一种新型预制桥墩连接构造的抗剪试验研究

胡志坚，鲍 安

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引言

与传统现浇桥墩相比，预制拼装桥墩技术在施工质量效率、经济环保等方面都具有明显的优越性[1]，是满足新时代桥梁建设要求的重要手段。节段连接结构是装配式桥墩重要的组成环节[2]，为提高预制桥墩节段连接构造的力学性能和施工效率，本研究在当前连接构造的基础上，提出了应用于预制桥墩节段间的榫卯剪力键与灌浆波纹管结合的新型连接形式。在地震力、车辆制动力、摩阻力、撞击、风荷载等横向作用下，预制拼装桥墩连接构造需要承受较大的剪切作用，保证桥墩协同受力，因此对其抗剪性能开展研究十分必要。

节段连接构造的抗剪性能研究一直以来都是装配式技术研究的重点和难点。目前国内外关于桥梁上部结构连接构造抗剪性能的研究居多，取得了很多成果，并编入了相关规范。Zhou等[3]进行了一系列节段拼装桥梁原尺寸接缝直剪试验，结果表明接缝的抗剪承载力随着侧压力的增大而提高；胶接缝的抗剪承载力高于干接缝，但其受剪破坏更加突然。吴威业[4]对后张拉预应力装配式桥墩节段接缝进行了直剪试验研究，发现平接缝的受剪滑移量明显大于键齿接缝，预应力或键齿个数的增加均对节段连接的抗剪承载力有明显的提高作用。何佳乐[5]对不同配筋构造的键齿接缝进行了直剪试验研究，结果表明键齿通过加强配筋后，其抗剪承载力得到显著提高，破坏后的残余承载能力也有所增加。除此之外国内学者如刘钊团队[6-8]、袁爱民等[9-10]、蔡政等[11]、沈殷等[12]都对节段接缝抗剪性能开展了相关研究分析。以上研究均是针对直剪破坏形态展开的接缝受剪性能分析，适用于桥梁上部结构抗剪，因为节段拼装梁的接缝处钢筋不连续，不能传递拉力，使其在悬臂施工过程中或靠近支座的接缝位置容易出现直剪破坏[13]。而预制拼装桥墩和节段梁结构相比，施工方式和受力特点均不相同，通常采用钢筋串联节段，连接形式存在较大差异。关于预制桥墩节段连接构造抗剪性能的研究目前还很缺乏，对其受剪破坏形态及机理尚不明确，有必要针对预制拼装桥墩节段连接构造开展抗剪性能试验研究。

装配式桥梁在建设过程中，由于现有技术以及施工环境等各方面因素的影响，不可避免地造成了实际施工与设计在尺寸以及布置形式上的偏差，目前国内外预制桥梁施工工程中存在的大量问题都可归结于误差控制的问题[14]。目前国内外关于装配式桥梁构件的误差分析研究还很缺乏，关于施工累积误差对连接构造(接缝、波纹管连接、套筒连接)力学性能的影响尚不明确，缺乏相关的试验数据，有必要对此展开进一步研究。

本研究提出了应用于预制桥墩节段间的榫卯剪力键与灌浆波纹管结合的新型连接形式。为验证新型连接结构的可靠性，探究其剪切破坏机理，探明影响其抗剪强度的因素，设计了5组新型接头的剪切试验进行研究分析。试验参数包括截面形状、采用波纹管或半灌浆套筒连接钢筋，并研究了施工累积误差对波纹管灌浆连接构造抗剪性能的影响，得到了各组试件的变形、抗剪承载力以及破坏模式。

1 波纹管与榫卯结合的连接构造简介

连接构造如图1所示，每个预制桥墩节段上下端均设计带有连接接头：节段上端中心设置凹槽构造，在其周边预埋波纹管；节段下端中心设置凸榫结构，在其周边延伸出竖向钢筋。其中凹槽和凸榫的尺寸、位置以及竖向连接钢筋与预埋波纹管的位置均一一对应。装配施工时首先在波纹管内灌注灌浆料，然后将上节段的凸榫、竖向钢筋分别与下节段的凹槽、灌浆波纹管进行对接，完成拼装。该新型连接构造设计的优点在于：从施工效率的角度出发，连接构造采用统一构造形式匹配预制，有利于工厂大批量标准化生产。波纹管灌浆工艺流程简便，灌浆密实度能够得到保证；凸榫与凹槽对接有助于预制节段间的快速定位，在提高拼装精度的同时也提高了施工效率。从力学性能的角度出发，采用灌浆波纹管连接竖向钢筋，锚固效应能够得到保障；采用榫卯剪力键能够提高连接构造在节段间的连续性，既能增加整体性，也能提高连接构造的横向抗剪作用，减小在地震、撞击等横向荷载作用下预制节段间的剪切滑移，利于修复。

