卓金管件有限公司采用UHPC-钢管组合套筒连接的装配式桥墩拟静力试验学习体会
一、研究背景与文献概述
桥梁工程是装配式建筑的重要应用领域，桥墩作为桥梁的主要承重构件，其连接节点的性能直接决定了桥梁的抗震能力和整体可靠性。本文提出了一种采用 UHPC（超高性能混凝土）-钢管组合套筒连接的装配式桥墩方案，并通过拟静力试验验证了该连接节点的力学性能。UHPC 具有超高的抗压强度（通常 ≥120 MPa）和优异的抗裂性能，与钢管组合使用可以充分发挥两种材料的优势，为装配式桥墩连接提供了新的技术途径。
二、连接节点构造与试验方案
2.1 节点构造
UHPC-钢管组合套筒连接由以下部分组成：
- 外钢管套筒：外径 300～500 mm，壁厚 12～20 mm，材质 Q345B 或 Q355D；
- UHPC 填充层：填充在钢管套筒与内插钢管之间，厚度 20～40 mm；
- 内插钢管：桥墩柱段的上端钢管，外径 200～400 mm，壁厚 8～16 mm；
- 预埋钢筋：穿过套筒的纵向钢筋，直径 20～32 mm，HRB400 或 HRB500。
2.2 UHPC 材料参数
| 参数 | 典型值 |
|---|---|
| 抗压强度（28 d） | ≥120 MPa |
| 抗折强度（28 d） | ≥15 MPa |
| 弹性模量 | ≥55 GPa |
| 收缩率 | ≤0.3% |
| 抗冻性 | F300 以上 |
| 抗氯离子渗透 | ≤0.5% |
2.3 拟静力加载方案
拟静力试验采用低周反复加载制度，位移控制，位移角分别为 0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.5%，每个位移角循环 3 次。加载方向与桥墩弯矩方向一致，模拟地震作用下的往复荷载。
三、试验结果与机理分析
3.1 滞回性能
试验结果表明，UHPC-钢管组合套筒连接的滞回曲线饱满，延性良好。在 1.5% 位移角下，节点承载力仍保持在峰值承载力的 85% 以上，表现出优异的抗震性能。与普通钢管套筒连接相比，UHPC 填充使节点的初始刚度提高约 20%～30%，而延性系数仅略有降低。
3.2 刚度退化
随着循环次数的增加，节点刚度逐渐退化。在 0.2% 位移角阶段，刚度退化不明显；进入 0.6% 位移角后，刚度退化速率加快；到 1.5% 位移角时，刚度退化至初始刚度的 40%～50%。这种刚度退化主要源于 UHPC 层中的微裂纹扩展和钢管套筒的局部塑性变形。
3.3 破坏模式
试验观察到以下破坏特征：
- UHPC 层微裂纹：在循环荷载作用下，UHPC 填充层中出现细密的微裂纹，但裂纹宽度一般不超过 0.1 mm，未形成贯通裂缝；
- 钢管套筒局部屈曲：在较大位移角下，钢管套筒与内插钢管的接触区域出现局部鼓曲；
- 预埋钢筋屈服：预埋钢筋在 1.0% 位移角后进入屈服状态，但延伸率良好，未发生脆断。
四、焊接与钢管制造技术要点
4.1 钢管套筒制造
钢管套筒通常采用 LSAW（直缝埋弧焊）或 SSAW（螺旋埋弧焊）工艺制造。对于大直径套筒（外径 ≥400 mm），LSAW 工艺更为适用。焊接参数如下：
| 焊接参数 | 技术要求 |
|---|---|
| 焊接方法 | SAW（埋弧焊） |
| 焊丝 | H08MnA/H08Mn2SiA |
| 焊剂 | HJ431 |
| 焊接电流 | 500～700 A |
| 焊接速度 | 30～50 cm/min |
| 层间温度 | ≤250℃ |
| 焊缝探伤 | UT+RT，B 级合格 |
4.2 内插钢管与套筒的焊接连接
内插钢管与套筒之间的焊接连接是节点的关键薄弱环节。建议采用以下焊接方案：
- 打底焊：GTAW（钨极氩弧焊），电流 80～120 A，确保根部熔合；
- 填充焊：SMAW（手工电弧焊），电流 150～200 A，多层多道焊；
- 盖面焊：SMAW，电流 180～220 A，焊缝余高控制在 1.5～3.0 mm。
焊接过程中应严格控制预热温度（Q345B 材质预热至 100～150℃），焊后进行消氢热处理（200～250℃，保温 2～4 h），以防止冷裂纹的产生。
4.3 UHPC 与钢管的界面处理
UHPC 与钢管之间的界面黏结是组合套筒连接性能的关键。建议采取以下措施：
- 钢管内壁采用喷砂除锈至 Sa2.5 级，增加表面粗糙度；
- 钢管内壁涂覆环氧基界面胶，厚度 0.2～0.5 mm；
- UHPC 浇筑前，钢管内壁应湿润但不积水；
- UHPC 浇筑后，应在 4 h 内进行养护，避免早期塑性收缩开裂。
五、与工程实践的结合
在桥梁工程中，UHPC-钢管组合套筒连接适用于以下场景：
- 大跨径桥梁：桥墩高度较大，需要较高的连接刚度；
- 地震多发区：需要良好的延性和耗能能力；
- 海洋环境：UHPC 的抗腐蚀性能优异，适合海洋环境使用；
- 预制拼装：工厂预制精度高，现场拼装速度快。
从焊接质量控制角度，建议建立以下质量保障体系：
- 钢管套筒焊接工艺评定报告（WPS/PQR）；
- 焊缝 100% UT 检测，B 级合格；
- 焊后无损检测报告存档；
- UHPC 浇筑过程旁站监理；
- 节点区域应变监测，确保施工期间无异常变形。
六、学习心得与启示
本研究提出的 UHPC-钢管组合套筒连接方案具有显著的创新性。UHPC 的超高强度和优异的抗裂性能弥补了钢管套筒连接中混凝土强度不足的缺陷，而钢管的约束作用则充分发挥了 UHPC 的潜力。从焊接技术角度看，该连接方案对钢管焊接质量提出了更高要求，特别是内插钢管与套筒之间的焊接接头，需要严格控制焊接工艺参数和焊后热处理。UHPC 的浇筑工艺也是一个需要特别关注的环节，由于 UHPC 的黏聚性较高，需要采用专门的浇筑设备和技术，确保填充密实无空洞。总体而言，本研究为装配式桥墩连接提供了一种高效、可靠的技术方案，但在实际工程中，还需考虑施工精度、长期耐久性以及极端工况下的性能退化等问题，建议进一步开展足尺试验和长期性能评估。