尹启政 邓敦毅 苏志晔 周岐文 李明东

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摘 要：依托工程实例，介绍了承插式预制桥墩接口处镀锌金属波纹管的应用及施工工艺。采用ABAQUS有限元软件，在水平推覆力作用下，开展预制桥墩及灌浆料的塑性损伤规律、预制桥墩位移和应力分布状态研究。结果表明：预埋镀锌金属波纹管的承台与桥墩承插式连接方式具有稳定性高、施工速度快等特点；相较普通承插式构件，预埋镀锌金属波纹管承插式构件整体性更好；承插式构件与整体现浇构件具有一致协同受力特点，建议承插式构件选用高强度灌浆料。

关键词：镀锌金属波纹管;装配式;承插式连接;力-位移曲线;

作者简介：尹启政（1997—），男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为结构非线性。;

基金：国家自然科学基金，项目编号：50978234;

引言

承插式桥墩的连接方式按浇筑顺序可以分为现浇连接和后浇连接两种[1]，其中现浇连接是指预制场预制桥墩，运输至现场定位后现浇承台的连接方式，而后浇连接是指预制场预制桥墩，现场浇筑承台，然后运输桥墩至现场装配定位，在接缝处灌入灌浆料连接[2]。后浇承插式桥墩与现浇连接以及其他连接方式相比，施工容许误差大，施工工序简单，无需特殊施工装备且施工周期相近，是一种极具潜力的施工方式[3]。

1 工程概况

滕州高架标段属京台高速公路泰安至枣庄（鲁苏界）段改扩建工程，路线起于济宁市和枣庄市交界处的于元村北侧，现状京台高速公路桩号K575+480处。路线沿现状京台高速向南布线，设滕州北枢纽与在建枣菏高速进行交通转换，迁建滕州互通，终点桩号K618+200，路线长42.72 km。

滕州高架段左幅144#、145#墩柱、盖梁采用装配式施工工艺，本标段高架桥装配式桥墩采用灌浆连接的预制拼装施工工艺。由于预制拼装工艺对于构件精度的要求严格，预制墩柱钢筋笼及套管的安装精度严格控制在 2 mm范围之内，故而墩柱构件采用先工厂预制生产，后运至工程现场安装的方式。

预制墩柱采用直墩柱，单个墩柱断面为矩形，采用双墩柱形式。承台系梁混凝土等级C40。预制墩柱混凝土等级C40，采用立式浇筑工艺，混凝土一次性浇筑完成。墩柱主筋采用HRB400的Φ24钢筋，箍筋采用HRB400的Φ12钢筋。墩柱底部为混凝土，四周预埋3 mm厚镀锌金属波纹管，伸入承台，与承台间灌注高强灌浆料。见图1。

图1 装配式桥墩结构/cm 下载原图

2 承插式预制桥墩施工关键工艺流程

选取滕州高架桥左幅145#墩柱进行首件预制、运输、安装施工。主要施工步骤：（1）预制场预制桥墩，桥墩底部四周预埋镀锌金属波纹管，高度为160 cm；波纹管上部105 cm处预埋Φ45 mmPVC管，长度为20 cm；墩柱底部预埋吊装用钢绞线；在墩顶、底标定十字定位标记。（2）在承台上标记墩柱定位用十字线，将承台连接界面混凝土进行凿毛。（3）吊装预制桥墩，利用定位标记进行就位，并旋转墩柱使墩柱主筋位置与设计位置一致；下放墩柱，利用十字标记确定墩柱位置并使用木楔子进行临时固定。（4）安装牛腿、千斤顶，利用墩柱四周4个千斤顶临时固定墩柱并微调竖直度。（5）灌注高强混凝土灌浆料，灌浆料强度达到设计要求后拆除牛腿、千斤顶等定位装置，并对预埋PVC管管孔进行灌封。

3 数值模拟

采用ABAQUS有限元分析软件建立三维实体模型，为提高计算效率，墩柱、灌浆料、承台以及波纹管采用八节点线性六面体单元（C3D8R），钢筋采用两节点线性三维桁架单元（T3D2)[4]，其中承台、桥墩采用C40混凝土，灌浆料采用C60早强混凝土，波纹管钢材采用Q345钢材，厚度为3 mm，见表1。

