張凱迪, 賈俊峰,, 程壽山, 樊 平, 龐 偉， 周述美

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100124；2.舊橋檢測(cè)與加固交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京), 北京 100088；3.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司, 蘭州 730099；4.中國(guó)建筑第八工程局有限公司, 上海 200112)

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人們對(duì)生產(chǎn)生活水平要求的提高，傳統(tǒng)橋梁建造方式已不能滿足當(dāng)今社會(huì)需要. 當(dāng)前，橋梁建設(shè)除了需滿足建成后結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性和美觀性，還需考慮橋梁全生命周期的耐久性能. 橋梁快速建造技術(shù)(accelerated bridge construction, ABC)可以實(shí)現(xiàn)橋梁建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化預(yù)制、機(jī)械化運(yùn)輸和裝配化施工，并結(jié)合智能化和信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁建設(shè)的全預(yù)制裝配建造，具有現(xiàn)場(chǎng)施工速度快、對(duì)環(huán)境干擾小、結(jié)構(gòu)建造質(zhì)量高、施工安全性高等諸多優(yōu)勢(shì)，達(dá)到一定規(guī)模后具有較好的經(jīng)濟(jì)性，受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注. 2016年，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，提出力爭(zhēng)用10年左右的時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%. 上海等省市也針對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施工業(yè)化建造發(fā)布了相應(yīng)的推廣要求和激勵(lì)措施. 裝配式橋梁已在全國(guó)范圍內(nèi)10余個(gè)省市得到廣泛關(guān)注和示范推廣. 住建部和交通運(yùn)輸部等也相繼發(fā)布多部裝配式建筑及橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，極大推動(dòng)裝配式建筑的工程應(yīng)用推廣.

預(yù)制裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)各預(yù)制構(gòu)件之間的連接技術(shù)、力學(xué)性能及架設(shè)技術(shù)是制約全預(yù)制裝配式橋梁工程實(shí)踐的關(guān)鍵因素. 預(yù)制構(gòu)件連接主要包括預(yù)制墩柱與基礎(chǔ)/承臺(tái)、預(yù)制蓋梁以及預(yù)制墩柱節(jié)段之間的連接. 不同連接技術(shù)條件下預(yù)制裝配橋墩的力學(xué)行為、抗震能力、損傷機(jī)理以及破壞模式具有顯著區(qū)別，其抗震性能目標(biāo)、設(shè)計(jì)方法仍在不斷完善中. 目前，預(yù)制橋墩按抗震性能可分為等同現(xiàn)澆和非等同現(xiàn)澆預(yù)制橋墩. 非等同現(xiàn)澆預(yù)制橋墩指采用預(yù)應(yīng)力筋連接各預(yù)制節(jié)段，具有較好的自復(fù)位能力，附加耗能構(gòu)件后可實(shí)現(xiàn)較好的耗能能力，但其在國(guó)內(nèi)的工程應(yīng)用仍需進(jìn)一步推進(jìn). 等同現(xiàn)澆預(yù)制橋墩具有與現(xiàn)澆橋墩相近的抗震性能，其包括灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接、承插式連接、插槽式連接和現(xiàn)澆濕接縫連接等多種連接方式. 其中，插槽式連接和現(xiàn)澆濕接縫連接對(duì)施工精度要求低、施工工藝簡(jiǎn)單，在我國(guó)早期的預(yù)制橋墩實(shí)踐中被大量應(yīng)用，但現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)較多，快速施工的優(yōu)勢(shì)較其余連接類型有較大的差距. 而灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接和承插式連接具有與現(xiàn)澆橋墩相近的抗震性能，且現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少、施工速度快，從而受到業(yè)主的青睞，在國(guó)內(nèi)被廣泛應(yīng)用. 因此，本文主要以灌漿套筒、灌漿波紋管和承插式連接等3種連接方式為主，介紹預(yù)制裝配橋墩連接技術(shù)特點(diǎn)及研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上總結(jié)相關(guān)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外預(yù)制裝配橋墩中的應(yīng)用概況及典型工程案例，基于國(guó)內(nèi)外裝配式橋墩研究和工程實(shí)踐現(xiàn)狀，分析預(yù)制裝配式橋墩發(fā)展態(tài)勢(shì)，為我國(guó)進(jìn)一步推動(dòng)裝配式橋梁技術(shù)進(jìn)步和工程實(shí)踐提供參考.

1 灌漿套筒連接裝配式橋墩

1.1 灌漿套筒連接鋼筋力學(xué)性能

鋼筋灌漿套筒連接技術(shù)主要由套筒、帶肋鋼筋和灌漿料三部分構(gòu)成，如圖1所示. 技術(shù)原理為將高強(qiáng)快硬的無收縮無機(jī)灌漿料填充在鋼筋與專用套筒連接件之間，灌漿料凝固硬化后形成鋼筋連接，套筒常采用鑄造工藝或者機(jī)械加工工藝制造，而灌漿料是以水泥為基本材料，配以細(xì)骨料、少量外加劑和其他材料組成的干混料，加水?dāng)嚢韬缶哂辛鲃?dòng)度大、早強(qiáng)、高強(qiáng)和微膨脹等性能[1]. 采用灌漿套筒連接預(yù)制橋墩與基礎(chǔ)的施工工序?yàn)椋夯A(chǔ)頂鋪設(shè)高強(qiáng)無收縮砂漿墊層并找平，然后進(jìn)行上部預(yù)制墩身節(jié)段吊裝；精確定位上部預(yù)制墩身節(jié)段，在其灌漿套筒內(nèi)灌注高強(qiáng)無收縮水泥灌漿料，然后對(duì)灌漿孔及出漿孔進(jìn)行密封，待連接套筒內(nèi)灌漿料強(qiáng)度滿足要求后，施工下道工序[2].

