1 新时代预制桥墩体系发展的机遇与挑战
进入新时代，人民对美好生活的向往是国家和社会发展的根本动力，落实到桥梁建设行业，人民向往能够享受到更方便的出行条件，减小施工过程中对城市交通的干扰，最大限度地保护沿途的自然环境，改善施工从业者的工作环境，提高桥梁在设计使用年限内抵抗自然灾害的能力……新时代对桥梁建设提出了高质量发展的要求。
进入新时代，高速铁路网、高速公路网、城市交通网、跨江跨海大桥、“一带一路”沿线交通设施等一大批工程项目的开工兴建为桥梁建设提供了巨大的市场和平台，也要求桥梁建设在保证施工质量的前提下能够缩短工期，提高建设速度，以回应市场对桥梁建设能力的迫切需求。新时代对桥梁建设提出了高速度发展的要求。
预制桥墩体系是实现新时代对桥梁建设“又好又快”要求的有效途径和重要手段。
当前我国桥梁上部结构建造中已较多使用预制拼装技术，大大提高了现场施工效率和构件质量，但下部结构建造仍主要以人工绑扎、现场浇筑为主，暴露出一系列的弊端，如需要大量的劳动力、施工周期长，对既有道路交通影响大，社会影响面大，粉尘、泥浆、噪声、灯光等对环境干扰大，所以难以满足文明施工要求。另外，粗放型的施工模式导致行业整体能耗高等，对已经是建成区的城市造成了更大的压力。
相对于传统的现浇混凝土桥墩，预制桥墩体系有以下优势：解决临近营业线的施工干扰问题；墩柱节段工厂化预制，提高墩柱质量；缩短现场施工时间，节省工期；减小施工对桥下和周围环境或环境敏感地区的影响；减少对桥位处繁忙地带的交通干扰；保障在高空、海上、高速公路等危险地带施工作业人员安全；可降低桥梁的全寿命成本。
预制桥墩体系自 1955年在美国新奥尔良Pontchartrain桥首次采用预制混凝土圆柱及承台以来，已经历了六十余年的发展，逐步在非震区、低烈度区桥梁工程中得到应用，当前制约预制桥墩体系进一步发展和应用的主要障碍在于：预制桥墩体系中可供使用的连接方式繁多，采用不同连接方式形成的预制桥墩在抗震性能方面的表现不尽相同，因缺少依据抗震性能的特点对预制桥墩体系进行系统性分类，业主、设计和施工人员难以根据抗震需求选择合适的预制桥墩体系以满足工程抗震需要。同时，如何将高性能新材料合理应用于预制桥墩体系以进一步提高其抗震性能，如何将抗震新理念融入预制桥墩体系的设计、施工中，如何进一步开辟和拓展预制桥墩体系的应用领域以及由此可能带来哪些新的科学问题，都值得桥梁建设的科研和从业人员去共同思考。
因此，本文按照抗震性能的不同，对预制桥墩体系进行了分类，系统梳理了不同连接方式下预制桥墩的抗震性能研究现状及典型工程应用，重点介绍了高性能新材料在预制桥墩体系中的使用，韧性抗震新理念在预制桥墩体系中的实现，以及预制桥墩体系的潜在应用领域及可能遇到的问题，以期促进预制桥墩体系在我国得到更合适、更广泛地应用。
2 预制桥墩体系分类及其抗震性能特点
如图1所示，按抗震性能进行分类，预制桥墩体系基本可以分为“等同现浇”和“非等同现浇”两类，下面将对两种不同类型预制桥墩及其抗震性能分别进行介绍。
图1 “等同现浇”与“非等同现浇”预制桥墩抗震性能比较[1]
Fig.1 Comparison of seismic performance between emulative and nonemulative precast pier
2.1 “等同现浇”预制桥墩
