鋼筋，墩柱鋼筋底部采用機械錨固形式，可橫向移動的基礎鋼筋從墩柱下部穿過并可與相鄰鋼筋綁扎；若在墩柱鋼筋底端裝有錨具或設置基腳(見圖1)，預制橋墩性能優(yōu)于采用鋼筋外彎連接的現澆橋墩。該研究成果應用示范橋為2012年建成的華盛頓州際5號公路US 12橋的置換橋梁，是美國第一座在地震高發(fā)區(qū)采用承插連接的橋梁，另一座US 101 Bone River橋及SR520公路上的一座橋梁同樣采用了此種連接[7]。

圖1 預制墩柱穿透基礎底面布置立面

2013年，華盛頓大學Haraldsson等[8-9]繼續(xù)在Marsh提出的預制拼裝橋墩體系的基礎上，采用擬靜力試驗研究承插連接的抗震性能，墩柱試件埋深選取0.5D與1.1D進行對比。結果表明，承插連接預制橋墩抗震性能至少與同參數現澆橋墩相同甚至更好，水平循環(huán)荷載作用下的破壞主要表現為墩柱底彎曲破壞，主要是由墩柱豎向鋼筋屈曲引起，連接部位基本無破壞，與現澆橋墩試件破壞現象一致；垂直荷載作用下的破壞主要是由墩柱塑性鉸區(qū)混凝土碎裂引起，因為箍筋已在此前的水平加載時發(fā)生屈服，分析認為預制墩柱埋深應≥1.0D。試驗還表明，柱底豎向鋼筋向外彎曲并延伸至現澆基礎的形式，主要是依靠鋼筋彎曲處與混凝土黏結力來提供錨固力，傳力效果并不好，而采用T形錨固頭形式的傳力則得到增強，更有效，這與Marsh的試驗結論一致，在施工中更易于墩柱澆筑、運輸和安裝。Haraldsson根據試驗結果采用拉壓桿模型對預制墩柱與基礎承插連接開展數值分析，提出相應的設計計算公式。

2014年，愛達荷州大學Mashal 與坎特伯雷大學Palermo[10]以新西蘭一座16m跨徑的高速公路橋梁為背景，聯合開展半比尺的預制墩柱與預制基礎為承插連接(墩柱埋深1.0D)、與預制蓋梁為灌漿波紋管連接的雙柱排架墩擬靜力試驗，研究該拼裝橋墩體系在高地震下的抗震性能。與Marsh， Khaleghi，Haraldsson等研究不同，其基礎為預制件，預制墩柱與基礎承插連接界面設置鋸齒形剪力鍵，承插孔預留10mm間隙灌注高強灌漿料，墩柱底與基礎底面平齊。試驗結果表明，拼裝橋墩體系具有良好的延展性和強度水平，墩柱與基礎、蓋梁的連接無損壞，整體抗震性能與現澆橋墩基本一致。2016年坎特伯雷大學White等[11]對承插連接的拼裝橋墩進行雙向擬靜力試驗，試驗結論與Mashal的基本一致。

2014年，Pul 等[12]為研究和整體現澆墩柱與基礎節(jié)點性能最接近的預制柱與基礎承插連接節(jié)點，設計了5個具有不同承插連接細節(jié)的試件與1個現澆橋墩試件進行循環(huán)荷載作用下的試驗研究。結果顯示，在水平力作用下，其建議的承插柱底與基礎預埋件焊接再灌注高質量漿料的連接形式比其他連接形式的強度高10%～30%，具有較好的橫向承載力和延性。但該建議節(jié)點構造施工時較復雜。

2016年，美國內華達大學Mantawy等[13]采用振動臺試驗，研究提出一種新型雙柱預制橋墩體系，預制墩柱與承臺為承插連接，與預制蓋梁為承插連接及灌漿波紋管連接，并通過后張無粘結預應力筋提供自復位能力的混合形式，試驗顯示，這種新型預制橋墩體系具有良好的耗能能力和自復位能力，可達到預期的抗震性能。

2018年，Mohebbi等[14]開展大比例尺雙柱預制排架墩振動臺試驗，墩柱與基礎承插深度為1.36D，與蓋梁承插深度為1.0D，并在柱塑性鉸區(qū)使用超高性能混凝土(UHPC)和水泥復合材料(ECC)。試驗表明，塑性鉸形成于墩柱而不在蓋梁，UHPC和ECC可有效減少柱塑性鉸的損壞，承插連接部位未發(fā)生破壞。

2019年，愛荷華州立大學Cheng等[15]通過有限元分析和試驗測試，評估了預制構件各種連接參數的承插式連接側向抗剪強度。測試結果表明，預制構件承插連接中的側向剪切構造可提供顯著阻力來傳遞大垂直荷載。根據測試結果提出承插連接界面構造和適當應力極限的建議。