圖1 灌漿套筒連接的裝配式橋墩Fig.1 Precast column based on the grouted sleeve connection

灌漿套筒連接的可靠性取決于鋼筋與灌漿料和灌漿料與套筒相互間的黏結(jié)強(qiáng)度[3]. 為研究不同參數(shù)對(duì)灌漿套筒連接鋼筋的力學(xué)性能影響規(guī)律，學(xué)者們展開了鋼筋直徑、錨固長(zhǎng)度和強(qiáng)度、套筒直徑、灌漿料種類和齡期、鋼筋強(qiáng)度、加載模式等參數(shù)對(duì)構(gòu)件性能的影響研究. Ling等[4-5]采用單軸荷載拉伸試驗(yàn)分析鋼筋錨固長(zhǎng)度、套筒直徑及套筒形狀(圓形套筒、錐形套筒)對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響. 研究發(fā)現(xiàn)破壞模式主要為鋼筋拉斷、鋼筋- 灌漿料黏結(jié)滑移失效和波紋管破壞3種. 構(gòu)件的抗拉承載能力取決于鋼筋- 灌漿料和鋼筋抗拉強(qiáng)度兩者的較小值，會(huì)隨鋼筋錨固長(zhǎng)度增加而增加，但隨套筒直徑增加而減小. 錐形套筒與鋼筋的黏結(jié)性能比圓形套筒高25%～35%，但錐形套筒連接鋼筋的力學(xué)性能受鋼筋錨固長(zhǎng)度影響較大，其鋼筋錨固長(zhǎng)度可取6～8d(d為鋼筋直徑). 吳小寶等[6]和Xu等[7]研究灌漿料齡期對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響，均認(rèn)為隨灌漿料齡期的增加，構(gòu)件的局部黏結(jié)強(qiáng)度增加. 當(dāng)灌漿料齡期為7 d時(shí)，構(gòu)件的抗拉承載能力可到終值的96%左右. 吳小寶等[6]展開鋼筋強(qiáng)度等級(jí)對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能研究，發(fā)現(xiàn)采用HRB500級(jí)鋼筋比HRB400級(jí)的構(gòu)件承載力高5.4%～23.7%. 隨著高性能材料的發(fā)展和灌漿套筒的廣泛應(yīng)用，鋼套筒在海洋環(huán)境中會(huì)受到氯化鈉或除冰鹽等的腐蝕作用，從而導(dǎo)致套筒連接強(qiáng)度退化，降低結(jié)構(gòu)安全性. 另外，套筒灌漿密實(shí)度與套筒的連接強(qiáng)度密切相關(guān)，而鋼套筒等金屬套筒對(duì)電磁信號(hào)的屏蔽作用使套筒灌漿密實(shí)度不易檢測(cè)，造成預(yù)制構(gòu)件連接質(zhì)量難以檢測(cè)與控制. 由于玻璃纖維增強(qiáng)塑料(glassfiber reinforced plastics, GFRP)在質(zhì)量耐久性、耐腐蝕性和抵抗電磁信號(hào)屏蔽等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，Sayadi等[8]和張?jiān)龅碌萚9]認(rèn)為可使用GFRP套筒代替鋼套筒. 不同鋼筋錨固長(zhǎng)度的GFRP套筒破壞形式不同，當(dāng)錨固長(zhǎng)度大于7.5d時(shí)，可滿足Ⅰ級(jí)接頭中的單向拉伸強(qiáng)度[9]. 超高性能混凝土具有較高的強(qiáng)度、延性和耐久性等優(yōu)點(diǎn)，Wang等[10]采用高性能混凝土作為灌漿料，并提出帶螺栓的鋼套筒，研究發(fā)現(xiàn)，此套筒的鋼筋錨固長(zhǎng)度可降低至5d，而且螺栓的存在可明顯增強(qiáng)灌漿料與套筒的黏結(jié)強(qiáng)度. Zheng等[11]、Lin等[12]展開循環(huán)荷載作用下灌漿套筒連接鋼筋的力學(xué)性能研究. 研究發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)荷載作用下，構(gòu)件的力- 位移曲線與單調(diào)荷載作用下的曲線相似，但隨鋼筋錨固長(zhǎng)度的降低，構(gòu)件的失效模式會(huì)從鋼筋拉斷向黏結(jié)- 滑移失效轉(zhuǎn)變. 以上研究均是基于靜力荷載作用下展開的，但建筑結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到爆炸、車撞和沖擊等動(dòng)力荷載，因此，Yin等[13]研究動(dòng)力荷載作用下構(gòu)件的力學(xué)性能，在動(dòng)力荷載作用下，構(gòu)件的承載能力和應(yīng)變都較在靜力荷載作用下的大，且隨動(dòng)力加載速率的增加，構(gòu)件承載能力和極限位增加，但不會(huì)影響構(gòu)件的失效模式.