图1 连接构造示意图Fig.1 Schematic diagram of connection structure

2 试验概况

2.1 试件设计

本研究以江西昌九高速改扩建工程桥南村跨线天桥的预制拼装桥墩为实际工程背景，根据新型连接构造的设计特点，采用1∶5缩尺比共设计5组新型接头试件进行剪切试验研究，具体参数见表1。每个试件通过装配后带有2个对称的连接接头以及1个加载段、2个对称支撑边块，以进行对称的接头剪切试验。每个接头长180 mm，由拼装接缝、榫卯剪力键和灌浆波纹管(半灌浆套筒)组成。根据作动器的接触面积，将300 mm×300 mm的加载段顶面作为加载面。试验主要研究对象为接头的抗剪性能，为保证其他部位的强度，避免发生提前破坏，对支撑块和加载段均进行了必要的构造配筋。

表1 试件参数Tab.1 Specimen parameters

其中，根据新型连接构造特点，设计新型接头试件F1，Y1。F1试件接头采用300 mm×300 mm的方形截面，凹槽与凸榫的尺寸为120 mm×120 mm×50 mm；接头区域采用4个金属波纹管连接纵向钢筋，波纹管外直径为35 mm，壁厚1.5 mm，长度为150 mm，纵向连接钢筋的直径为14 mm，钢筋在波纹管内的伸入长度为150 mm，如图2(a)所示；凸榫纵筋为左右排列，F1一般构造示意图如图3所示。改变截面形状设计Y1接头，采用直径为300 mm的圆形截面，凹槽和凸榫的直径为120 mm，深50 mm；为保证方圆截面接头配筋率一致，纵向钢筋直径取12 mm，其他构造同试件F1。

图2 钢筋在波纹管中的安装长度Fig.2 Installation length of reinforcement in bellow

图3 F1构造与尺寸示意图(单位：mm)Fig.3 Schematic diagrams of F1 structure and dimensions (unit: mm)

F3试件接头采用半灌浆套筒连接纵向钢筋，钢套筒的外直径为34 mm，长150 mm，凸榫纵筋为上下排列，其他构造同试件F1。

根据美国《预制桥梁构件和系统公差建议指南》(Proposed Guidelines for Prefabricated Bridge Elements and Systems Tolerances)[15]，预制桥墩节段连接在竖直方向上的公差主要有上节段长度最大制作允许偏差12.7 mm，下节段顶面标高最大安装允许偏差12.7 mm，节段拼接面最大倾斜允许偏差约3.1 mm，累积误差共31.6 mm，造成钢筋伸入波纹管部分的长度减小，使装配后波纹管内部出现无钢筋灌浆段。为研究施工累积误差对接头波纹管连接造成的影响，在F1，Y1基础上，减小钢筋在波纹管内的伸入长度至120 mm，分别设计F2，Y2接头，波纹管内存在30 mm没有钢筋通过的灌浆段，如图2(b)所示，其锚固长度满足文献[16]中的建议值。

2.2 材料性能

试件混凝土均采用C50强度等级，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[17]，采用与试验模型浇注相同批次的混凝土制作边长为150 mm×150 mm×300 mm的3组棱柱体标准试块进行测试，得到的混凝土立方体抗压强度均值分别为53.8，50.3，46 MPa。纵向连接钢筋型号采用HRB400，经测试实际屈服强度为510 MPa，极限强度为645 MPa。采用高强无收缩水泥灌浆料，性能指标按照行业规范《钢筋连接用套筒灌浆料》(JG/T 408—2019)[18]和上海市地方规范《预制拼装桥墩技术规程》(DG/TJ 08-2160—2015)[19]的要求，1 d抗压强度≥35 MPa，3 d抗压强度≥60 MPa，28 d抗压强度≥100 MPa，灌浆料初始流动度≥300 mm，30 min后流动度≥260 mm。

2.3 加载方案与测试

试验加载及测点布置如图4所示。采用30 kN的力对试件进行预加载，卸载后进行分级加载，每级荷载10 kN，试件开裂后改为每级荷载5 kN，直至试件破坏并停止试验。试验的测试内容包括荷载、位移、钢筋应变和混凝土裂缝发展。试验时通过作动器传感器记录实时荷载数据；加载段底面布设百分表位移计记录试件变形；根据新型连接的3个控制界面，在节段间的拼接接缝Ⅰ，凸榫与凹槽的拼接界面Ⅱ和波纹管(半灌浆套筒)底部与钢筋的连接位置Ⅲ处，分别布置SⅠ，SⅡ，SⅢ钢筋应变片；通过在接头表面刻画5 cm×5 cm的网格记录裂缝发展。