2 國內研究及應用進展

盡管預制拼裝橋墩技術在我國起步較晚，對預制橋墩承插連接的研究及應用也相對較少，但研究人員一直都在積極研究與嘗試。1992年建成的北京積水潭立交橋處于交通繁忙地區(qū)，高峰時間車流量>5 000 輛/h，必須不中斷交通進行施工，工期緊，該工程的5座橋梁率先采用墩柱與承臺承插連接方式[16]，開啟預制拼裝橋墩試驗性應用。其承插連接是將下部縮小斷面預制的墩柱插入并臨時支承于承臺預留的倒棱臺狀杯口(見圖2)，焊接墩底與承臺預留鋼筋，墩柱與承臺杯口連接處立模澆筑混凝土，柱頂預留鋼筋與現澆蓋梁連成整體。這種承插連接相當于在預制墩底四周澆筑1個墩座，現場濕作業(yè)相對較多，實際上與濕接頭連接較類似。

圖2 北京積水潭立交橋墩柱與平臺承插連接

進入21世紀，我國陸域中小跨徑橋梁的節(jié)段拼裝橋墩技術在近10年來有了較快發(fā)展。自2008年開始，同濟大學開展大量節(jié)段拼裝橋墩抗震性能基礎性研究，彌補了國內在此方面研究的不足。2014年上海S6公路新建工程率先成功應用灌漿套筒、波紋管連接的預制拼裝橋墩技術[17]。2015年上海市發(fā)布DG/TJ 08—2160—2015《預制拼裝橋墩技術規(guī)程》，但未對承插連接作出規(guī)定。隨后，灌漿套筒連接技術在上海[18]及其他城市高架橋梁中展開應用，逐步推廣至高速公路橋梁。

實際工程中，灌漿套筒連接的預制橋墩往往出現由于施工精度要求較高導致施工不快捷問題，一定程度上影響了預制拼裝橋墩質量及推廣應用。2016年，拼裝對位精度要求較低、施工便捷的承插連接技術應用于上海嘉閔高架北二段中的一座匝道橋預制墩柱與現澆承臺連接[7]。

2016年，相關單位依托濟祁高速公路淮合段壽縣淮河特大橋引橋工程開展研究[19]，在國內高速公路橋梁施工中首次大規(guī)模應用預制橋墩承插連接技術。承插連接是在承臺頂設置環(huán)形拼裝島(內徑1.2m、壁厚0.40m、高1.0m)，島中心設置方便預制墩承插就位的定位塊(直徑0.67m、高0.5m)，拼裝島及定位塊預留鋼筋與承臺連接(見圖3)，定位塊澆筑后吊裝插入離心工藝成型的C70混凝土空心柱(直徑1.2m、壁厚0.25m)，安裝拼裝島模板并澆筑混凝土。墩柱承插連接埋深為0.82D，承臺總厚度2.2m。陳金彪[19]采取原位足尺加載試驗及有限元軟件ABAQUS模擬分析，研究了墩底設置鋼板剪力釘和鋸齒形槽口兩種與承臺連接環(huán)構造的受力及變形性能。試驗結果表明，墩柱先于承插杯口破壞，兩種連接環(huán)構造均傳力可靠，破壞模式基本相同，其中鋸齒形槽口連接能確保墩柱與承插杯口的緊密性，連接性能更穩(wěn)定。該橋采用了鋸齒形槽口連接構造(見圖3)并推廣到其他標段，而該高速公路永城—利辛安徽段04標橋梁工程則采用鋼板剪力釘連接構造。這種杯口完全伸出承臺的承插構造與承臺連接受力可靠，墩柱吊裝就位快捷，施工操作簡單，但現場濕作業(yè)較多。2017年，京港澳高速公路北京佃起河橋改造工程的預制圓墩柱也采用了鋼板剪力釘方式與擴大基礎進行承插連接，插入深度2.0D，墩柱與基礎間隙采用快硬高強細石混凝土填充，這是國內首次在高震區(qū)高速公路中應用預制墩柱與基礎承插連接技術。

圖3 承插孔布置于承臺內

2019年，楊先凡[20]以成都某匝道橋為工程背景，采取ANSYS數值模擬和理論分析方法，研究埋深0.5D，0.7D，0.9D墩柱與四樁承臺基礎承插式連接的設計方法，結果表明，承插式連接承臺鋼筋受力更大，但與現澆橋墩的力-位移曲線相近，只要在承插式連接承臺適當多配置一些鋼筋，即可使承插式連接墩柱和整體現澆墩柱具有相同的受力性能；建議預制墩柱埋深應取 0.7D及以上，但未分析齒鍵形狀、墩柱截面、承臺尺寸、樁位置等因素對墩柱與承臺承插連接受力性能的影響。