在實(shí)際施工過程中，會(huì)存在非正常灌漿的現(xiàn)象，如灌漿不足和鋼筋偏心等，這會(huì)嚴(yán)重影響灌漿套筒連接鋼筋的力學(xué)性能. Zheng等[11]在單調(diào)和循環(huán)荷載作用下對(duì)垂直灌漿不足的構(gòu)件展開了研究，發(fā)現(xiàn)灌漿不足對(duì)構(gòu)件的屈服和極限荷載無影響，但其失效位移比全灌漿的構(gòu)件大. 此外，灌漿不足的構(gòu)件受錨固長(zhǎng)度影響會(huì)大，且會(huì)對(duì)構(gòu)件失效模式造成影響. 隨鋼筋錨固長(zhǎng)度的降低，構(gòu)件的失效模式會(huì)從鋼筋拉斷向鋼筋- 灌漿料黏結(jié)滑移失效轉(zhuǎn)變. 若要使得構(gòu)件呈現(xiàn)鋼筋斷裂的失效模式，在單調(diào)荷載和循環(huán)荷載作用下，鋼筋的錨固長(zhǎng)度應(yīng)分別大于4倍和5倍的鋼筋直徑. 研究同時(shí)表明，對(duì)灌漿不足的構(gòu)件進(jìn)行二次灌漿后可達(dá)到與全灌漿構(gòu)件相同的力學(xué)性能，但其失效位移仍大于無缺陷構(gòu)件. Xu等[7]和陳建偉等[14]展開鋼筋垂直偏心和斜向偏心對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能影響的研究發(fā)現(xiàn)，套筒的環(huán)向壓應(yīng)變受鋼筋偏心影響最為顯著，隨鋼筋垂直偏心率的增加，構(gòu)件黏結(jié)強(qiáng)度減小，隨鋼筋錨固長(zhǎng)度增加，鋼筋偏心率對(duì)構(gòu)件的承載能力和破壞形態(tài)逐漸變小. 而鋼筋斜向偏心構(gòu)件中的灌漿料損傷最深，隨著鋼筋直徑的增加，損傷深度增加，深度最深為鋼筋嵌入長(zhǎng)度的9.64%[14].

灌漿套筒連接鋼筋的力學(xué)性能受鋼筋錨固長(zhǎng)度、套筒形狀和灌漿料種類的影響最為明顯，其黏結(jié)強(qiáng)度隨錨固長(zhǎng)度增加而增加，錐形套筒的黏結(jié)強(qiáng)度高于普通圓形套筒，而高性能材料作為灌漿料可降低所需的錨固長(zhǎng)度. 此外，非正常灌漿會(huì)嚴(yán)重影響灌漿套筒連接鋼筋力學(xué)性能，因此實(shí)際施工過程中應(yīng)保證施工質(zhì)量.

1.2 灌漿套筒連接裝配式橋墩抗震性能研究

灌漿套筒連接可以用于預(yù)制墩柱的柱- 基連接，是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的預(yù)制橋墩類型. 擬靜力試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，采用灌漿套筒連接的預(yù)制橋墩具有與現(xiàn)澆橋墩相當(dāng)?shù)目箓?cè)承載能力，但延性和耗能能力較差[15-21]. 當(dāng)灌漿套筒位于橋墩塑性鉸區(qū)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致塑性鉸上移或形成第二塑性鉸[16]，且由于承臺(tái)和墩身界面處鋼筋的應(yīng)力集中，鋼筋容易斷裂，使得預(yù)制墩的位移延性較差，其與現(xiàn)澆橋墩位移延性的差異最大可達(dá)50%[17-18]，另外，隨著套筒直徑加大或長(zhǎng)度加長(zhǎng)，套筒連接預(yù)制橋墩的抗震性能與現(xiàn)澆墩的抗震性能差異加大，其破壞模式也會(huì)從塑性鉸區(qū)混凝土破壞轉(zhuǎn)變?yōu)殇摻顢嗔裑19]. 為提高灌漿套筒連接預(yù)制橋墩的延性性能，Haber等[20，22]和Tazarv[21]分別提出采用無黏結(jié)鋼筋和高強(qiáng)鋼筋作為承臺(tái)內(nèi)連接鋼筋，研究發(fā)現(xiàn)2種方法可大幅提高橋墩的位移延性，其延性分別只比現(xiàn)澆墩低15%和11%. 隨高性能材料的應(yīng)用與發(fā)展，有學(xué)者傾向于采用高性能材料提高橋墩的力學(xué)性能，但由于高性能材料費(fèi)用較高，往往只將其用于預(yù)制橋墩的塑性鉸區(qū)或作為灌漿料等使用. Xu等[23]將高延性水泥基復(fù)合材料用于橋墩塑性鉸區(qū)，Liu等[24]采用高強(qiáng)灌漿料，兩者試驗(yàn)結(jié)果均表明，采用高性能材料可提高預(yù)制橋墩的抗震性能，使其具有與現(xiàn)澆橋墩相似的延性和抗側(cè)承載能力，甚至耗能能力較現(xiàn)澆橋墩更好. 然而，當(dāng)連接鋼筋直徑較小時(shí)，為保證連接的可靠性，接縫處鋼筋數(shù)量會(huì)較多，導(dǎo)致接縫界面較擁擠，施工空間較小，從而增加了施工難度. 因此，有學(xué)者提出采用大直徑連接鋼筋，這使得連接界面鋼筋數(shù)量減少，從而提高建筑效率. Fan等[25]采用灌漿套筒連接大直徑高強(qiáng)鋼筋，并將其用于柱- 基連接，開展預(yù)制柱的擬靜力試驗(yàn)，由于套筒在橋墩底部，導(dǎo)致橋墩底部的剛度和強(qiáng)度明顯增加，從而引起塑性鉸上移，并導(dǎo)致套筒上部的縱筋屈曲和箍筋斷裂，且延性和耗能能力較現(xiàn)澆橋墩低. 因此，作者建議增加套筒以上部分的箍筋用量，提高橋墩的延性性能. 以上研究多采用單向加載的擬靜力試驗(yàn)展開，但實(shí)際地震荷載是多向的，研究證明現(xiàn)澆橋墩在雙向荷載作用下存在明顯的耦合作用，而預(yù)制橋墩在多向荷載作用下的抗震性能也引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視. 李嘉維等[26]采用擬靜力試驗(yàn)研究灌漿套筒連接裝配式雙柱墩在雙向荷載作用下的抗震性能，研究發(fā)現(xiàn)灌漿套筒橋墩損傷較輕，在強(qiáng)軸方向的骨架曲線和等效剛度退化情況與現(xiàn)澆橋墩一致，但在弱軸方向的承載能力和剛度明顯較現(xiàn)澆橋墩小. 以上研究都是基于擬靜力試驗(yàn)展開的，但慣性力和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能也有不可忽略的影響，因此，Qu等[27]采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析灌漿套筒分別位于承臺(tái)和柱底塑性鉸區(qū)對(duì)其抗震性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，2個(gè)預(yù)制構(gòu)件只有輕微的混凝土剝落，且耗能能力稍微略高于現(xiàn)澆橋墩.

