钢管榫卯节点连接节段预制拼装桥墩抗震性能研究的学习体会

文献概况与研究意义

本文发表于2024年《桥梁建设》第54卷第5期，由福州大学韦建刚、应浩东、杨艳、林本麟等学者完成，受国家自然科学基金项目（52278158）和福建省高校产学合作项目（2022H6009）资助。研究以福建省某互通立交桥匝道桥为背景，通过足尺试设计、静力承载力验算、1:3.75缩尺拟静力试验和有限元分析，系统评估了钢管榫卯节点连接的节段预制拼装桥墩（PSBP-MTJ）的抗震性能。

该研究具有重要的工程实践意义。节段预制拼装桥墩是桥梁工程领域的重要发展方向，其核心优势在于工厂化预制、现场快速拼装，可显著缩短工期、减少现场湿作业、提高施工质量。然而，节段之间的连接节点是抗震性能的薄弱环节，如何设计可靠的连接节点是制约该技术推广应用的关键问题。钢管榫卯节点连接作为一种新型连接方式，其抗震性能尚缺乏系统研究，本文填补了这一空白。

核心研究内容与试验设计

试件设计与试验方案

研究设计了两种对比试件：

PSBP-MTJ试件的关键构造特征包括：

1. 钢管榫卯节点：采用钢管作为节段之间的连接构件，通过榫卯构造实现节段间的刚性连接
2. 灌浆套筒：墩底采用灌浆套筒连接，实现节段与基础的可靠连接
3. 预应力筋：采用无粘结预应力筋连接节段，提供节段间的轴向预压应力

试验方法

采用拟静力试验方法，对试件施加低周反复水平荷载，模拟地震作用下桥墩的往复变形。试验中记录的关键数据包括：荷载-位移曲线、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、累积滞回耗能、残余位移等。

关键试验结果分析

破坏模式对比

两种试件的破坏模式均为整体压弯型破坏，这是桥墩抗震设计中期望的破坏模式——即塑性铰在墩底形成，结构通过塑性变形耗散地震能量，避免脆性破坏。

然而，两者存在一个显著差异：PSBP-MTJ试件的塑性铰区因墩底灌浆套筒的存在而上移。这意味着灌浆套筒区域具有一定的刚度，使得塑性变形向套筒上方转移。这一发现对工程实践具有重要指导意义——灌浆套筒的设计应确保其具有足够的强度和延性，避免成为薄弱环节。

承载能力与耗能能力

自复位性能

PSBP-MTJ试件最突出的优势在于其优异的自复位性能。残余位移仅为RC试件的67%，且残余位移与最大位移比值显著小于未采用无粘结预应力筋连接的试件。这一性能源于预应力筋提供的轴向预压应力——当地震荷载卸载后，预应力筋的弹性恢复力使节段回归原位，显著减小了残余变形。

自复位性能对桥梁抗震设计具有重要意义。残余位移过大会导致桥梁永久变形，影响通车功能，甚至引发次生灾害。具有自复位能力的桥墩在地震后可快速恢复功能，减少灾后修复成本。

钢管制造与焊接工艺视角的分析

钢管榫卯节点的制造要求

钢管榫卯节点是PSBP-MTJ桥墩的核心构件，其制造质量直接影响桥墩的抗震性能。关键制造要求包括：

灌浆套筒的焊接质量控制

墩底灌浆套筒的焊接是PSBP-MTJ桥墩的关键焊接节点。灌浆套筒承受较大的轴力和弯矩，其焊接质量直接影响桥墩的抗震性能。

焊接工艺要点：

1. 焊接方法选择：建议采用GTAW（钨极氩弧焊）打底，SMAW（手工电弧焊）或FCAW（药芯焊丝电弧焊）填充，确保焊缝质量。
2. 焊接顺序：先焊短边，后焊长边，对称施焊，减小焊接变形。
3. 焊接热输入控制：多层多道焊，每道焊层厚度不超过6mm，控制热输入在合理范围内。
4. 焊后处理：关键焊缝焊后进行消氢处理，必要时进行焊后热处理。
5. 无损检测：100%超声波检测（UT），关键部位补充射线检测（RT）。

预应力筋的锚固节点

无粘结预应力筋的锚固节点是PSBP-MTJ桥墩的另一关键部位。锚固节点的可靠性直接影响自复位性能的发挥。锚固节点的设计应确保：

• 预应力筋与锚具之间的可靠锁定
• 锚具与钢管之间的可靠连接
• 锚固区域的局部承压强度满足要求
• 锚具的疲劳性能满足抗震要求

FMEA分析与风险控制

从FMEA（失效模式与影响分析）角度，PSBP-MTJ桥墩的关键失效模式包括：

工程实践启示

本文的研究成果对桥梁工程的推广应用具有重要指导意义：

1. 节段预制拼装桥墩的可行性已得到验证：PSBP-MTJ试件的水平承载能力较RC试件提高约19%，滞回耗能能力相当，延性满足要求，表明钢管榫卯节点连接方案是可行的。
2. 自复位性能是显著优势：残余位移仅为RC试件的67%，这一性能对于地震后快速恢复桥梁功能具有重要价值。
3. 灌浆套筒是设计关键：灌浆套筒的存在使塑性铰区上移，设计时应确保灌浆套筒具有足够的强度和延性。
4. 预应力筋是核心构件：预应力筋提供的轴向预压应力是节段间不产生剪切滑移、自复位性能优异的关键。

个人反思与学习心得

本文的研究体现了"设计-试验-分析"三位一体的完整研究范式。足尺试设计验证了方案的可实施性，缩尺试验获取了关键的力学数据，有限元分析揭示了力学机理。这种研究范式是结构工程领域最经典、最有效的方法论。

从钢管制造和焊接技术的角度看，本文揭示了一个重要趋势：钢管在桥梁工程中的应用正从传统的"结构构件"向"连接节点"拓展。钢管榫卯节点连接是一种创新思路，它将钢管的强度高、刚度大、延性好等优良性能应用于节点连接领域，为节段预制拼装结构提供了新的技术路径。

然而，从工程实践角度看，钢管榫卯节点连接的推广应用仍面临一些挑战：节点制造精度要求高、现场装配难度较大、灌浆套筒的施工质量控制要求严格等。这些挑战需要通过工艺改进、设备升级和标准完善来逐步解决。

总结与展望

本文是节段预制拼装桥墩抗震研究领域的重要文献，其研究成果为钢管榫卯节点连接方案的工程应用提供了可靠的试验依据。对于从事钢管制造、焊接及桥梁工程的技术人员，理解钢管榫卯节点的抗震机理有助于从材料和构件层面优化设计方案。未来研究应进一步探讨钢管榫卯节点在真实地震作用下的动力响应、长期耐久性、以及大规模工程应用中的标准化问题，推动节段预制拼装桥墩技术在我国桥梁工程中的广泛应用。