2019年，徐艷等[21]、孫貴清等[22]以湖北監(jiān)利—江陵高速公路東延段項目為背景，分別研究預制空心圓柱與四樁承臺基礎承插連接的最小合理埋深和承臺底板厚度取值。徐艷等基于OpenSEES數值模擬分析及1∶2縮尺比的1個現澆橋墩、4個埋深分別為0.5D，0.7D，1.0D，1.5D預制橋墩試件的試驗驗證，發(fā)現在構造措施合理及高強無收縮水泥灌漿料良好黏結的條件下，不同承插深度試件與現澆試件抗震性能基本一致，其中埋深0.7D試件最接近，但承插深度會影響承插孔壁應力分布，建議0.7D可作為承插連接的最小合理埋深[21]。孫貴清等采用MIDAS FEA建立墩柱-承臺-樁基礎實體單元模型進行彈性靜力分析，并通過1個1∶2縮尺比承插試件模型試驗驗證，提出在樁基承臺承插孔周邊設置U形抗沖切鋼筋來合理利用承插段承臺的抗沖切能力，改善承臺受力，可將承臺底板厚度從規(guī)范計算的0.963m降至0.5m，節(jié)約混凝土用量[22]。

高性能新材料應用于橋墩承插結構及新型承插構造的研究開始得到重視。2020年，夏春蕾等[23]針對一種只在預制墩柱、基礎的承插孔壁上同一高度位置各預留1圈較大尺寸凹槽形成單層齒鍵新型承插結構，采用超高性能混凝土作為灌注材料，設計1套灌注工藝，并采用1∶1 模擬模型對灌注工藝進行驗證。袁宏博[24]基于理論分析及ABAQUS數值模擬方法建立模型，研究提出一種在咬合連接處添加橡膠凹凸承插式新型自復位橋墩，分析這種兼顧自復位能力和耗能能力的新型自復位橋墩力學機理。

3 總結與討論

3.1 承插連接接頭構造及施工工藝

從國內外研究及工程應用實例來看，承插連接按施工順序可分為先插法和后插法。先插法為先吊放預制墩柱插入預定位置槽孔中，再澆筑承臺成型，將預制墩柱連成一體；后插法為承臺基礎先澆筑成型，預先留置承插孔，再將預制墩柱吊放插入承插孔，在承插孔四周接縫灌入混凝土或高強砂漿，將預制墩柱與承臺基礎連成一體。2種施工順序相比，先插法在承臺成型前需將預制墩柱固定牢靠，定位調整要求較高，澆筑承臺時無須設置承插孔模板，可將墩柱主筋向外彎曲與承臺鋼筋連接，或將承臺水平鋼筋穿過墩柱預留孔洞，來達到最接近橋墩現澆的配筋形式；后插法無等預制墩柱吊裝到位再澆筑承臺混凝土，施工時間安排較靈活，墩柱承插施工定位調整與固定較容易，需設置額外承插孔模板，墩柱與承臺之間一般無鋼筋連接，接縫間隙的混凝土或砂漿要振搗密實，以避免影響接縫耐久性。

承插孔可完全穿透承臺底面(見圖1)，可位于承臺內(見圖3)，也可部分位于承臺內、部分超出承臺頂面(見圖2)，或完全位于傳統(tǒng)承臺頂面(見圖4)。美國學者的研究及工程應用一般采用預制墩柱完全穿透基礎底面的承插形式，與美國城市高架橋和公路橋梁的基礎較多采用擴大基礎有關，承插連接往往采用先插法，需先放置支撐墩柱基座，墩柱與承臺之間采用鋼筋連接，或墩柱鋼筋采用T形錨固頭形式。后3種承插孔通常采用后插法。拼裝施工時，需先對承臺拼接面進行粗糙處理并清理干凈，孔底放置調節(jié)塊及鋪設砂漿調平層。采用拼裝島將承插孔布置在承臺頂面的形式，墩柱吊裝定位快捷，但現場仍需安裝拼裝島模板并澆筑混凝土，并且拼裝島需有較多鋼筋與承臺連接可靠受力，實質上仍為承臺的一部分，增加了承臺總厚度，經濟性較差，城市橋梁不宜采用這種承插孔形式，否則會影響道路空間使用。

