预制墩柱承插式杯口连接在城市桥梁中的应用

肖翔 马晶 吴睿麒 王胜男 龚翔箭

(1. 北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082；2. 北京市城市桥梁安全保障工程技术研究中心 100082；3. 北京市城市道路养护管理中心 100068)

引言

预制装配式墩柱具备缩短施工工期、 现场施工工作量少、 提高工程质量、 绿色环保的特点，在城市桥梁建设中有较强的优势。 装配式钢结构桥梁的一个关键点问题就是预制墩柱与承台或基础之间的连接方式， 目前主要的连接方式为法兰盘连接与承插式杯口连接。 法兰盘连接方式力学传导模型明确， 便于计算， 但需提前在承台预埋较多的螺栓， 并逐个与墩底法兰盘孔位对准连接， 对施工精度要求较高； 承插式杯口连接方式施工简便， 将墩柱吊装就位即可， 但墩底杯口处受力情况较复杂， 需对其进行详细计算。

本文以北京市已建成的某自行车专用路为例， 该工程下部结构为装配式钢结构墩柱， 与承台之间采用了承插式杯口连接方式。 采用数值模型对承插式杯口连接部位建模计算， 分析装配式钢结构墩柱及墩底杯口构造在外力作用下的受力情况， 核算杯口构造承载能力及分析结构抗震性能， 并依据计算结果对杯口承台构造及墩柱、 杯口混凝土、 承台之间的连接面构造进行了设计，并总结出设计要点， 相关经验总结可为以后相关类型的工程提供参考。

1 工程概况

本工程为北京市第一条自行车专用路工程，全线内包含一段2.7km 长的高架桥。 高架桥多为3 跨或4 跨一联的连续钢梁， 边支座与中支座均采用板式橡胶支座。 本文结构计算以4 ×25m的连续钢主梁为例， 主梁构造如图1 所示。 下部结构采用预制的钢结构箱型截面墩柱， 内部灌注混凝土。 墩柱以插槽的形式插入承台杯口， 墩柱吊装就位后， 杯口内浇筑混凝土。 承台下接钻孔灌注桩基础。 承台杯口尺寸构造如图2 所示。

图1 主梁构造(单位： mm)Fig.1 The structure of main girder(unit: mm)

图2 承台杯口构造(单位： cm)Fig.2 The structure of socket-cup connection in pile caps(unit: cm)

2 结构计算分析

2.1 整体结构模型

承插式杯口连接部位受力情况较复杂， 结构计算分析分为两步， 第一步采用MIDAS/Civil 建立整体结构模型， 上下部结构均为梁单元模拟， 进行全桥整体分析， 提取墩柱在各荷载工况下的墩底弯矩及墩底反力。 全桥整体结构模型如图3 所示。

图3 全桥整体结构模型Fig.3 FEM of the bridge structure

2.2 局部结构模型

结构计算分析的第二步是采用ABAQUS 建立墩柱及杯口承台构造局部结构模型， 将整体模型中墩柱在地震作用下的上部轴压及墩底弯矩代入局部模型， 对结构抗震性能进行Pushover 分析。钢板、 混凝土等部件等均采用实体单元， 内部钢筋采用桁架单元。 混凝土采用塑性损伤本构， 钢板及钢筋采用弹塑性本构。 墩柱钢板与填充混凝土、 墩柱与杯口、 杯口与承台之间采用tie 固接，墩柱钢板与加劲板采用内置区域连接。 承台底部采用实体单元固结模拟。 杯口局部结构模型如图4 所示。

图4 杯口局部结构模型Fig.4 FEM of the socket-cup connection

Pushover 分析通过位移加载方式进行， 在参考点(墩顶)处施加上部结构的轴压及水平位移， 达到极限加载情况(水平位移达到墩柱高度的5%， 313.9mm)后计算终止， 以获取力-位移关系曲线， 从而得到结构极限承载能力。

提取全桥整体结构模型中墩柱在E1、 E2 地震作用下的墩底弯矩， 等效为参考点(墩顶)处的水平力， 再利用力-位移关系曲线找到该水平力所对应的荷载步， 对该荷载步下墩柱关键部位及杯口构造位置的损伤(或破坏)情况进行研究， 进而对结构抗震性能进行判断。

3 计算结果分析

3.1 整体模型结果分析

提取整体模型中墩柱在基本组合下的应力值如图5 所示， 基本组合下墩柱最大拉、 压应力分别为86.5MPa、 101.7MPa， 均小于墩柱钢材的强度设计值320MPa， 墩柱满足承载能力要求。 提取墩柱在基本组合下底部反力值， 根据规范验算，杯口壁厚及承台满足相应要求。 根据墩柱、 杯口壁厚及承台的验算结果， 说明该结构在基本组合下能够满足承载能力， 在工程上具备可行性。

图5 基本组合下墩柱应力值(单位： MPa)Fig.5 Diagram of stress value of pier under the basic combination (unit: MPa)

3.2 局部模型结果分析

1. 墩柱力-位移关系曲线

墩柱在E1、 E2 地震作用下的墩底弯矩及等效水平力如表1 所示。

表1 E1、 E2 地震作用下的墩底弯矩及等效水平力Tab.1 Bending moment of pier bottom and equivalent horizontal force under E1、 E2 earthquake effects