“等同现浇”预制桥墩是指通过采用经过精心设计和良好措施保证的连接形式，实现现场连接后形成的预制桥墩能够在包括水平承载力、变形能力、刚度、耗能能力等抗震性能各方面与传统意义的现浇桥墩保持相同或相似[1]。按地震作用下是否进行进入塑性，“等同现浇”预制桥墩的连接形式可以分为延性连接和强连接[2]。延性连接是指将“等同现浇”预制桥墩的连接设计为在地震作用下首先发生钢筋的屈服，塑性铰区最终在连接处形成，为保证“等同现浇”预制桥墩具有足够的延性，要求延性连接具有足够的塑性变形能力；强连接是指按照能力设计原理提高“等同现浇”预制桥墩中连接的承载力设计值，保证连接在地震作用下始终处于线弹性状态而塑性铰区在桥墩的预制部分得以充分发展。
在工程实践中，如图2所示，用于建造“等同现浇”预制桥墩的连接形式主要包括套筒灌浆连接、波纹管灌浆连接、预留槽孔的灌浆连接、承插式连接等[3]，针对这几种连接形式，各国学者从连接性能到由预制桥墩整体抗震性能都开展了较广泛的研究。
图2 “等同现浇”预制桥墩的常用连接形式[3]
Fig.2 Common connections of emulative precast piers
套筒灌浆连接由美国工程院院士余占疏博士于20世纪60年代发明，多用于钢筋连接，具有传力机制明确、现场湿作业较少、施工速度较快的优点，对施工安装精度要求较高，最大施工误差一般不能超过被连接钢筋的直径，因专利产权的存在，价格相对较高些。经过几十年的推广，目前套筒灌浆连接在装配式建筑中得到了较广泛地应用，在预制桥墩中的使用则相对晚得多，图3给出了比较典型的工程应用。为研究采用这一连接形式“等同现浇”预制桥墩的抗震性能，美国联邦公路署 Haber等[4]、美国犹他大学 Ameli等[5]以及上海同济大学Li等[6]开展了一系列拟静力试验研究，主要结论包括使用套筒灌浆连接的“等同现浇”预制桥墩在变形能力方面与同参数现浇桥墩相比略差[7]；将套筒设置在桥墩底部会导致塑性铰区转移至套筒顶面区域，对新塑性铰区可进行专门设计[8]；将套筒设置在承台内比设置在桥墩底部有助于获得良好的抗震性能；在套筒附近纵筋处设置无粘结段是提高预制桥墩变形能力的有效手段。针对这一连接形式预制桥墩的有限元模型[9]和简化计算方法[10]也得到了发展。美国密苏里科技大学Qu等[11]针对采用套筒灌浆连接的双柱进行了拟静力试验，证明套筒灌浆用于桥墩-盖梁连接也是可行的连接方式。
图3 采用套筒灌浆连接“等同现浇”预制桥墩的典型工程应用
Fig.3 Typical engineering application of the emulative precast piers w ith grout-filled coupling sleeves
波纹管灌浆连接技术多用于预制盖梁与预制桥墩之间的连接，在预制桥墩节段之间的连接也有所使用，具有施工速度快、现场湿作业量相对较少、施工精度要求不高、连接性能可靠等优点，一般不直接用于钢筋连接，而是将一根预制桥墩的伸出纵筋锚固在盖梁或承台内。由于波纹管能够提供约束效果，采用波纹管灌浆连接技术的钢筋所需锚固长度要小于同等条件下的现浇构件，但这仍是控制连接节段尺寸的主要因素，同时预埋波纹管的存在也加剧了节点处钢筋的拥堵。如图4给出了采用波纹管灌浆连接“等同现浇”预制桥墩的工程应用[14―15]。目前关于波纹管灌浆连接性能的试验研究较多[16―21]，研究使用这一连接方式预制桥墩抗震性能的研究还相对较少：美国工程师 Pang等[22]以美国华盛顿州预制桥墩为背景，开展了包括4个预制盖梁-桥墩连接节点的拟静力试验，重点研究采用大直径钢筋-波纹管灌浆连接技术对预制盖梁-桥墩连接节点抗震性能的影响。