圖4 承插孔布置于傳統(tǒng)承臺頂面

承插孔深度取值、界面構造是預制橋墩受力、變形性能及工程經濟性、施工便利性的重要影響因素，是研究重點。從國內外研究及工程應用實例來看，國外學者研究建議預制墩柱插入基礎的深度在粗糙界面條件下應至少為1.0D，可保證預制橋墩性能不亞于現澆橋墩。GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》規(guī)定了混凝土柱與杯口基礎連接埋深需根據柱截面長邊尺寸D而定，當D>1m 時，承插深度應>0.8h且應≥1m。楊先凡[20]、徐艷等[21]最近研究成果推薦預制墩柱與基礎承插連接的最小埋深取0.7D，這與文獻[6，8-9]中提出應至少為1.0D的結論不一致，這是因為國外學者所研究的預制墩柱大多為先插法插至現澆基礎底部，對連接界面的處理與國內不同，導致承插壁在0.7D～1.0D段的最大應力變化出現較大的不同變化規(guī)律。粗糙界面構造包括連接間隙尺寸和形狀，關系到承插孔壁最大應力分布乃至墩柱最小埋深取值。界面粗糙處理主要是混凝土面采取鑿毛、設置鋸齒狀槽口或齒鍵、鋼板剪力釘等手段，國內外較多采用鋸齒狀槽口或齒鍵，差別在于鍵形狀與尺寸。對后插法承插孔預留灌漿的間隙寬度研究較少，文獻[10]研究預留10mm間隙，徐艷等[21]研究預留50mm間隙灌注高強灌漿料。

3.2 預制墩柱截面構造

從國內外研究來看，預制墩柱圓形斷面和矩形斷面在試驗中均有采用。實際工程中，美國華盛頓州際5號公路US12橋采用方形實心墩柱，分為3個節(jié)段由汽車式起重機吊裝，節(jié)段間通過套筒灌漿連接。我國在運輸條件好的城市橋梁大多采用矩形實心墩柱，整體預制，有利于采用大噸位履帶式起重機將整根墩柱吊裝到位；對于運輸條件不好的公路橋梁，采用圓形空心薄壁墩柱來實現預制墩柱輕型化，以減小運輸吊裝整根墩柱的質量及降低成本，也有利于采用滾焊機成型鋼筋籠、離心法預制墩柱，提高墩柱混凝土強度和質量，但在抗震設計上，圓形空心薄壁墩柱配筋較復雜，需配置內、外螺旋筋和拉筋來約束混凝土，而矩形空心墩柱可根據2個方面的側向剛度進行斷面尺寸設計。

3.3 存在的問題及發(fā)展趨勢

從國內外研究及工程應用來看，承插連接預制橋墩在連接構造設計合理、施工質量可靠的條件下，能獲得不弱于現澆橋墩的抗震性能，并已在高地震烈度區(qū)的橋梁工程中得到應用，但目前大多為室內模型的擬靜力試驗測試數據及有限元模擬分析數據，進行原位測試、擬循環(huán)動力試驗測試數據較少。承插連接的預制橋墩也無遭受實際高烈度地震考驗的數據支持，其震后自復位能力或殘余位移與模型試驗的測試數據未得到直接對比，承受非線性變形能力還沒有足夠驗證，在中高地震烈度區(qū)的橋梁工程中應用仍較少，積累的可借鑒技術數據還不夠豐富，另外在連接的構造細節(jié)上，插孔界面形狀及粗糙度、插孔縫隙空間、灌漿連接料強度等影響結構受力、變形破壞及震后可恢復措施等問題的研究和認識，也在一定程度上制約著其進一步應用，因此，仍需深入進行承插連接在合理構造基礎及地震荷載作用下受力破壞全過程的研究。

近年來，有專家學者將具有優(yōu)異抗拉性能的超高性能混凝土用于承插連接的灌漿料，研究改善、提高連接節(jié)點承載能力、耗能能力的低損傷措施；也有學者將承插連接與其他連接方式組合成混合連接方式，研究提高承插連接的預制橋墩耗能能力和自復位能力，降低其震后殘余變形，獲得優(yōu)于現澆橋墩的抗震性能，為實現預制橋墩“小震不壞，中震可修，大震不倒”提供了有益探索，這應是未來承插連接的預制橋墩研究的重要趨勢。

4 結語

1)綜合已有國內外研究及應用，承插連接預制橋墩施工更便捷，更受現場安裝承包商歡迎，只要連接構造給予良好設計和精心施工，可獲得不亞于現澆橋墩的抗震性能。近年來的研究表明，承插連接與高性能材料或其他連接方式恰當進行利用、組合，可使預制橋墩兼顧耗能能力和自復位能力，使獲得優(yōu)于現澆橋墩的抗震性能成為可能，為預制橋墩體系實現韌性抗震理念提供了借鑒思路，需繼續(xù)開展較多深入研究，形成相關的設計計算方法，以利于推廣應用。

2)承插連接構造細節(jié)研究是推廣應用預制橋墩承插連接技術的關鍵。承插連接的預制橋墩在中高地震烈度區(qū)橋梁工程中應用還有限，其受力變形、耗能和自復位能力還只是模型試驗的測試數據，仍需進一步在工程應用中研究積累相應數據，以期得到驗證和進一步應用。