灌漿套筒連接鋼筋的質(zhì)量可達(dá)鋼筋Ⅰ級(jí)接頭要求，但在實(shí)際施工過程中，灌漿施工質(zhì)量難以把握和檢測(cè)，對(duì)施工精度要求較高. 但灌漿套筒連接橋墩的抗震性能較現(xiàn)澆橋墩弱，在設(shè)計(jì)灌漿套筒連接的預(yù)制橋墩時(shí)，應(yīng)合理選擇套筒位置，套筒長(zhǎng)度和鋼筋錨固長(zhǎng)度等重要參數(shù)，施工過程中也應(yīng)保證質(zhì)量，避免灌漿不足和鋼筋偏心等缺陷出現(xiàn). 目前，上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和管理委員會(huì)已發(fā)布相關(guān)技術(shù)規(guī)程DGTJ08-2160—2015《預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)規(guī)程》[28]，吉林省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳也頒布了吉林省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)《裝配式混凝土橋墩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[29]，可供設(shè)計(jì)和施工參考. 此外，灌漿套筒連接預(yù)制橋墩在多向地震荷載作用下的抗震性能并不明確，應(yīng)引起相關(guān)人員的重視.

2 灌漿波紋管連接的裝配式橋墩

2.1 灌漿波紋管錨固鋼筋受力特征

灌漿波紋管連接技術(shù)常用于預(yù)制墩柱與承臺(tái)或蓋梁的錨固連接，如圖2所示，預(yù)制墩身節(jié)段通過預(yù)埋于蓋梁或承臺(tái)內(nèi)的灌漿金屬波紋管連接預(yù)制墩身伸出的鋼筋. 灌漿波紋管連接方式的傳力路徑為：鋼筋通過高強(qiáng)灌漿料將力傳遞給金屬波紋管，然后再通過金屬波紋管的凹凸肋傳遞給外部混凝土.

圖2 灌漿波紋管連接裝配式橋墩Fig.2 Precast column based on the grouted duct

為研究灌漿波紋管連接裝配橋墩的受力特征，學(xué)者們采用拉伸試驗(yàn)研究灌漿料強(qiáng)度及類型、混凝土強(qiáng)度、波紋管材料、錨固長(zhǎng)度la、孔徑比(D/d，其中D為波紋孔直徑，d為鋼筋直徑)、螺旋箍筋約束和鋼筋直徑等參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能的影響. 研究發(fā)現(xiàn)，灌漿波紋管連接構(gòu)件的破壞形式共有鋼筋拉斷、鋼筋拔出、波紋管拔出和混凝土破碎4種. 新西蘭混凝土學(xué)會(huì)[30]、Tazarv等[31]和陳俊等[32]對(duì)灌漿料強(qiáng)度展開試驗(yàn)研究，當(dāng)灌漿料強(qiáng)度較低時(shí)，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)破壞優(yōu)先發(fā)生于波紋管與混凝土之間，并非鋼筋和灌漿料界面[31]，但當(dāng)采用強(qiáng)度較高的灌漿料如高強(qiáng)灌漿料時(shí)，構(gòu)件錨固性能可靠且施工方便[32]. 因此，建議灌漿料強(qiáng)度應(yīng)至少比混凝土強(qiáng)度大10 MPa[31]. Darwin等[33]對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)研究，結(jié)果表明構(gòu)件黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度的平方根成正比. Restrepo等[34]和Brenes等[35]指出金屬波紋管具有較好的約束作用，但波紋管厚度較小，固定較困難. 王浩等[36]研究錨固長(zhǎng)度la、孔徑比(D/d)和螺旋箍筋約束等對(duì)灌漿波紋管連接構(gòu)件力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)D/d=1.9～3.5且la=7～24d時(shí)，鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度會(huì)隨la和D/d的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，并給出工程建議：鋼筋直徑小于25 mm時(shí)，la可取10～15d，D/d可取2.5～3.5. 此外，當(dāng)在波紋管內(nèi)纏繞螺旋箍筋時(shí)，鋼筋的黏結(jié)滑移量會(huì)明顯減小，構(gòu)件的錨固性能顯著提升，Matsumoto等[37]的足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵驳玫酱私Y(jié)論. 石棚等[38]基于王浩等[36]的試驗(yàn)結(jié)果，采用數(shù)值分析研究灌漿料厚度對(duì)力學(xué)性能的影響，但分析結(jié)果表明灌漿料厚度對(duì)接頭的承載力幾乎沒有影響. Chen等[39]采用雙向拉伸試驗(yàn)對(duì)鋼筋重疊連接的灌漿波紋管力學(xué)性能展開研究，研究鋼筋直徑d和錨固長(zhǎng)度la對(duì)其力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，隨鋼筋直徑和錨固長(zhǎng)度的增加，構(gòu)件的黏結(jié)應(yīng)力降低，但失效荷載增加.

