带抗剪键桥墩与承台承插式连接受力性能研究

收稿日期：2024-01-18

作者简介：陈奕铭（1989—），男，硕士，工程师，研究方向：桥梁设计。

摘要 为研究带抗剪键桥墩与承台承插式连接的受力性能，文章建立了3个不同构造的承插式连接试件有限元模型，对其墩柱端部的竖向轴压承载力曲线进行了对比分析，同时研究了3个试件在竖向极限荷载作用下的钢筋和混凝土应力状况，结果表明：桥墩与承台承插孔内壁设置的抗剪键可显著改变承插式连接的受力状态，并能够显著降低承台底板的应力水平。

关键词 承插式连接；抗剪键；竖向承载能力

中图分类号 U443.22文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）09-0119-03

0 引言

为适应桥梁的快速化施工，目前我国正大力推广装配式结构，建造和使用的装配式桥梁也越来越多。装配式结构关键技术主要是构件间的连接，一般可分为上部结构连接和下部结构连接，其中桥梁下部结构连接包括盖梁与墩柱连接、墩柱分节拼接以及墩柱与承台连接。对于墩柱与承台连接，常用的连接方式包括灌浆金属波纹管连接、灌浆套筒连接和承插式连接。其中，承插式连接具有施工效率高、易于安装等优点，越来越多地被工程应用和研究。

目前，国内外专家学者所研究的桥梁墩柱与承台承插式连接，虽将墩柱与承插孔内壁进行了凿毛处理，但并未考虑承插连接界面的受力性能。在海洋结构与水下基础承插式灌浆连接中，一般在连接段设置抗剪键，可以有效提高连接段的受力性能。例如，西文喜[1]研究了海上风机基础水下灌浆连接段的受力性能，对剪力键的尺寸及布置情况进行了优化。陈涛和张持海等[2]人研究了海上风机基础灌浆连接段的轴心受压承载力。结果表明，增加剪力键的高距比能够提高灌浆连接段的轴心受压承载力。

该文借鉴海洋结构的水下基础灌浆连接，在桥梁墩柱承插深度范围内与承台承插孔内壁设置抗剪键，并对该承插式连接开展了承载力研究。利用有限元分析方法对3个桥梁桥墩与承台承插式连接试件模型的承载力进行了对比分析，并研究了3个模型在极限荷载作用下钢筋与混凝土的应力分布情况。

1 模型尺寸、配筋及抗剪键设计

1.1 模型整体尺寸及配筋

该文对3個桥梁墩柱与承台承插式连接模型进行了有限元分析。模型1和模型2的整体尺寸及配筋参考文献[3]中的试件CC-1.0D，如图1～3所示。其中，模型1承插界面不进行凿毛处理，即保持承插界面光滑；模型2在承插界面设置了混凝土抗剪键；模型3将模型2的底板厚度减薄100 mm，其余尺寸和配筋与模型2相同。

图1 预制墩柱尺寸图（mm）

图2 预制承台剖面图（mm）

图3 预制承台平面图（mm）

1.2 承插界面抗剪键设计

《装配式市政桥梁工程技术规范》[4]中给出了抗剪键尺寸的相关要求：抗剪键应采用矩形、圆角梯形截面，倾角为45 °，高度应大于混凝土骨料最大粒径的2倍且不小于35 mm；高度可取平均宽度的2倍。根据文献[3]，该文分析的3个桥墩与承台承插式模型为缩尺模型，模型抗剪键高度取16 mm。抗剪键的尺寸如图4所示：

图4 承插界面混凝土抗剪键尺寸（mm）

2 有限元分析模型

2.1 单元选取及边界条件确定

该文采用有限元软件ABAQUS开展相关数值分析，混凝土和灌浆料采用C3D8R实体单元，普通钢筋采用T3D2桁架单元。混凝土与钢筋之间的黏结利用“嵌入”功能实现，忽略钢筋与混凝土之间的滑移变形。灌浆料单元与承台预留孔内壁绑定，与插入承台预留孔的墩柱外表面进行接触，切向利用“罚”函数摩擦模型，摩擦系数取0.5，法向利用“硬”接触约束模型。将承台底部四周全部约束，进行静力分析。

2.2 材料本构模型

混凝土标号为C30，采用软件自带的塑性损伤模型[5]，其本构关系相关参数按照《混凝土结构设计规范》[6]计算得出。钢筋采用双折线的本构模型，上升段斜率采用钢筋屈服前的弹模，强化段斜率采用上升段斜率的1%。因目前暂无成熟的高强灌浆料本构关系，在模型中采用C80混凝土进行模拟。