图4 试验加载及测点布置示意图Fig.4 Schematic diagram of test loading and layout of measuring points

3 试验结果

主要试验结果汇总于表2。

表2 试验结果Tab.2 Test result

接下来对各接头试件的试验情况进行简要描述。

3.1 新型接头试件F1，Y1

(1)裂缝发展及破坏形态

图5、图6分别为F1，Y1试件的裂缝发展示意图，裂缝绘制图中的裂缝编号表示其出现的先后顺序，接头段虚线从外向内分别表示接缝、凸榫端部、波纹管(半灌浆套筒)底部3处界面。在加载初期，此类试件的裂缝主要在跨中出现，但裂缝的长度宽度均很小，此时接头全截面抵抗剪力作用；剪力继续增加后，跨中裂缝发展滞缓，接头段受到的剪力影响变大，出现若干与水平方向呈约45°、从接缝发展至加载处的斜裂缝；剪力继续增加，其中F1接头段中的破坏主裂缝出现在榫卯拼接处，最终贯通导致荷载回落，此后改为按位移加载，荷载始终无法超过最大值，但接头并没有完全失去抗剪承载力。由斜裂缝总体发展情况可知，接头各控制界面均具有足够的连接强度。

图5 F1试件裂缝发展示意图Fig.5 Schematic diagrams of crack propagation on specimen F1

图6 Y1试件裂缝发展示意图Fig.6 Schematic diagrams of crack propagation on specimen Y1

为观察接头凸榫的破坏形态，采用切割机对受剪破坏后的此类试件进行切割，处理后的凸榫结构如图7所示，其中Y1凸榫虽遭切割破坏，但在其断面上未见裂缝。由此可知，在接头发生斜剪破坏的情况下，凸榫结构较为完整，没有明显破坏现象，接头发生的破坏以凹槽的斜剪破坏为主。

图7 凸榫切割Fig.7 Tenon cutting

(2)钢筋应变

F1，Y1试件接头3处控制界面处的钢筋应变曲线如图8所示，根据曲线特点可知：在接头开裂前，应变数值很小；在接头开裂、裂缝发展后，应变曲线出现突变拐点。接缝界面钢筋应变如图8(a)、图8(b)所示，由图可知接缝处钢筋在加载初期的应力水平很低，变化很小；当斜裂缝进一步发展后，该处钢筋受到拉力作用，应变出现较大转折；其中接缝上方钢筋受到的拉力较大，在接头发生破坏时接近于屈服状态。图8(c)为凸榫端部钢筋应变曲线，由图可知在接头受剪破坏过程中，凸榫钢筋应力水平较低，凸榫对抗剪强度的贡献不大。图8(d)和图8(e)为钢筋与波纹管底部连接处的应变曲线，由图可知在加载过程中，该处钢筋总体的应力水平都不大，表明该处连接强度可靠。

图8 F1,Y1试件钢筋应变曲线Fig.8 Strain curves of reinforcement of specimens F1 and Y1

3.2 半灌浆套筒连接试件F3

(1)裂缝发展及破坏形态

图9为F3试件的裂缝发展示意图。在加载初期，试件跨中出现向上发展的微小裂缝，变化不明显，此时接头段没有裂缝出现，全截面抵抗剪力作用，内部整体应力水平较低；随着剪力继续增加，跨中裂缝停止发展，接头出现裂缝，主要破坏裂缝在半灌浆套筒连接处出现，并向上发展，最后宽度突然增大，朝加载位置方向倾斜延伸而发生剪切破坏，总体上该类试件接头裂缝出现的数量较少，且发展并不充分，破坏时更为突然。

图9 F3试件裂缝发展示意图Fig.9 Schematic diagrams of crack propagation on specimen F3

(2)钢筋应变曲线

F3试件接头3处控制界面的钢筋应变曲线如图10所示，接缝处钢筋应变如图10(a)和图10(b)所示，由图可知在接头受剪过程中该处界面钢筋的应力水平较低。图10(c)为凸榫钢筋应变曲线，由图可知凸榫内上方钢筋受拉，下方钢筋受压，表明在加载过程中凸榫主要承受上表面压力的作用。图10(d)、图10(e)为钢筋与半灌浆套筒底部连接界面的钢筋应变，上方钢筋在加载过程中受到压力作用，应力水平不高;下方钢筋在加载过程中受到拉力作用，并且在临近破坏状态前达到峰值，继而下降。结合破坏形态的记录，可解释该现象的原因为半灌浆套筒连接位置的受剪强度达到极限，接头段在此处发生了断裂，钢筋不再抵抗剪力作用。

