浅析预制装配式桥墩抗扭性能

徐 辉，王玉伟，张少庆

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市300000）

0 引 言

预制装配式混凝土技术起步于二次世界大战后，经过70多年的发展，伴随着节段间接缝面的剪力键构造、密接匹配预制以及体外预应力技术和施工工艺的发展，预制装配式混凝土技术日渐成熟。目前，国内桥梁的上部结构装配式技术已相对成熟。相比于上部结构，下部结构的装配式研究发展较晚，我国于上世纪90年代初开始了装配式桥墩的研究，最早开始试验的北京积水潭桥试验工程中的5座桥梁均为承插式预制钢筋混凝土墩。经过数年发展，国内装配式桥墩接缝面采用了灌浆套筒连接、金属波纹管灌浆连接、插槽式、承插式和混合方式等连接方式，每种方式均有其优缺点。灌浆套筒连接是目前研究较多的连接方式，此种连接方式的抗弯和地震下的动力行为已经得到验证[1-3]，能够满足桥梁的正常使用以及承载能力极限状态，同时可满足偶然地震作用下的性能要求。国内通过试验以及数值分析，针对灌浆套筒连接桥墩的抗剪性能进行了一系列研究，论证了装配式桥墩抗剪性能的可靠性[4-5]，但是针对灌浆套筒连接桥墩的受扭性能研究很少。事实上，在地震等偶然荷载作用下，桥墩会处于弯剪扭的复杂受力状态，特别是单柱墩，更应重视其抗扭受力性能。本文针对灌浆套筒连接的预制装配式桥墩抗扭性能进行研究，得出此种结构的抗扭计算公式，为后续的抗扭实践提供理论支持。

1 桥墩抗扭性能分析

普通钢筋混凝土桥墩抗扭性能分为素混凝土开裂的抗扭能力和开裂后基于变角度空间桁架模型或斜弯曲破坏理论，针对矩形截面的抗扭能力。

素混凝土开裂的抗扭能力T计算公式为：

式中：h、b和τmax分别代表截面的高度、宽度和最大剪应力。一般考虑混凝土内部的微裂缝、裂隙和局部缺陷又会引起应力集中而降低构件的承载能力，通常会乘以0.7的折减系数。

混凝土开裂后，考虑配置纵筋和箍筋的作用，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）推荐采用变角度空间桁架模型，针对矩形截面抗扭能力的计算公式为：

预制装配式桥墩与普通现浇混凝土桥墩受力的最大差异体现在结构在接缝面处的节段连接，接缝处的节点力学性能行为也是国内外学者们重点研究的对象。接缝面处理合适与否直接决定着预制装配式结构的成败。核心问题是桥墩接缝面连接做法能否有效地将上部结构的荷载效应传递给支撑体系。落实到预制装配式桥墩的抗扭问题，则是接缝面连接做法能否有效地将上部结构传递过来的扭矩再传递给基础。若能有效传递到基础，则预制装配式桥墩的抗扭计算可采用式（2）接续计算，若不能，则接缝面抗扭能力需要加强。

2 接缝面抗扭性能

最终转化为接缝面的抗剪能力。针对接缝面的抗剪能力，国内外做了大量研究，也形成了不少理论成果，部分成果已形成规程供设计者使用。比较权威的关于接缝面抗剪性能的规范有《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1—2014）、上海市工程建设规范《预制拼装桥墩技术规程》（DG/TJ 08-2160—2015）和《城市轨道交通桥墩预制拼装技术规程》（DB37/T 5100—2017）。

《装配式混凝土结构技术规程》针对接缝面的抗剪能力描述如下：结合面的受剪承载力主要包括新旧混凝土结合面的粘结力、键槽的抗剪能力、后浇混凝土叠合层的抗剪能力、梁纵向钢筋的销栓抗剪作用。设计时偏于安全不考虑结合面的粘结力，特别是在地震作用下，混凝土自然粘结剂粗糙面的受剪承载力丧失较快，更不需要考虑混凝土的粘结力，从而最终得到接缝面的抗剪能力计算公式：