为提高计算模型中结果的精确性，并同时考虑在加载、卸载过程中混凝土损伤的累积效应，该文引进损伤因子的概念，其计算方法如下：

（1）

式中，c、t——混凝土受压、拉行为；β——塑性和与非弹性应变的比值，混凝土受压、拉时，β取值0.35～

0.7、0.5～0.95；εin——混凝土拉压时的非弹性应变。

2.3 数值模拟验证

为进一步验证该文所采用的有限元模型正确性，将模型1分析得到的骨架曲线与文献[3]中的试验结果进行对比，如图5所示：

图5 有限元模型验证

该文模拟的骨架曲线在柱顶水平正反方向最大荷载分别达到65.5 kN和58.4 kN，文献[3]中的对应值分别为74.3 kN和68.1 kN，两者分别相差11.8%和14.2%，主要原因是该文有限元模拟中混凝土和钢筋的本构关系与文献[3]中的试件有所差别。因此，该文的有限元模拟是可靠的。

3 模型轴压承载力分析

在墩柱顶部设置参考点，并与墩柱顶面耦合，通过对参考点以位移加载方式向墩柱施加轴向荷载，所得的模型1和模型2的荷载-位移曲线如图6所示。由图6可以看出，两者的竖向承载力基本相同。

图6 模型1和模型2的荷载-位移曲线

通过ABAQUS的后处理模块将模型2的墩柱端部总荷载分解为抗剪键和承台承插孔下部区域底板各自分担的荷载，如图7所示。可以发现，模型2的抗剪键和承台承插孔下部区域承台底板分别承担了大约2 400 kN和800 kN的竖向荷载，说明抗剪键承担了大部分竖向荷载。

在竖向荷载作用下进入塑性时，模型1和模型2承台钢筋最大应力分别为510.6 MPa和370.5 MPa，说明通过设置抗剪键可显著降低承插孔底部承台内钢筋的应力，降幅达37.8%。

图7 模型2的抗剪键和承插孔底部区域分担荷载

在竖向荷载作用下进入塑性时，模型1和模型2承插孔底部区域最大应力分别为34.69 MPa和13.98 MPa，说明通过设置抗剪键可显著降低承插孔底部区域应力水平，降幅达148.1%。

为进一步研究抗剪键对承插式连接竖向承载力的影响，模型3将模型2承台承插孔下部区域厚度由220 mm降为120 mm，通过对其开展竖向承载力有限元分析，并与模型1和模型2进行对比，如图8所示。

图8 三个模型荷载-位移曲线比较

从图8可以看出，模型3与模型2的竖向承载力基本相当，略有减小，这说明承台厚度的减小对承载力的影响有限，抗剪键承担了大部分荷载。

如图9所示为模型3的抗剪键和承台承插孔底部区域承台底板分别分担的荷载。由图9中可以发现，模型3中的抗剪键分担荷载约为2 800 kN，而承插孔下部区域承台底板分担的荷载约为600 kN，说明减小承臺厚度会进一步增加抗剪键承担的荷载。

图9 模型3荷载分担图

与模型2相比，在进入塑性时模型3的承台钢筋最大应力（501.8 MPa）显著增加，而承台底板混凝土应力则增加不大，仅由13.98 MPa增加到15.08 MPa。

4 结论

该文对3个桥梁墩柱与承台承插式连接试件模型进行了有限元模拟，并分析了3个模型的轴压荷载-位移曲线、钢筋和混凝土应力状况，可以得到以下结论：

（1）抗剪键承担了大部分竖向轴压荷载。抗剪键的设置对竖向轴压承载能力的影响很小，但会显著降低承插孔底部混凝土和承台内钢筋的应力水平。

（2）承台厚度的减小会进一步增加抗剪键承担竖向荷载的比例，显著增加承台内钢筋应力，但对承插孔底部混凝土的应力水平影响较小。

参考文献

[1]西文喜. 海上风机基础水下灌浆连接段受力性能研究[D]. 青岛：中国石油大学（华东）， 2018.

[2]陈涛， 张持海， 王衔， 等. 海上风机基础灌浆连接段轴心受压承载力数值分析[J]. 同济大学学报（自然科学版）， 2020（10）： 1452-1459.

[3]韩艳， 董嘉雯， 王龙龙， 等. 承插式装配桥墩抗震性能拟静力试验与数值模拟[J]. 工程抗震与加固改造， 2020（5）： 63-70.

[4]安关峰， 侯照保. 《装配式市政桥梁工程技术规范》（DBJ/T 15-169—2019）编制与介绍[J]. 市政技术， 2020

（5）： 93-98.

[5]齐威. ABAQUS 6. 14超级学习手册[M]. 北京：人民邮电出版社， 2016.

[6]混凝土结构设计规范： GB 50010—2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2011.