加利福尼亚州立大学Matsumoto[23]开展了 42%缩尺试验模型，钢筋采用波纹管灌浆连接，并设置2.5英寸厚且配有箍筋的灌浆垫层，试验结果证明该预制盖梁-桥墩连接节点与同参数的现浇试件相比具有相似的抗震性能。如图5所示，新西兰坎特伯雷大学Mashal等[24]将波纹管灌浆连接用于预制桥墩与承台以及预制桥墩节段之间的连接，在预制构件连接界面中心处设置剪力键，这一连接形式的矩形截面桥墩进行了拟静力试验。北京工业大学宋年华[25]开展了预制盖梁-桥墩连接节点拟静力试验，证实基于高强砂浆-金属波纹管灌浆连接的预制承台-桥墩连接的抗震能力与现浇结构一致，波纹管灌浆连接安全可靠；同济大学王志强等[26]将波纹管灌浆连接用于预制桥墩-承台的连接，开展的拟静力试验证实该试件的位移延性系数可以达到6.0左右，耗能能力与现浇试件相似，同时对桥墩-承台采用套筒灌浆连接、桥墩-盖梁采用波纹管灌浆连接的双柱进行了拟静力试验研究，得到了与现浇桥墩相似的滞回曲线[11]。
图4 采用波纹管灌浆连接“等同现浇”预制桥墩的典型工程应用
Fig.4 Typical engineering application of the emulative precast piers w ith grouted corrugated ducts
图5 采用波纹管灌浆连接“等同现浇”预制桥墩的拟静力试验[24]
Fig.5 Quasi-static load test of the emulative precast piers w ith grouted corrugated ducts
预留槽孔的灌浆连接是指在盖梁、承台或柱脚内预留槽孔，将待连接构件的纵筋全部伸入预留槽孔后注入混凝土或砂浆，依靠后浇混凝土与纵筋之间的粘结作用以及后浇混凝土与预留槽孔之间的相互作用，将预制构件连接成整体的连接方式，一般预留槽孔是通过在预制构件中预埋大直径的波纹管形成，这样的处理有利于增加后浇混凝土与周围混凝土之间的相互作用。采用预留槽孔的灌浆连接方式，可以大大降低对施工精度的要求，施工工艺简单，但现场湿作业相对较多些，对施工进度有所影响，同时预留槽孔的存在使得盖梁或承台中钢筋布置不便，一种方案是让钢筋横贯预留槽孔，但可能会影响后期预制桥墩伸出钢筋插入预留槽孔，一种方案是钢筋避开预留槽孔，但会导致盖梁或承台具有相比现浇试件更大的尺寸，如图6给出了采用预留槽孔的灌浆连接“等同现浇”预制桥墩的工程应用。针对这一连接形式的预制盖梁-桥墩连接节点抗震性能，加利福尼亚州立大学Matsumoto[27]开展了42%缩尺试验模型，其中一根节点试件CPFD按照高烈度区抗震设计要求，配置了较多的纵筋和箍筋用于保证连接可靠以及提高节点抗剪能力，一根节点试件CPLD按照低烈度区抗震设计要求，没有配置箍筋并且仅配置了较少的纵筋用于连接，拟静力试验表明，试件CPLD具有良好的延性变形能力，试件CPLD出现明显的剪切破坏特点，变形能力较少，两根试件与同参数的现浇节点具有的抗震性能基本一致。
图6 采用预留槽孔的灌浆连接“等同现浇”预制桥墩对应的典型工程应用
Fig.6 Typical engineering application of the emulative precast piers w ith pocket connections
