承插式预制桥墩抗震性能研究综述

丁世聪，韩艳，王江江，黄志明 （北方工业大学土木工程学院，北京 100144）

0 前言

桥梁是主要交通路径，我国对桥梁建设发展高度重视[1]。桥梁墩柱预制拼装技术相比传统的现浇式墩柱有很大进步，具有现场施工量少、方便快捷、高效环保等优势。桥梁墩柱与承台的连接主要有整体现浇式、灌浆套筒、灌浆金属波纹管、承插式[1-2]等形式。其中整体现浇式是对墩柱与承台的钢筋进行绑扎形成整体钢筋笼，然后对其整体现场混凝土浇筑，此连接构造在实际工程中应用较多，但施工周期长、现场作业量大。与灌浆套筒、灌浆金属波纹管等相比，承插式的墩柱与承台连接精度要求更低，更有利于加快施工速度[3]。在地震作用下桥梁下部结构很容易遭到破坏，尤其是预制墩柱与基础的连接界面是抗震性能的薄弱部位，所以，这种类型的桥墩仅限于低烈度区采用[4-5]。我国是地震多发国家，预制桥墩的抗震性能需要进一步提高，为此，本文总结了国内外学者对承插式预制墩柱抗震性能研究现状，提出了需进一步研究的问题，以促进我国承插式桥墩在桥梁工程中的合理应用。

1 承插式连接构造特点及应用

墩柱与承台基础的承插式连接系将预制墩柱放入承台基础预留杯口内，并用灌浆料填充缝隙，通过灌浆料提供的固结作用使墩柱与承台形成整体。该连接构造最大的特点是现场作业量少，施工工序简单，施工周期短，是桥梁下部结构预制装配的一种有力竞争方案[3]。尤其在交通繁忙和居民众多的城市中心区域，因可以大大缩短现场施工时间，减少施工作业面，从而可以减少不必要的拆迁，大幅缓解桥梁施工期间对周围交通的干扰，降低施工中产生的各种噪声，消除粉尘污染，同时可以提高施工人员安全性和施工质量，符合快速施工、绿色施工、文明施工的现代化桥梁建设发展需求。美国华盛顿州SR520公路的interstate 5号公路桥就采用了预制墩柱与承台的承插式连接，并在预制墩柱嵌入段外表面设置环形凹槽以提升表面粗糙度，从而增大承台与墩柱粘结力使两者连接更加牢固。我国上海嘉闵高架北二段一座匝道桥也采用了预制墩柱与基础的承插式连接，且也在预制墩柱嵌入段外表面设置了环形凹槽。另外，北京积水潭立交桥及江北东高速也采用预制墩柱与承台承插式连接，后者是国内首次在管桩基础上对下部结构桥墩连接采用承插式技术连接，为我国桥梁下部构造承插式连接技术研究与应用做出了卓越的贡献。

2 国内外研究现状

墩柱与基础承插式连接构造是近年来预制桥梁建设的新型桥墩构造形式，但并不是一种全新的连接构造，其构造原理与工民建结构中的杯型基础相似。1996年，日本学者Osanai等[6]对房屋建筑结构墩柱-基础的承插式连接构造进行了拟静力试验，对柱基应力传递机理进行研究，推导出承插式连接墩柱-基础构件在水平力和轴向力作用下的节点受力计算公式，并提出了相应的设计方法。该研究首次提出不同埋置深度墩柱剪力键的设置与摩擦系数的选取，但结果是基于特定尺寸的剪力键，没有考虑墩柱插入界面粗糙度与基础杯底开口尺寸的影响，因此所得结论不具备代表性。

2004年，Canha等[7-9]对房屋建筑结构墩柱-基础承插式连接节点的受力行为进行研究，先后分析了有无剪力键以及剪力键尺寸对承插式连接结构抗剪性能的影响，结果表明墩柱纵筋最大应变值出现在0.5倍埋深附近，由此导出墩柱纵筋锚固长度大约为0.5倍墩柱埋深，并建议了剪力键最大尺寸和最小尺寸。Anil等[10]建立了承插式预制墩柱的有限元模型，对Canha[7-9]等人的研究结果进行了验证，分析了预制墩柱与承台基础承插式连接节点的应力传递机理。结果表明，在一定水平荷载作用下，承台基础预留杯口压应力最大，随着墩柱承插深度的增加，承插孔壁应力逐渐减小，在大约一半承插深度时，承插孔壁所受应力为零，此处，同侧承插孔壁由压应力变为拉应力，且随承插深度的增加而增大，该应力值与界面接触面刚度系数成正比。

随着桥梁建设技术快速发展，施工速度要求不断提高，承插式连接构造越来越多地应用到桥梁结构施工建设中。因桥梁结构中的预制墩柱截面尺寸、承受荷载量级等与房屋建筑结构墩柱相差较大，所以房屋建筑结构墩柱-基础承插式连接构造不能直接用于桥梁工程中。因此，国外一些学者结合当地实际桥梁应用要求提出了几种具体的承插式桥墩构造形式，并对其静力性能及抗震性能做了初步的分析工作[11-14]。