表1 材料特性和单元类型 下载原图

边界条件为承台底部完全固结，各构件之间的接触采用ABAQUS中的通用接触，接触属性法向方向选择默认硬接触，切向方向采用库伦摩擦，定义摩擦系数为0.5，选择有限滑移，不考虑接触面黏结力[5]。有限元模型见图2、图3，选用《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010)[6]中的本构模型。

图2 承插式连接结构有限元模型 下载原图

图3 现浇结构有限元模型 下载原图

绘制力-位移曲线图，横坐标表示加载步骤（分五级进行加载，每级加载5 mm位移，最终加载位移至25 mm），竖坐标表示水平力的大小[7]，见图4。

图4 模型力-位移曲线 下载原图

承插式连接构件混凝土开裂时的墩顶位移为1.48 mm，对应的水平力大小为137.71 kN，钢筋屈服时的墩顶位移为7.35 mm，对应的水平力大小为368.96 kN；整体现浇构件混凝土开裂时的墩顶位移为1.13 mm，对应的水平力大小为138.78 kN，钢筋屈服时的墩顶位移为7.11 mm，对应的水平力大小为362.91 kN，两种模型在混凝土开裂以及钢筋屈服点的水平力和位移大小非常接近，说明承插式连接方式与整体现浇结构的应力状态和变形状态基本一致。两种模型在初期弹性刚度以及屈服后刚度变化趋势基本相同，说明承插式构件与整体现浇构件具有一致协同受力特点承插式预制桥墩接口的连接方式较为可靠[8]。

图5、图6中在25 mm最大位移作用下，金属波纹管承受承台反力上、下部区域灌浆料压应力大小分别为53.04 MPa、34.61 MPa，灌浆料其他位置均为受拉状态，最大拉应力为2.25 MPa。可以说明在承插式连接方式中，灌浆料材料强度应该远高于桥墩及承台选用材料的强度[9]。

图5 灌浆料受力云图 下载原图

图6 桥墩承插端承受反力状况 下载原图

4 结语

(1）预埋镀锌金属波纹管的预制桥墩采用承插式连接方式可以满足环保、低精度高质量的快速施工要求。（2）通过在承台内表面和桥墩外表面预埋镀锌金属波纹管，可以提高与灌浆料连接面的结合强度，结构整体性更好。（3）预埋镀锌金属波纹管的承台与桥墩的承插式连接方式在水平推覆力作用下具有一致协同受力特点。（4）承插式连接方式中灌浆料相较桥墩和承台，需要承担更大的压应力，故在实际工程应用中应选用更高强度的高强灌浆料。

参考文献

[1] 孙策.城市桥梁预制装配化绿色建造技术应用与发展[J].世界桥梁,2021,49(1):39-44.

[2] 曾增,王志刚,余坚,等.预制桥墩不同承插式连接构造试验研究[J].结构工程师,2020,36(5):89-94.

[3] 丁世聪,韩艳,王江江,等.承插式预制桥墩抗震性能研究综述[J].安徽建筑,2020,27(10):59-61.

[4] 徐艳,曾增,葛继平,等.承插式预制拼装桥墩的最小合理承插深度[J].同济大学学报(自然科学版),2019,47(12):1706-1711.

[5] 徐艳,童自亮,曾增,等.灌浆料对预制拼装承插式桥墩力学性能的影响[J].华南理工大学学报(自然科学版),2021,49(5):84-91.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范:GB 50010—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2015.

[7] 窦康健.预制波纹钢-橡胶混凝土墩承插式节点设计和力学性能研究[D].北京:北京交通大学,2020.

[8] 王志刚,孙贵清,余顺新,等.公路桥梁装配式桥墩工业化快速建造技术[J].公路,2021,66(6):145-150.

[9] 袁宏博.一种新型承插式自复位桥墩的抗震性能研究[D].邯郸:河北工程大学,2020.

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