承插式连接是指在盖梁或承台内设置预留孔，将预制桥墩插入预留孔内，可在预制桥墩底部和四周注入混凝土或砂浆以增强预制桥墩与盖梁或承台之间的连接效果，因此，对交界面处预制构件表面应进行粗糙化处理以增加与后灌混凝土或砂浆之间的粘结强度。值得注意的是，预制桥墩与盖梁或承台之间没有钢筋连接。这种连接方式对施工精度的要求较低，施工工艺简单，现场湿作业量少，施工速度较快，但要求设置预留孔的构件在预留孔四周应具有足够的强度以抵抗预制桥墩在地震作用下发生水平变形时所引起的撬起力，如图7给出了采用承插式连接“等同现浇”预制桥墩的工程应用。日本学者Osanai等[28]对承插式连接节点进行了拟静力试验研究，基于试验结果给出了设计建议：当埋深大于等于1.5倍墩柱直径时，不需要设剪力键，建议摩擦系数取1.0；当埋深在1.25倍~1.5倍墩柱直径之间时，需要设剪力键，建议摩擦系数取1.0；当埋深等于1.0倍墩柱直径时，需要设剪力键，建议摩擦系数取0.5。Canha等[29―30]针对界面是否进行粗糙化处理这两种不同情况，分别推导了承插式连接受力计算模型。新西兰坎特伯雷大学 Mashal等[24]开展拟静力试验，研究采用承插式连接将预制桥墩和承台拼装成整体圆形截面桥墩的抗震性能，发现采用该连接形式的预制桥墩与同参数的现浇桥墩相比，滞回曲线具有较明显的捏拢效应，耗能能力要稍差些。之后特伯雷大学White等[31]又进行了双向拟静力试验，进一步证实采用承插式连接预制桥墩与现浇桥墩的抗震性能基本一致。美国华盛顿大学学者Haraldsson等[32]开展了包括3根试件的拟静力试验，并在试验结果的基础上，推导出承插式连接预制桥墩-承台的设计公式。
图7 采用承插式连接“等同现浇”预制桥墩的典型工程应用
Fig.7 Typical engineering application of the emulative precast piers w ith socket connections
在我国的工程实践中，还有一种“等同现浇”预制桥墩的连接形式被更多地采用，即现浇湿接缝连接。这一连接形式可用于预制桥墩与承台以及预制桥墩节段之间，具有预制结构整体性好、受力性能可靠、符合我国施工习惯、对施工工人从业水平要求不高的特点，因此，在我国早期的预制桥墩实践中被大量采用，如图8给出了采用现浇湿接缝连接“等同现浇”预制桥墩的工程应用，但现浇湿接缝要求在现场对接缝处钢筋进行连接或绑扎，湿接缝处模板架立以及混凝土浇筑都需要消耗大量的时间，快速施工优势较其它“等同现浇”的连接形式有明显差距，但限于采用其它连接形式预制桥墩的抗震性能还有待进一步的研究和论证，在现阶段，现浇湿接缝连接在我国仍具有较大的应用市场。韩国全北国立大学Kim等[33]设计了一种湿接缝浇筑塑性铰区，其它部分由预制混凝土模板和后浇核心区混凝土组成，并利用拟静力试验证明了这一方案的可行性。
图8 采用现浇湿接缝连接“等同现浇”预制桥墩的典型工程应用
Fig.8 Typical engineering application of the emulative precast piers w ith cast-in-place wet joints
2.2 “非等同现浇”预制桥墩
“非等同现浇”预制桥墩是指通过采用预应力筋施加后张预应力的连接形式，使得预制桥墩在地震作用下的非线性转动主要集中在摇摆节点，从而保证预制构件部分基本保持弹性。与“等同现浇”预制桥墩相比，“非等同现浇”预制桥墩具有两大优势：一是在地震作用下的非线性转动主要表现为节点接缝的张开与闭合，保证即使在大震下预制构件混凝土的拉应变仍处于很低的水平，从而减小了预制构件本身的受拉损伤；二是后张预应力提供了预制桥墩震后恢复初始位置的自复位能力。