灌漿波紋管連接鋼筋的黏結(jié)性能和破壞模式受灌漿料強(qiáng)度、錨固長(zhǎng)度la和孔徑比(D/d)影響較為明顯. 目前，上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和管理委員會(huì)已發(fā)布DGTJ08-2160—2015《預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)規(guī)程》[29]，此規(guī)程規(guī)定灌漿波紋管連接的灌漿料應(yīng)從流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度及豎向自由膨脹率等方面滿足相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，并建議波紋管內(nèi)徑宜比鋼筋直徑大40 mm，孔徑比D/d不宜小于2.0，宜取2.5～3.5，la宜取7～15d. 當(dāng)構(gòu)件的D/d=3.04，la=10d時(shí)，鋼筋可獲得最好的錨固性能[36].

2.2 灌漿波紋管連接預(yù)制橋墩力學(xué)性能

灌漿波紋管常用于橋墩和承臺(tái)或蓋梁的連接，Matsumoto等[37]、Wilson[40]分別進(jìn)行了預(yù)制蓋梁足尺和縮尺模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果均表明灌漿波紋管連接具有較好的錨固性能，構(gòu)件的整體性能良好. Kuttab等[41]、Tullini等[42]、Zheng[43]研究了壓彎荷載作用下柱柱之間采用灌漿波紋管連接預(yù)制橋墩的抗震性能，認(rèn)為灌漿波紋管連接橋墩的承載能力和耗能能力與現(xiàn)澆橋墩一致，但損傷主要集中在接縫處，因此，橋墩的失效模式為連接處縱筋的屈服，所以導(dǎo)致橋墩的延性較現(xiàn)澆墩低. 賈俊峰等[44]開展灌漿波紋管連接預(yù)制墩柱和承臺(tái)的擬靜力往復(fù)加載試驗(yàn)，經(jīng)與現(xiàn)澆墩柱的響應(yīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，預(yù)制墩柱的承載能力與現(xiàn)澆墩柱幾乎一致，但延性為現(xiàn)澆墩的90%，耗能能力也略低于現(xiàn)澆墩柱. 為提高灌波紋管連接橋墩的位移延性和耗能能力，減小混凝土損傷，促進(jìn)其在高震地區(qū)的應(yīng)用，Belleri等[45]提出在連接鋼筋處設(shè)置無黏結(jié)段，并建議提高波紋管的約束能力，可以避免連接鋼筋過早的屈服，提高橋墩延性. Jia等[46]提出將疊層橡膠墊嵌入預(yù)制橋墩底部，擬靜力試驗(yàn)結(jié)果證明嵌入彈性橡膠墊可顯著減小預(yù)制墩柱底部混凝土的破壞，并且可顯著提高其耗能能力. Zhang等[47]提出一種新的構(gòu)造形式，即采用灌漿波紋管和超高性能混凝土筋共同連接預(yù)制節(jié)段，預(yù)制橋墩在循環(huán)往復(fù)荷載作用下為延性失效，且此連接方式可使預(yù)制橋墩的抗裂縫承載能力和延性性能都高于現(xiàn)澆橋墩.

