预制拼装桥梁节段间接缝抗剪性能试验研究

预制拼装桥梁节段间接缝抗剪性能试验研究

李磊李强

中国建筑土木建设有限公司北京100070

摘要：预制拼装桥墩具有质量高、施工速度快、干扰小、绿色环保等优点，是装配式桥梁进一步发展的方向。分别从试验研究、理论研究和实际工程应用三个方面进行归纳总结，对预制拼装桥墩的抗震性能、节段接头、后张预应力系统、桥墩断面、耗能装置和塑性铰区设置的研究结果和实桥应用进行了分析，进而对亟待研究的问题和进一步研究的方向进行了展望。

关键词：混凝土桥墩；节段拼装；力学性能；构造

目前桥梁施工现场需大量混凝土灌注作业，对周围环境会造成极大的影响，尤其是我国高速公路大量位于山区地带与生态保护区，在生态保护及施工条件的约束下，急需寻求低环境影响的桥梁施工方式，于是预制节段拼装桥墩便成为较佳的选择。特别是桥梁经过环境敏感地区、桥位不易到达、气候恶劣可供施工期较短等特殊状况，或者要求通过快速施工来减少对周围交通干扰、缩短阻塞时间、降低运输车辆和施工中产生的各种噪声时，预制节段拼装桥墩可能是最为理想的选择。

一、试验研究

既有节段拼装桥墩的试验主要为拟静力试验，振动台试验较少；试件以单柱墩居多，框架墩很少；关注的重点分别为节段拼装方式、预应力钢筋有无黏结、预应力度大小、节段数目、附加耗能装置、塑性铰区设置、残余位移、滞回特性等影响因素。美国针对节段拼装桥墩的试验研究起步较早。1997年，Ｍａｎｄｅｒ和Ｃｈｅｎｇ针对在桥墩底部形成节段缝，允许桥墩绕墩底转动的无黏结后张预应力桥墩抗震性能及其损坏后的加固性能进行了试验研究。

１９９９年～２００４年，Ｂｉｌｌｉｎｇｔｏｎ等人提出了适合在非抗震设防区的中小跨径规则桥梁下部结构的节段拼装体系，还建议了一种适合抗震区应用的预制拼装桥墩体系。为验证该桥墩体系的抗震性能，进行了７个试件的拟静力试验，比较了采用延性纤维加劲水泥复合材料的桥墩体系与一般混凝土桥墩体系的差别。２００１年，美国加州大学Ｂｅｒｋｅｌｅｙ的Ｈｅｗｅｓ和Ｐｒｉｅｓｔｌｅｙ对４根大比例尺寸、采用无黏结预应力筋连接的节段拼装混凝土摇摆体系桥墩进行了循环加载试验研究，研究其强度和变形特征。２００６年～２００７年，为了进一步了解预制节段工艺桥梁在强震区的抗震行为，布法罗大学和台湾地震研究中心联合开展了大比例尺（１∶２．５）空心截面节段拼装桥墩的拟静力试验和拟动力试验，研究预应力钢筋的预应力度、消能钢筋等参数变化对桥墩行为的影响。我国台湾地区许多学者也对预制节段拼装桥墩做了大量的研究工作。１９９９年～２０００年间，林健全、杨宙燕对预制节段墩柱系统的中、短柱进行了试验研究，探讨节段界面间不同剪力传递的影响。试件由２个中空矩形混凝土节段通过后张预应力组装而成，界面设计包含实心剪力榫、钢板包覆以及ＦＲＰ包覆等。２００１年～２００３年间，“台湾交通部”国道新建工程局委托国家地震工程中心进行了４组大比例尺的节段桥墩试验，作为应用推广的参考依据，同时对预制节段桥墩的施工方式和设计细节提出明确的规定。２００５年，台湾交通大学的周中哲等改进了Ｈｅｗｅｓ试验和分析方法，进行了２个预制钢管约束素混凝土节段桥墩的拟静力试验。同时对１根试件附加了耗能装置。２０１０年，国立台湾科技大学陈聖文、欧昱辰针对分别使用不锈钢钢筋和传统钢筋在预制混凝土节段桥墩反复载重行为的耗能行为设计了３个试件进行了拟静力试验研究。其他国家的一些学者也进行了相关的研究。２００６年，新西兰坎特伯雷大学的Ｐａｌｅｒｍｏ和Ｐａｍｐａｎｉｎ等对带有耗能钢筋的干接缝节段拼装桥墩进行了拟静力试验研究，包括验证设计方法的可行、施工的方便、延性耗能和自复位能力等，同时对耗能钢筋和预应力钢筋的取值提出了设计指导意见。２００８年，韩国的Ｋｉｍ对４个具有预制基础和预应力筋管道中设置抗剪连接结构的预制节段桥墩试件进行拟静力试验。国内方面的研究相对滞后，１９９９年，田琪、陈兴冲、朱东生等人对拼装式双柱桥墩盖梁与墩柱间的插入式接头和预应力接头的承载能力与滞回特性进行了试验研究。２００８年，同济大学葛继平、刘丰、赵宁等分别进行了１８根现浇、承插和节段拼装预应力混凝土桥墩在定轴力和水平力作用下的拟静力试验和振动台试验。对有无预应力钢筋、预应力钢筋有无黏结、现浇式、承插式以及节段式等３种不同拼装方式、节段式中的节段数目、预应力钢筋的位置、是否采用纤维混凝土、附加耗能装置等因素对预应力桥墩抗震性能的影响进行了比较。