2013 年，Haraldsson 等[11]对两个嵌入深度分别为0.5D、1.1D（D为墩柱直径）的预制墩柱及现浇基础的承插式桥墩进行了拟静力试验，试验的墩柱纵向钢筋没有向墩底外部弯出并延伸到现浇基础内，而是采用了锚固头的构造形式。结果表明，0.5D桥墩的承台基础发生冲剪破坏，1.1D桥墩的破坏是由墩柱本身失效引起的，而承插式节点构造保持完好。同年，Mashal等[12]对双柱式桥墩与承台承插式连接构造进行拟静力试验研究，并根据墩柱破坏现象及墩柱塑性铰区钢筋的应变大小对柱体破坏程度进行等级划分，结果表明承插式预制桥墩有较好的抗震效果。钢筋应变直接反映了其所受应力大小，而墩柱钢筋配筋率直接影响到其所受应力，对于墩柱塑性铰区配筋率对柱体破坏程度及破坏形式的影响程度还需进一步研究。

2018 年，Mohebbi等[13-14]先后对大型单柱预应力墩和双柱墩进行振动台试验，墩柱与帽梁及承台基础采用承插式连接，前者墩柱承插深度为1.0D，后者墩柱与承台及帽梁承插深度分别为1.36D、1.0D。单柱墩塑性铰区承台界面上2.0D、双柱墩帽梁界面下1.5D范围内采用超高性能混凝土材料（UHPC）进行加固。振动台试验结果表明UHPC能够有效降低墩柱塑性铰区的地震损伤和混凝土剥落，承台基础界面下柱体纵筋塑性变形的增大能够提高其延性，避免柱体结构过早破坏。由于该试验研究的UHPC及钢筋塑性变形会对柱体损伤产生影响，而钢筋塑性变形与自身强度有关，因此，加固墩柱塑性铰区段的材料种类、材料加固范围及应用的钢筋强度必定会对柱体损伤产生影响，其影响规律还需要通过试验进一步研究。

在国内，2016年，夏樟华等[15]对美国华盛顿州的桥梁快速施工技术进行总结，指出当承插式桥墩的预制墩柱埋深大于等于墩柱直径时，预制墩柱-基础连接的性能会等于或好于现浇混凝土桥墩。2018 年，冷大伟[16]和陈金彪等[17-18]提出预制承台基础与空心墩柱承插式连接的两种构造形式，即钢板剪力钉连接方式和梯形剪力齿连接方式，并分析了两种连接构造的预制墩柱-基础连接接头处的紧密性及受力特点，结果表明，预制墩柱最终破坏形式都是弯曲破坏，梯形剪力齿连接形式的预制墩柱表现更为优越。陈金彪等[18-19]还利用ABAQUS对两种连接方式的桥墩进行了数值模拟分析，模拟结果与试验结论基本吻合，为采用有限元方法进行承插式预制桥墩抗震性能参数分析奠定了基础。

2019年，徐艳等[19]对一个整体现浇墩柱和四个不同承插深度（0.5D、0.7D、1.0D、1.5D）的预制墩柱进行拟静力试验，并进行数值模拟分析，结果表明不同承插深度的预制墩柱的抗震性能与整体现浇桥墩基本一致，并且承插深度主要影响的是承插孔壁应力分布，承台基础对预制墩柱的约束作用与桩周土对嵌岩桩的约束作用极为相似，根据试验及数值模拟结果，得到该连接构造在保证灌浆料粘接良好的情况下，0.7D的承插深度可作为最小合理承插深度推荐值。该承插深度是在理想状态下推导出来的，而在实际工程施工中，施工误差可能会对承插式预制墩柱抗震性能产生影响，因此，墩柱0.7D的承插深度是否能够应用于实际工程还有待进一步验证。

3 承插式预制桥墩抗震性能研究方向

从前面的研究现状可以看出，目前关于承插式预制桥墩抗震性能的研究还不够系统深入，可以考虑在以下几个方面加强研究：

①研究承台基础预留孔洞尺寸、预制墩柱塑性铰区配筋率对承插式预制桥墩抗震性能的影响；

②研究加固墩柱塑性铰区段的材料种类、材料加固范围及钢筋配置等对预制桥墩抗震性能的影响程度，揭示具有不同构造参数的承插式预制桥墩在地震作用下的损伤演化过程和破坏特征，优化承插式连接构造参数。

4 结语

本文主要阐述了承插式预制桥墩抗震性能的研究现状、存在局限及发展方向等相关问题。总结了影响承插式预制桥墩抗震性能的主要因素包括墩柱插入界面粗糙度、墩柱承插深度等，而承台基础预留杯口尺寸、墩柱塑性铰区段加固的材料种类、材料加固范围及钢筋配置对预制桥墩抗震性能的影响规律是进一步的研究方向，建议采用理论分析、模型试验与数值模拟相结合的方法以更全面研究承插式预制桥墩的抗震性能。