為了解不同參數(shù)對(duì)灌漿波紋管連接橋墩抗震性能的影響規(guī)律，Popa等[48]、邵淑營(yíng)[49]分析軸壓比對(duì)灌漿波紋管連接橋墩的影響. 研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于低軸壓比的橋墩，在偏移率為5%時(shí)，無混凝土剝落和鋼筋屈服發(fā)生，只有彎曲裂縫出現(xiàn)；而在高軸壓荷載作用下，橋墩出現(xiàn)較嚴(yán)重的混凝土剝落. 邵淑營(yíng)[49]分析灌漿波紋管預(yù)制裝配橋墩長(zhǎng)細(xì)比對(duì)其抗震性能的影響發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)細(xì)比越大，則橋墩的破壞程度和殘余位移越小，但變形能力越大. 由于預(yù)制橋墩的震害資料缺乏，且其抗震性能仍與現(xiàn)澆橋墩存在差異，為進(jìn)一步提高預(yù)制橋墩的抗震性能，促進(jìn)預(yù)制結(jié)構(gòu)在高震區(qū)的應(yīng)用，混合預(yù)制體系得到了關(guān)注，如現(xiàn)澆- 預(yù)制結(jié)合橋墩[50]，波紋管與預(yù)應(yīng)力筋共同連接預(yù)制橋墩等. 邱發(fā)強(qiáng)等[51]采用纖維梁柱單元建立預(yù)應(yīng)力灌漿波紋管預(yù)制橋墩的計(jì)算模型，分析預(yù)應(yīng)力筋布置、預(yù)應(yīng)力筋配筋率和初始張拉力等因素對(duì)抗震性能的影響，當(dāng)混合預(yù)制橋墩軸壓比為0.10～0.15時(shí)，具有較高的承載能力和穩(wěn)定的耗能能力，當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋配筋率為0.30%～0.55%時(shí)，試件具有較好的抗震性能，此數(shù)值分析驗(yàn)證了該混合預(yù)制體系的可行性. Wang等[52]采用擬靜力試驗(yàn)分析無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力灌漿波紋管預(yù)制橋墩的抗震性能，擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力筋為無黏結(jié)的預(yù)制橋墩承載能力較現(xiàn)澆橋墩增加了約50%，屈服強(qiáng)度增加了約30%，而導(dǎo)致延性大幅降低.

葛繼平等[53]研究灌漿波紋管裝配式橋墩在雙向擬靜力荷載作用下的性能，研究表明，灌漿波紋管裝配橋墩的破壞模式為縱筋拉斷，橋墩的抗震性能整體上與現(xiàn)澆橋墩接近，但雙向荷載下現(xiàn)澆和裝配橋墩的承載能力均較單向荷載作用降低11%，其中裝配橋墩在雙向荷載作用下的殘余位移較單向荷載作用下增加了15%，可以說明，在雙向荷載作用下，現(xiàn)澆橋墩和裝配橋墩均存在明顯的雙向耦合效應(yīng)，此耦合效應(yīng)應(yīng)引起相關(guān)人員的重視. 夏樟華等[54]研究雙向荷載作用下灌漿波紋管裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土雙柱墩的抗震性能，由于預(yù)應(yīng)力筋的存在，裝配式橋墩的滯回性能、承載能力和變形能力等抗震指標(biāo)均接近現(xiàn)澆橋墩.

灌漿波紋管的連接鋼筋質(zhì)量可靠，但對(duì)施工精度要求嚴(yán)格，且應(yīng)用位置受限，難以用于節(jié)段間連接. 以上較多研究表明，灌漿波紋管連接預(yù)制橋墩的抗震性能整體上與現(xiàn)澆橋墩相近，且若采用高性能材料，預(yù)制橋墩的承載能力和延性會(huì)高于現(xiàn)澆橋墩，因此認(rèn)為灌漿波紋管連接橋墩可適用于強(qiáng)震區(qū). 此外，混合預(yù)制體系也引起了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注，如預(yù)應(yīng)力- 灌漿波紋管連接預(yù)制橋墩等，預(yù)應(yīng)力的存在可提高預(yù)制墩柱承載能力，減小殘余位移.

3 承插式連接裝配橋墩

承插式接縫連接構(gòu)造是將預(yù)制墩柱插入基礎(chǔ)或蓋梁的預(yù)留孔內(nèi)，墩柱與基礎(chǔ)/蓋梁之間沒有鋼筋連接，僅通過預(yù)制墩柱與基礎(chǔ)/蓋梁之間的空隙填充混凝土或高強(qiáng)低收縮材料進(jìn)行固定連接，基礎(chǔ)/蓋梁可以是現(xiàn)澆或預(yù)制構(gòu)件，如圖3所示. 該連接構(gòu)造在施工上較其他構(gòu)造簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)需要一定的濕作業(yè)工程量.