二、理论研究

常用的桥墩理论分析方法有解析方法、塑性铰分析方法、纤维模型分析方法、实体有限元方法等４类。１９９９年，陈兴冲、田琪、孙杰提出了用反应谱法计算拼装式双柱桥墩接头地震力的计算公式，通过与极限承载力的比较，给出了拼装式桥墩梁－柱接头的抗震验算公式。２００６年，李子奇、樊燕燕、虞庐松根据拼装式双柱桥墩采用的不同接头形式，选用不同的计算图式，研究了拼装式双柱桥墩的自振特性及地震反应特点、不同计算图式对地震反应的影响以及地基弹簧刚度对自振特性的影响。２００６年，新西兰坎特伯雷大学的Ｐａｌｅｒｍｏ和Ｐａｍｐａｎｉｎ等对带有耗能钢筋的干接缝节段拼装桥墩进行拟静力试验研究的同时，也对该种体系的桥墩进行了循环荷载作用下的模拟。分析时采用２个并联的转角弹簧来模拟墩底的弯弯矩转角关系，一个为模拟恒载与预应力钢筋自复位能力贡献的弹簧，其滞回准则为非线性弹性；另一个为模拟耗能钢筋耗能贡献的弹簧，其滞回准则依据不同情况，采用改进的Ｔａｋｅｄａ模型、理想弹塑性模型、Ｒａｍｂｅｒｇ．Ｐｏｓａｄａ模型等模型。２００７年，布法罗大学的ＯｕＹｕ－Ｃｈｅｎ等也采用集中塑性铰方法进行了节段拼装桥墩的拟静力分析和时程分析，并首先给出了具有黏结耗能钢筋、无黏结预应力钢筋的干接缝节段拼装桥墩截面弯矩曲率分析方法。

三、实际工程应用

过去几十年来，在频率较高的地震活动区预制拼装混凝土桥墩可以找到的例子非常少，像美国的西部沿海区、日本和中国台湾，这些国家或地区都担心预制拼装桥梁的抗震性能。但近年来，预制节段桥墩的应用已经由非地震区逐渐朝着地震区发展。

中国台湾采用预制桥墩施工的桥梁早期有台１４线的长寿桥和育乐桥，近期有埔里隧道西洞口的桥等。２０１０年台湾台中生活圈２号线东段、台中生活圈４号线北段及大里联络道工程其中几段采用预制节段桥墩吊装工艺，并配合设置减隔震支座以提高其抗震性能。这是预制节段桥墩加减隔震支座工艺在台湾首度采用。我国大陆地区目前还没有预应力预制节段拼装空心桥墩的实例，北京积水潭桥试验工程、东海大桥、杭州湾大桥、上海长江大桥、上海S7沪崇高速公路等主要为采用湿接缝连接和干接连接的节段拼装实体桥墩。

结语

针对预制节段拼装桥墩抗震性能的试验研究和理论分析，国内外已经开展得较多，但对影响节段拼装预应力混凝土桥墩抗震性能的各种关键因素，如预应力度的选择、混凝土初始压应力、消能钢筋种类和相应配筋率的选择、塑性铰区设置等仍然缺乏统一和明确的认识或规定。同时，温度和环境对预制节段拼装桥墩力学性能和上述关键参数的影响，还缺乏系统地研究。预应力节段拼装桥墩的防腐蚀、防排水、可检修可更换、震后快速修复等耐久性构造以及施工工艺值得探讨和研究。

参考文献

[1]周履．体外预应力混凝土结构的研究及应用状况阴．桥梁建设。1997（3）：1-12

[2]严国敏编译．pc预制节段拼装桥梁的现况与其研究动向们．国外桥梁，1998（1）：50-53

[3]李坚，陆元春．预制节段混凝土梁桥的设计与工程实践们．城市道桥与防洪，2003（6）