部分充填钢管混凝土桥墩振动台试验文献学习体会

文献概况与工程背景

本文由同济大学土木工程防灾国家重点实验室徐艳等学者与名古屋工业大学合作完成，发表于2019年《中国公路学报》第32卷第12期，页码177至185。研究针对部分充填圆形钢管混凝土桥墩进行了强地震动输入下的破坏性振动台试验，模型相似比为1∶6.7。

部分充填钢管混凝土桥墩是近年来桥梁工程领域的一种创新结构形式，其特点是钢管内仅部分填充混凝土，而非全截面填充。这种设计在减轻结构自重的同时，利用混凝土对钢管的约束效应提高墩底的抗震性能。该研究获得教育部地震工程国际合作联合实验室项目、国家重点研发计划及国家自然科学基金资助，体现了国际合作的科研模式。

试验设计与关键发现

试验模型参数

破坏机理分析

试验揭示了两种偏心条件下截然不同的破坏模式：

无偏心桥墩：在墩底附近产生均匀的钢管局部屈曲变形和明显的水平裂缝。墩底区域混凝土开裂后，钢管与混凝土之间的约束效应减弱，钢管发生局部屈曲，形成以墩底为核心的塑性铰区域。纵桥向墩顶位移远大于有偏心桥墩。

有偏心桥墩：未产生水平裂缝，墩顶横桥向位移和墩底局部屈曲变形主要集中在靠近中轴线的一侧。塑性发展区域大于无偏心桥墩，但横桥向残余位移与无偏心桥墩相差不大，均在3cm左右。

恒载偏心的影响机制

恒载偏心使得有偏心桥墩在横桥向两侧所耗散的能量不相等，导致横桥向两侧的累积塑性变形存在差异。这一发现对工程设计具有直接的警示意义——偏心工况下的不对称能量耗散可能导致桥墩在反复地震作用下产生累积损伤，影响长期耐久性。

从钢管制造与焊接角度的技术分析

钢管局部屈曲的成因与控制

部分充填钢管混凝土桥墩的破坏模式以钢管局部屈曲为主，这与钢管的壁厚、材质以及焊接质量密切相关：

• 壁厚选择：桥墩用钢管的壁厚直接影响其抗屈曲能力。根据试验结论，合理的径厚比设计是保证桥墩抗震性能的关键。建议桥墩用钢管的径厚比不超过100，对于地震烈度较高区域，径厚比宜控制在80以内。
• 钢管材质：建议采用Q355或Q420级钢材，以保证在塑性变形阶段钢管仍能保持足够的承载能力。钢材的延伸率和屈曲应变是选择的关键指标。
• 焊接工艺：桥墩用钢管通常为直缝埋弧焊管（LSAW）或螺旋焊管（SSAW）。焊缝质量直接影响钢管的抗屈曲性能。焊缝应进行100%射线检测（RT）或超声波检测（UT），确保无裂纹、未熔合、未焊透等缺陷。焊接热影响区（HAZ）的硬度不应超过母材的1.2倍，以防止脆性断裂。
• 钢管表面质量：钢管内壁的粗糙度和氧化皮情况影响混凝土与钢管之间的粘结力。建议在灌注混凝土前对钢管内壁进行喷砂除锈处理，达到Sa2.5级清洁度。

混凝土充填高度的优化

试验表明，恒载偏心对桥墩抗震性能的不利影响可通过合理选取混凝土充填高度来缓解。从钢管制造和混凝土灌注的角度看：

• 充填高度应保证墩底区域（塑性铰形成区域）有足够的混凝土约束；
• 充填高度的增加会增大结构自重，需与减重目标平衡；
• 灌注工艺应采用低坍落度混凝土配合振动灌注，确保混凝土密实填充；
• 灌注过程中应设置排气孔，避免混凝土内部产生空洞。

工程实践中的应用建议

在桥梁工程设计中应用部分充填钢管混凝土桥墩时，建议遵循以下原则：

第一，合理选取混凝土充填高度和径厚比等结构参数，减少恒载偏心对抗震性能的不利影响。充填高度不宜小于墩高的1/4，径厚比不宜大于100。

第二，钢管制造应严格控制几何精度和焊缝质量。钢管的直线度、圆度、壁厚均匀性均应满足相关标准要求。焊缝应进行100%无损检测，确保无影响屈曲性能的缺陷。

第三，混凝土灌注应采用严格的工艺控制，确保混凝土密实填充。灌注前钢管内壁应进行除锈处理，灌注过程中应分层浇筑并充分振动。

第四，在有偏心工况下，应通过合理的截面设计保证桥墩的抗震性能满足要求。可通过增大钢管壁厚、提高混凝土强度等级或增加充填高度等措施补偿偏心的不利影响。

第五，施工质量控制应建立完整的可追溯体系，包括钢管制造记录、焊缝检测报告、混凝土灌注记录等，确保每一道工序的质量可追溯。

学习心得与启示

该研究通过振动台试验直观展示了部分充填钢管混凝土桥墩在强地震动下的破坏机理和地震响应，对桥梁抗震设计具有重要的参考价值。从钢管制造与焊接技术的视角来看，我深刻体会到：桥墩用钢管的局部屈曲行为是整个结构抗震性能的薄弱环节，而钢管的壁厚均匀性、焊缝质量和材质选择直接决定了钢管的抗屈曲能力。在实际工程中，必须从钢管制造源头抓起，严格控制钢管的几何精度和焊缝质量，同时优化混凝土灌注工艺，才能确保部分充填钢管混凝土桥墩在地震作用下的安全可靠性。该研究关于恒载偏心影响不对称能量耗散的发现，也为后续桥梁抗震设计的精细化提出了新的研究方向。