在局部模型中， 通过施加5%墩柱高度的位移(313.9mm)， 墩柱的力-位移关系曲线如图6所示。 从计算结果中能看到， 横桥向屈服状态对应的水平力为 1414.37kN， 墩底弯矩为8879.84kN·m， 其侧向变形为96.83mm， 侧移率1.542%； 顺桥向屈服状态对应的水平力为774.93kN， 墩底弯矩为4865.24kN·m， 其侧向变形为76.61mm， 侧移率1.220%， 屈服状态对应的承载力远大于E1、 E2 地震作用下的地震力。说明墩柱在E1、 E2 地震作用下处于弹性阶段，未发生屈服。

图6 力-位移曲线Fig.6 Curve of the force-displacement

2. 墩柱应力、 应变情况

墩柱在E2 作用下的应力、 应变情况如图7、 图8 所示。 在E2 状态下， 墩柱钢板最大拉应力横桥向、顺桥向分别为 69.64MPa、60.59MPa， 此时钢板未屈服。 混凝土最大拉应变分别为1.319e-4、 2.255e-4， 大于C40 混凝土的开裂应变7.98e-5， 此时墩柱内混凝土受拉侧发生开裂。

图7 墩柱钢板应力情况(单位： MPa)Fig.7 The stress of pier steel plate(unit: MPa)

图8 填充混凝土应变情况Fig.8 The strain of filled concrete

3. 杯口应变情况

杯口部分在E2 作用下的应变情况如图9 所示。 在E2 状态下， 杯口混凝土最大拉应变横桥向、 顺桥向分别为4.647e -4、 3.163e -3， 大于C40 混凝土的开裂应变7.98e -5， 此时杯口混凝土发生开裂， 开裂部位集中在受拉侧上部。

4. 承台应变、 应力情况

承台在E2 作用下的应变、 应力情况如图10、 图11 所示。 在E2 状态下， 杯口混凝土最大拉应变横桥向、 顺桥向分别为2.065e - 5、6.408e-5， 小于C35 混凝土的开裂应变7.17e -5，此时杯口混凝土未发生开裂。 承台钢筋最大应力分别为2.049MPa、 2.814MPa， 此时承台钢筋未屈服。

根据计算结果， E1 地震作用下， 墩柱整体结构保持弹性状态， 关键部位未出现损伤情况，结构状态完好； E2 地震作用下， 墩柱整体结构保持弹性状态， 墩柱填充混凝土下部受拉侧与杯口混凝土的上部出现裂缝， 整体结构保持完好。E1 与E2 地震作用下结构承载力并未下降， 表明整体结构抗震承载力满足要求。

图9 杯口混凝土应变情况Fig.9 The strain of concrete of cup-mouth

图10 承台混凝土应变情况Fig.10 The strain of concrete of caps

图11 承台钢筋应力情况(单位： MPa)Fig.11 The stress of rebar in caps(unit: MPa)

4 构造要点小结

预制墩柱通过承插式杯口的方式与下部承台或基础连接， 设计关键点一是杯口承台构造， 目前桥梁相关规范暂无相关规定。 参考相关文献[3-5]并结合计算结果， 杯口承台配筋及构造要点分为两点: (1)杯口深度需大于2 倍墩柱宽度；(2)在杯口顶部1/4 杯口深度范围内配置水平环形筋， 水平环形筋的直径与承台杯口受力钢筋的直径一致。

通过计算发现， 承插式杯口的薄弱点是墩柱、 杯口混凝土、 承台之间的连接面， 设计关键点二便是如何加强各构件之间的联系。 参考相关文献[6]中的试验结论及结合计算结果， 墩柱、 杯口混凝土、 承台之间的连接面的构造要点总结分为三点: (1)为有效提高墩柱与承台的连接性能，对于钢结构预制墩柱， 在墩底设置剪力钉； 对于混凝土预制墩柱， 在墩底采用梯形剪力纹并拉毛处理； (2)为提高杯口混凝土与承台之间的连接性， 可将承台杯口面的混凝土进行凿毛处理， 并在浇筑混凝土前涂刷一层界面胶， 并采用钢纤维混凝土填充杯口。 (3)为进一步加强墩柱与承台的联系， 在承台杯口四周预埋钢板， 并设置连接钢板将墩柱与杯口的预埋钢板焊接， 该措施还便于施工时墩柱定位。 连接钢板数量不宜过多， 一侧设置一道即可， 钢板数量过多易导致浇筑杯口混凝土时形成空洞、 浇筑不密实。

5 结语

预制墩柱与承台或基础之间采用承插式杯口连接施工简便， 对周围环境影响小， 在城市桥梁中优势明显， 但连接部位受力情况较复杂， 进行此类型设计时需对结构分别进行整体承载能力核算与局部结构抗震性能分析。 承插式杯口连接在构造上可通过大于2 倍墩柱宽度的杯口深度、 杯口顶部1/4 杯口深度范围内配置水平环形筋、 墩底设置剪力钉、 杯口表面混凝土凿毛、 设置连接钢板等措施加强各构件之间的联系， 提高连接部位承载能力。