图10 F3试件的钢筋应变曲线Fig.10 Strain curves of reinforcement of specimen F3

3.3 施工误差影响的试件F2,Y2

(1)破坏形态

在保证满足锚固长度要求的前提下，F2，Y2试件相对于F1，Y1试件，波纹管底部预留有30 mm无钢筋区段，模拟了施工累积误差对波纹管连接的影响。图11与图12为F2，Y2试件的裂缝发展示意图，在剪力作用下，裂缝首先在波纹管连接处附近出现，裂缝倾斜角度不大，竖直向上发展;随着剪力的继续增加，接头受剪裂缝开始向波纹管连接位置倾斜发展，并逐渐集中于波纹管无钢筋区段，裂缝密集且交织在一起;最终在剪力作用下，波纹管无钢筋区段处的主裂缝发生断裂，并迅速向上发展，导致接头的受剪破坏。图13为F2接头波纹管受剪断面细节图，由图可见波纹管内无钢筋区段的受剪断裂是接头破坏的主要原因。

图11 F2试件裂缝发展示意图Fig.11 Schematic diagrams of crack propagation on specimen F2

图12 Y2试件裂缝发展示意图Fig.12 Schematic diagrams of crack propagation on specimen Y2

图13 F2波纹管受剪断面Fig.13 Shear section of bellows in F2

(2)钢筋应变

F2，Y2试件接头3处控制界面处的钢筋应变如图14所示，钢筋应变在接头主裂缝发展后发生转折突变。接缝位置的钢筋应变如图14(a)、图14(b)所示，由图可知接头接缝钢筋在受剪过程中受到拉力作用，但应力水平很低。图14(c)为配置在凸榫钢筋的应力变化，由图可知凸榫部位所受应力水平不高。图14(e)为下方钢筋与波纹管连接界面的应变曲线，下方钢筋在剪力作用下受拉，并且在临近破坏状态前达到峰值，继而下降。结合破坏形态的记录，主要原因为波纹管内无钢筋区段在受剪作用下发生断裂，造成临近此处的钢筋应变回落。

图14 F2，Y2试件的钢筋应变曲线Fig.14 Strain curves of reinforcement of specimens F2 and Y2

4 结果对比

各组试件的荷载位移曲线对比如图15所示。

图15 荷载位移曲线对比Fig.15 Comparison of load-displacement curves

(1)截面形状

试验中以保证配筋率相同为前提，设计了300 mm×300 mm的方形接头F1和直径为300 mm的圆形接头Y1，除截面形状不同外，方形接头截面面积和配筋面积也大于圆形接头。在试件制作的拼装阶段，方形凸榫的拼装效率明显高于圆形凸榫，其原因在于方榫与圆榫相比，定位更加精确快速，能够减小钢筋与波纹管的对接误差，提高了拼装效率。对比图15中的F1，Y1荷载位移曲线可知，F1试件的曲线斜率大于Y1试件，原因是方形接头相比于圆形接头，其截面面积和配筋面积更大，刚度因此也更高。F1试件的极限荷载为633.9 kN，Y1试件的极限荷载为410 kN，承载力相差54.6%，而两试件的截面面积相差27.3%，纵向钢筋截面面积相差36.1%;两组试件的破坏形态一致，均是连接接头的整体斜剪破坏，由此可见截面面积和配筋面积的不同是造成承载力差距的主要原因。

(2)波纹管与半灌浆套筒

对比图15中F1试件和F3试件的荷载位移曲线可知，在接头开裂前，两组试件的曲线几乎重合，刚度很接近；在接头开裂后，F3试件接头的裂缝发展阶段较短，破坏时的极限位移也明显小于F1试件。由此可见半灌浆套筒相对能够提高整体试件接头段的刚度，减少裂缝的产生。对比两者的极限荷载值，F1试件的极限荷载为633.9 kN，F3试件的极限荷载为340 kN，两者的抗剪承载力相差较大；结合破坏形态分析，主要原因为半灌浆套筒在受剪条件下的连接性能不佳，在连接处发生断裂破坏，从而降低接头的总体抗剪承载力。