式中：Vu为持久设计状况下接缝受剪承载力设计值；VuE为地震设计状况下接缝受剪承载力设计值；Acl为叠合梁端面后浇混凝土叠合层截面面积；fc为预制构件混凝土轴心抗压强度设计值；fy为垂直穿过结合面钢筋抗拉强度设计值；Ak为各键槽的根部截面面积之和；Asd为垂直穿过结合面所有钢筋的面积之和；N为与剪力设计值对应的垂直于结合面的轴向力设计值，取绝对值进行计算。

美国AASHTO规范针对预制拼装主梁干接缝截面的抗剪公式见式（4），其中第一部分为混凝土剪力键齿上的剪切应力，另一部分为接缝面上的摩擦力。

式中：Vj为剪应力；Ak为破坏面上键根部的面积；f＇c为混凝土的圆柱体抗压强度；σn为接缝上的压应力；Asm为破坏面上的摩擦接触面积。

本文选取的计算截面为常用矩形桥墩截面，其接缝断面示意图见图1。

图1 接缝断面示意图

由接缝面抗剪能力可知，对应接缝面的抗扭能力也是由两部分构成：一部分由钢筋销栓提供，另一部分由轴向压力提供。扭矩对钢筋造成的销栓剪力值Vi计算见式（5）：

式中：xi、yi分别为钢筋距结构形心的距离。

从图1可见，承受剪力最大也是抗扭计算控制的节点位置为图1所示的1处。1处控制点的抗剪能力确定后，由销栓力提供的抗扭能力即可确定。经过推导，得到整个截面中由钢筋销栓提供的抗扭能力T销栓为：

另一部分抗剪能力由截面的摩擦力提供。根据《装配式混凝土结构技术规程》，接缝面摩擦力取压力的0.8倍，由式（1）推导出由轴向压力提供的接缝面抗扭能力T轴压为：

式中的N为轴向压力。综合式（6）和式（7），得到接缝面抗扭力T为:

式中第1项为钢筋销栓提供的抗扭力；第2项为轴向压力提供的抗扭力。

3 实 例

某立交桥工程，其桥墩断面示意图见图2。该立交桥主线上部结构为连续梁，下部结构为预制装配式桥墩，桥墩截面尺寸为1.5m×2m，沿顺桥向布设间距为180 mm、直径为40 mm的钢筋12根，横桥向共布设间距为178mm、直径为40mm的钢筋22根，箍筋采用直径12的钢筋，间距100mm。经上部结构计算分析，得到轴向压力为8 000 kN,节点连接方式为灌浆套筒连接，接缝为高强无收缩砂浆，需验算此接缝面的抗扭能力。根据本文给出的计算式（3）、式（8），结合截面尺寸以及配设的钢筋情况，核算此截面的抗扭能力（假设需传递的扭矩为素混凝土的开裂扭矩）。

由式（3）且已知钢筋的fy=330 MPa，混凝土fc=18.4MPa，则截面处于位置1处的钢筋销栓力=161.5 kN，代入式（8）得到：

根据式（1）可得到混凝土开裂时的墩柱抗扭力为：

经验算T＞T开裂，此接缝面满足抗扭计算的要求，后续可按照式（2）进行抗扭计算和配筋。

4 结 语

（1）国内对预制拼装结构抗扭性能的重视度不够高，事实上抗扭设计的好坏同样决定结构的承载力，应予以重视。

（2）轴向压力提供了很大一部分抗扭能力，设计时应提高接缝面的轴向压力。若常规设计手段不能保证，可考虑采用张拉预应力的方式给与满足。

（3）钢筋的销栓作用在抗扭中同样很重要，设计时应考虑这部分钢筋的抗弯折减问题。

（4）文中公式均是在已有的成熟公式基础上进行推导得到，后续还需进行一系列试验给与这些公式实践上的支撑。