“非等同现浇”预制桥墩最初仅利用预应力筋承受拉力而未采取专门的耗能措施，具有显著的快速施工优势，在非震区桥梁中得到了较多应用[34―35]，如图9给出了无耗能措施“非等同现浇”预制桥墩的典型工程应用[12,34,36]。针对这一类的“非等同现浇”预制桥墩，美国加州大学圣地亚哥分校Hewes等[37]进行了低周往复试验，其中底节段采用圆钢管约束混凝土的结构形式，防止底接缝发生转动时引起脚趾处混凝土产生应力集中而过早压碎，同时利用有粘结预应力筋进行连接，试验研究的参数包括剪跨比、底节段圆钢管壁厚、其它节段箍筋用量，通过试验研究发现，未采取专门耗能措施“非等同现浇”预制桥墩具有非线性的弹性滞回行为，加载后残余变形小，但耗能能力也较差，而较小的耗能能力会导致预制桥墩在地震作用下的位移需求较大，并提出了水平力-位移骨架曲线解析计算方法；日本工程师Yamashita等[38]对一根无专门耗能措施“非等同现浇”预制空心墩进行了振动台试验研究，重点关注其动力性能，在试验研究的基础上提出了一种计算水平力-位移骨架曲线的解析方法，借助解析方法，对主要设计参数进行了参数分析。上海应用技术学院葛继平等[39]对使用有粘结精轧螺纹钢筋施加后张预应力的连接方式进行大比例尺拟静力试验研究，发现与现浇桥墩相比，该形式预制桥墩的抗裂和自复位能力更强，但耗能能力较差，这是因为使用有粘结预应力会导致精轧螺纹钢筋提前进入屈服而引起预应力损失，但精轧螺纹钢筋在试验中未发生断裂。北京工业大学贾俊峰等[40]利用后张预应力将圆钢管约束混凝土节段拼装成整体，拟静力试验结果表明该形式桥墩具有良好的自复位能力，且由于钢管的约束作用，节段震后损伤较小，桥墩弯曲变形主要由下部两个接缝的张开引起，出现明显的双塑性铰效应，试件最终由于P-Δ效应造成的水平承载力下降过多而失效。
图9 无耗能措施的“非等同现浇”预制桥墩的典型工程应用
Fig.9 Typical engineering application of the nonemulative precast piers w ithout energy devices
为进一步提高“非等同现浇”预制桥墩的耗能能力，各国学者吸收“等同现浇”预制桥墩中的连接形式，与后张预应力连接一同使用，形成了混杂型连接形式，期望得到的预制桥墩抗震性能能够兼有良好的耗能能力和自复位能力。近年来，针对混杂型“非等同现浇”预制桥墩抗震性能的研究成果最多：台湾科技大学学者Ou等[41―42]针对空心墩及空心高墩分别进行了大比例尺拟静力试验，如图10所示，采用的耗能方案为节段接缝处内置采用波纹管灌浆连接的耗能钢筋，为防止耗能钢筋提前拉断，在底接缝处设有无粘结段，这一耗能方案被后来的众多研究者所采纳[43―49]。韩国中央大学 Shim等[50]以城市轻轨高架桥为背景，设计了一种采用有粘结精轧螺纹钢筋施加后张预应力的预制桥墩，并利用作为精轧螺纹钢筋孔道的钢管兼做耗能装置，增加试件耗能能力。韩国汉阳大学学者 Kim等[51]利用有粘结预应力筋施加后张预应力，设置了穿过节段接缝处的剪力连接键，并进行了包括5根试件的低周往复试验，试验结果表明，剪力连接键的设置可以在保持高延性和高耗能的情况下，减小了试件的残余变形，避免了试件底部的严重压溃，是一种理想的预制桥墩形式。美国科罗拉多大学博尔德分校学者Sideris等[52]设计了一种新型混杂滑移-摇摆节点预制桥墩，这种形式的桥墩在底节段与基础之间采用摇摆节点，在其它节点采用滑移节点，并通过上部节段在接缝处的滑移来实现摩擦耗能。美国内华达大学雷诺分校 Mantawy等[53]提出了一种新型预制双柱体系，如图11所示，其中预制桥墩-承台连接采用承插式连接，预制桥墩-盖梁连接采用承插式连接与波纹管灌浆连接的混合形式，并通过无粘结预应力筋施加后张预应力提供自复位能力，随后进行的振动台试验证明了这种新型预制双柱体系达到了预期的抗震性能。