圖3 承插式連接的預(yù)制橋墩Fig.3 Precast column based on the socket connection

承插式連接的可靠性取決于灌漿料和承插深度，承插式連接預(yù)制橋墩的力學(xué)性能取決于橋墩承插深度及其與灌漿料的黏結(jié)性能. 當(dāng)承插深度足夠時(shí)，承插式預(yù)制橋墩的抗震性能與現(xiàn)澆橋墩最為接近，兩者的損傷發(fā)展和失效機(jī)理都幾乎相同. Osanai等[55]和Canha等[56-57]對(duì)建筑結(jié)構(gòu)墩柱- 基礎(chǔ)承插連接構(gòu)造進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究，并認(rèn)為承插深度至少為1.5W(W為橋墩截面尺寸)時(shí)，才能達(dá)到與現(xiàn)澆橋墩相同的抗震性能，當(dāng)承插深度小于1.25W時(shí)，需設(shè)剪力鍵. Motaref[58]和Kavianipour[59]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)也得到相同的結(jié)論. Haraldsson等[60]和李永波[61]認(rèn)為1.1W的承插深度可以使承插式橋墩與現(xiàn)澆橋墩抗震性能相似. 但橋墩- 蓋梁節(jié)點(diǎn)若采用承插式連接，其承插深度應(yīng)大于1.2W，才能保證塑性鉸出現(xiàn)在墩身[62]. 多數(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為1.0W的承插深度可以保證橋墩和基礎(chǔ)之間的內(nèi)力傳遞并使塑性鉸出現(xiàn)在墩身，且表現(xiàn)出與現(xiàn)澆橋墩相似的性能[63-66]. 當(dāng)承插深度越深時(shí)，橋墩的承臺(tái)高度較高，經(jīng)濟(jì)性較差. 為了保證承插式預(yù)制橋墩的抗震性能同時(shí)，降低承臺(tái)高度，部分學(xué)者提出采用高強(qiáng)砂漿和高性能材料填充縫隙，并建議設(shè)置剪力鍵. 徐艷等[67]采用預(yù)制空心管柱承插式橋墩，在承臺(tái)凹槽內(nèi)預(yù)埋波紋管，在縫隙填充高強(qiáng)水泥砂漿，并在空心管墩內(nèi)澆筑混凝土，擬靜力試驗(yàn)得出此種承插式橋墩的承插深度為0.7W時(shí)，抗震性能與現(xiàn)澆橋墩最為接近. Wang等[68]采用高強(qiáng)砂漿作為灌漿料，并在墩身和承臺(tái)凹槽內(nèi)設(shè)置小齒鍵加強(qiáng)界面的連接，認(rèn)為承插深度為1.13W時(shí)可達(dá)到與現(xiàn)澆橋墩相似的性能. Zhang等[69]提出采用超高性能混凝土作為灌漿料，并在墩身和承臺(tái)凹槽內(nèi)設(shè)置齒形剪力鍵，經(jīng)過擬靜力試驗(yàn)，得出當(dāng)承插深度為0.8W時(shí)，可達(dá)到與現(xiàn)澆橋墩相當(dāng)?shù)目拐鹦阅? Zhang等[70]采用鋼管混凝土連接預(yù)制橋墩和蓋梁連接，采用超高性能混凝土澆筑縫隙，試驗(yàn)表明，此種承插式橋墩至少需1.0倍的鋼管直徑，可實(shí)現(xiàn)較好的強(qiáng)度和滯回性能.

承插式連接預(yù)制橋墩是在我國(guó)應(yīng)用最早的裝配式橋墩，其具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、施工方便和連接可靠的優(yōu)點(diǎn)，但在施工現(xiàn)場(chǎng)需要大量的工作量. 以上研究表明，當(dāng)承插深度大于1.0W時(shí)，承插式橋墩的抗震性能與現(xiàn)澆橋墩較接近. 此外，根據(jù)國(guó)內(nèi)規(guī)范《鐵路裝配式小橋涵技術(shù)規(guī)則》[71]和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[72]中給出的柱坑錨固深度的計(jì)算公式和杯形接頭柱坑基底沖切應(yīng)力的計(jì)算公式，可確定承插深度至少為1.4W或0.8W. 當(dāng)采用高性能材料如超高性能混凝土等作為灌漿料，承插深度可降為0.7W時(shí)，且與現(xiàn)澆橋墩的性能相近. 可見，當(dāng)采用的承插深度合理，承插式橋墩即可達(dá)到與現(xiàn)澆橋墩相近的抗震性能，可在高震地區(qū)應(yīng)用.

4 等同現(xiàn)澆橋墩技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用簡(jiǎn)況

自20世紀(jì)90年代開始，我國(guó)首先在北京積水潭橋中開始探索裝配式橋墩設(shè)計(jì)建造技術(shù)，此后裝配式橋墩研究和工程應(yīng)用發(fā)展較為緩慢. 進(jìn)入21世紀(jì)以來，特別是近10年來，包括裝配式橋墩在內(nèi)的全預(yù)制裝配橋梁在我國(guó)得到快速發(fā)展. 目前，我國(guó)已在上海、吉林、安徽、內(nèi)蒙古、四川等10余個(gè)省市開展全預(yù)制裝配公路及城市橋梁工程示范，京雄城際鐵路橋梁開展裝配式鐵路橋墩的示范應(yīng)用，北京、湖北、江蘇、廣東等地也正在實(shí)施裝配式橋梁工程. 包括預(yù)制裝配式橋墩在內(nèi)的全預(yù)制裝配橋梁已在我國(guó)得到較大推廣，獲得越來越多的政府管理部門、工程設(shè)計(jì)和建設(shè)單位的認(rèn)可. 為便于明確不同連接方式的特點(diǎn)和工程應(yīng)用情況，表1匯總了灌漿套筒、灌漿波紋管、承插式、插槽式和現(xiàn)澆濕接縫這5類“等同現(xiàn)澆”預(yù)制橋墩的技術(shù)特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外典型工程應(yīng)用案例.

表1 等同現(xiàn)澆預(yù)制橋墩技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用簡(jiǎn)況

由表1可以看出：1)我國(guó)預(yù)制裝配式橋墩連接技術(shù)主要以灌漿套筒連接和承插式連接為主，并且大部分預(yù)制墩柱為單節(jié)段中低墩；2)美國(guó)非強(qiáng)震區(qū)大量采用豎向預(yù)應(yīng)力筋連接多節(jié)段預(yù)制橋墩；3)國(guó)內(nèi)外強(qiáng)震區(qū)預(yù)制裝配橋墩工程案例較少，說明預(yù)制裝配式橋墩的抗震機(jī)理及抗震設(shè)計(jì)研究仍有待完善；4)我國(guó)裝配式橋墩示范工程在中西部省市應(yīng)用較少，西部地區(qū)橋梁設(shè)計(jì)建造技術(shù)仍相對(duì)落后.