(3)施工误差的影响

为研究施工累积误差对抗剪性能造成的影响，在保证满足锚固长度要求的前提下，F2，Y2试件相对于F1，Y1试件，波纹管内底部预留有30 mm无钢筋区段。分别对比图15中的F1和F2、Y1和Y2试件的荷载位移曲线可知，在接头裂缝发展前，同截面对比试件的曲线斜率相差不大；在接头裂缝出现后，F2，Y2试件相较于F1，Y1试件，接头斜裂缝出现更早，裂缝聚集在无钢筋区段发展，曲线斜率下降更多，极限承载力相对更低。由此可见，因施工累积误差造成的波纹管底部无钢筋区段会形成薄弱段，从而改变接头受剪破坏模式，显著降低其抗剪强度。为提高波纹管连接安装精度，建议在没有相关工程经验的条件下，构件预留钢筋的长度在制作时应比连接所需长度长0～5 mm，预拼装时再可通过调平层实现误差容错。

5 影响抗剪强度的因素分析

由以上研究可知，新型接头试件F1，Y1发生整体斜剪破坏，各控制界面强度可靠，证明该新型连接构造具有良好的抗剪强度和整体性，下面根据其试验结果，进一步分析影响其抗剪强度的因素。

(1)波纹管及灌浆料的影响

波纹管及灌浆料的材料强度高于连接整体混凝土材料，对局部抗剪强度有提高作用，但是其在接头内的占比很小，对于抗剪强度的实际提高效果有限。

(2)凹槽壁厚的影响

新型连接采用榫卯结构，增加了连接在节段间的连续性，受剪状态下表现为斜剪破坏，避免了平接缝可能发生的接缝直剪破坏形态，对接头的抗剪强度具有提高作用。然而与现浇段墩身相比，榫卯结构依然存在削弱截面的影响，由图5的F1实测破坏形态可知，造成此类接头斜剪破坏的主裂缝出现于接缝上的榫卯拼接处。进一步分析凸榫和凹槽在受剪过程中的受力表现，由图8(c)的F1，Y1凸榫钢筋应变可知，在接头受剪至破坏过程中，凸榫钢筋应力水平较低，图7表明接头发生破坏时F1，Y1接头内凸榫结构完整，由以上现象可知凸榫对接头抗剪强度的贡献很小。由此可见接头的受剪破坏以凹槽侧的斜剪破坏为主，可知凹槽壁厚是影响接头抗剪强度的主要因素之一。

(3)纵向连接钢筋的影响

由图8的F1，Y1试件钢筋荷载-应变曲线可知，接头纵向钢筋的应变在接头开裂前基本保持不变；在接头出现斜裂缝，并且斜裂缝进一步发展延伸后，应变发生了突变，持续增大直至接头受剪破坏。其中接缝处的纵筋在临近破坏阶段的拉应变较大，已接近屈服状态。由以上现象可推测，纵向连接钢筋在接头裂缝充分发展后，开始抵抗剪力作用；接头破坏时，处于凹槽处的钢筋可能达到屈服状态，纵向连接钢筋是影响接头抗剪强度的主要因素之一。

以上抗剪强度影响因素的具体作用有待采用数值和理论分析的方法进行进一步研究。

6 结论

为提高预制桥墩节段连接构造的力学性能和施工效率，提出了应用于预制桥墩节段间的榫卯剪力键与灌浆波纹管结合的新型连接形式。以实际工程为背景，根据设计的新型连接构造，设计并制作了5组连接接头缩尺试件，并进行了剪切试验研究。试验参数包括截面形状、采用波纹管或半灌浆套筒连接钢筋，并研究了施工累积误差对波纹管灌浆连接构造抗剪性能的影响，所得结论总结如下：

(1)提出的新型连接构造在受剪作用下，发生整体斜剪破坏，各控制界面均具有足够的连接强度,表现出良好的整体性和抗剪性能。

(2)在装配施工过程中，方榫与圆榫相比，定位更加精确，拼装效率更高。截面面积和钢筋配筋面积越大，连接接头的刚度越大，抗剪承载力越高。

(3)半灌浆套筒能够提高接头的整体刚度，加载过程中出现的裂缝数量相对更少，破坏较为突然，在受剪条件下的连接性能不佳，容易在连接处发生断裂破坏，从而降低接头的总体抗剪承载力。

(4)因施工累积误差造成的波纹管底部无钢筋区段会形成薄弱段，从而改变接头受剪破坏模式，显著降低其抗剪强度。为提高波纹管连接安装精度，建议在没有相关工程经验的条件下，构件预留钢筋的长度在制作时应比连接所需长度长0～5 mm，预拼装时再可通过调平层实现误差容错。

(5)在接头受剪至破坏过程中，凹槽混凝土受剪破坏，凹槽处的纵向连接钢筋受拉接近屈服状态，两者是影响连接抗剪强度的主要因素。