5 預(yù)制裝配橋墩發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

預(yù)制裝配橋墩在內(nèi)的全預(yù)制裝配式橋梁理論與技術(shù)已在美國(guó)和中國(guó)得到較多示范應(yīng)用，并在我國(guó)“交通強(qiáng)國(guó)”“一帶一路”重大戰(zhàn)略背景下，得到快速發(fā)展. 然而，預(yù)制裝配橋墩理論和技術(shù)仍不完善，相關(guān)設(shè)計(jì)建造技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，不同技術(shù)的適應(yīng)性及其在強(qiáng)震區(qū)的適用性仍是未來的關(guān)注重點(diǎn). 預(yù)制橋墩連接技術(shù)及其抗震性能、減震技術(shù)仍是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用的熱點(diǎn)問題. 總結(jié)來看，預(yù)制裝配橋墩體現(xiàn)出如下發(fā)展態(tài)勢(shì)：

1) 由傳統(tǒng)材料向高性能材料發(fā)展的預(yù)制裝配橋墩

傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋墩常采用低強(qiáng)度混凝土(C30至C60混凝土)和普通強(qiáng)度鋼筋(HRB400級(jí)鋼筋)，隨著混凝土原材料資源短缺及環(huán)境保護(hù)要求的提高，傳統(tǒng)混凝土及普通鋼筋越來越難以滿足裝配式橋墩技術(shù)要求. 高性能混凝土、超高性能混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土以及高延性水泥基復(fù)合材料以及HRB500、HRB600級(jí)鋼筋等高性能材料將為高性能裝配式橋梁提供更廣闊的發(fā)展空間[73]. 同時(shí)，針對(duì)濱海環(huán)境、近海環(huán)境、侵蝕性土壤等特殊環(huán)境，亟待發(fā)展基于高性能鋼材、FRP材料等高性能材料的裝配式橋梁理論與技術(shù)以適應(yīng)相應(yīng)的性能要求.

2) 預(yù)制裝配橋墩由傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)向輕型化結(jié)構(gòu)發(fā)展

現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)往往不受結(jié)構(gòu)尺寸限制，但預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)由于需要在施工現(xiàn)場(chǎng)之外的預(yù)制廠/場(chǎng)進(jìn)行預(yù)制，然后進(jìn)行運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)吊裝架設(shè)，預(yù)制構(gòu)件尺寸及重量直接決定其運(yùn)輸便捷性和施工安裝裝備的吊裝能力. 特別是對(duì)超長(zhǎng)墩柱、超長(zhǎng)蓋梁的預(yù)制，基于高性能材料和結(jié)構(gòu)，正逐漸向輕型化結(jié)構(gòu)發(fā)展. 國(guó)內(nèi)外正在探索多節(jié)段預(yù)制構(gòu)件以及預(yù)制管墩[74]、預(yù)制外殼+現(xiàn)澆部分混凝土[75-76]等多種預(yù)制結(jié)構(gòu)形式，解決預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸和安裝問題.

3) 預(yù)制裝配橋梁由傳統(tǒng)延性抗震向可恢復(fù)功能韌性抗震發(fā)展

預(yù)制裝配橋梁新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造模式為高性能結(jié)構(gòu)體系發(fā)展提供了良好的發(fā)展機(jī)遇. 當(dāng)前，預(yù)制裝配式橋梁在全國(guó)范圍推廣的最大阻礙就是業(yè)界對(duì)其抗震能力的擔(dān)憂，發(fā)展合理、高效的抗震結(jié)構(gòu)是預(yù)制裝配橋梁不得不解決的關(guān)鍵問題. 當(dāng)前延性抗震設(shè)計(jì)理念基本可滿足小震不壞、大震不倒的性能目標(biāo)，當(dāng)前延性按抗震設(shè)計(jì)允許強(qiáng)震后橋墩產(chǎn)生塑性鉸損傷，震后不易修復(fù)甚至難以修復(fù). 抗震韌性設(shè)計(jì)理念是國(guó)內(nèi)外近年來在基于性能抗震設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展的新型抗震理念，該設(shè)計(jì)理念提出強(qiáng)震后結(jié)構(gòu)的功能可恢復(fù)性甚至易修復(fù)性[77-79]. 結(jié)合預(yù)制裝配式技術(shù)，發(fā)展抗震韌性橋梁將是未來的重要發(fā)展態(tài)勢(shì).

4) 完善山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下預(yù)制裝配橋墩運(yùn)架技術(shù)

從已有工程示范項(xiàng)目可以看出，我國(guó)西部山區(qū)全預(yù)制裝配式橋梁發(fā)展較為緩慢，很大程度上受到地形條件影響，造成預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸和安裝困難. 當(dāng)前發(fā)展相對(duì)成熟的平原地區(qū)預(yù)制橋梁運(yùn)輸和架設(shè)技術(shù)已經(jīng)難以適應(yīng)山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下預(yù)制裝配式橋梁建造，必須根據(jù)山區(qū)復(fù)雜環(huán)境發(fā)展相適應(yīng)的預(yù)制裝配橋梁運(yùn)架技術(shù)[73]. 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司以及北京工業(yè)大學(xué)與中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司合作，對(duì)山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下全預(yù)制裝配式橋梁特別是預(yù)制橋墩的設(shè)計(jì)、運(yùn)輸和架設(shè)技術(shù)進(jìn)行了探索，正積極推動(dòng)在山區(qū)橋梁建設(shè)中的示范應(yīng)用.