同济大学Wang等[54]通过拟静力试验研究发现，采用无粘结后张预应力筋与套筒灌浆连接的混杂连接形式的预制桥墩具有较好的耗能能力，无粘结后张预应力有利于减小残余变形。北京工业大学贾俊峰等[55]设计了一种新型的圆钢管混凝土节段预制桥墩，预制桥墩与承台之间是通过将底节段插入承台预埋的钢管后，底节段与预埋的钢管之间施加螺栓进行连接，节段之间是通过上、下节段分别与外套圆钢管之间施加螺栓进行连接，通过拟静力试验研究发现，这种新型预制桥墩主要通过连接钢管的屈服进行耗能，后张预应力能够一定程度上降低残余变形。
图10 采用波纹管灌浆-预应力混杂连接“非等同现浇”预制桥墩的拟静力试验[41]
Fig.10 Quasi-static load test of the nonemulative precast piers w ith grouted corrugated tube-prestress hybrid connections
图11 Mantawy等报道的“非等同现浇”预制桥墩拟静力试验[53]
Fig.11 Quasi-static load test of the nonemulative precast piers reported by Mantawy et al.
3 高性能新材料的使用
高性能新材料的使用一直是提高土木工程结构性能的重要途径和手段，预制桥墩体系本身具有设计、施工灵活性强的特点，为高性能新材料的使用提供了广阔的平台，事实上，利用高性能新材料提高预制桥墩体系抗震性能的研究已经成为近年来的热点，本节对几种研究较多的高性能新材料在预制桥墩体系中的应用进行了梳理。
3.1 超高性能混凝土
超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete, UHPC)被法国土木工程协会定义为抗压强度介于 150 MPa~250 MPa的新一代水泥基复合材料[56]，材料水灰比一般介于 0.17~0.25之间，可以通过较高的纤维掺量实现材料的应变硬化特性，需要严格控制骨料粒径或直接不添加粗骨料，具有高强度、高延性、高耐久性的材料优势，用于制作预制构件，可以减轻吊装重量，提高受力复杂区的变形能力，降低全寿命周期成本[57]；同时，UHPC与钢筋之间具有超高的粘结强度，用作灌浆料使用，可以大大缩短钢筋的锚固长度，提高后浇区钢筋与混凝土的协调工作能力[58]。
图12 波纹管-UHPC灌浆连接“等同现浇”预制桥墩的拟静力试验[60]
Fig.12 Quasi-static load test of the nonemulative precast piers w ith UHPC-filled corrugated duct connections
对于“等同现浇”预制桥墩，日本学者Yamanobe等[59]提出用UHPC作为预制模板用于塑性铰区，与核心区后浇混凝土协调工作，通过双向拟静力试验证明，这种新型预制桥墩具有良好的变形和耗能能力。美国内华达大学雷诺分校 Tazarv等[60]利用UHPC作为灌浆料使用，如图12所示，用于预制桥墩-承台的波纹管灌浆连接，通过拟静力试验发现，采用波纹管UHPC灌浆连接的桥墩具有与现浇桥墩相近的抗震性能，试验中未发生钢筋与UHPC的粘结失效现象。美国弗罗里达国际大学Shafieifar等[61]利用现浇湿接缝连接将预制盖梁和预制墩身拼装成整体，如图13所示，其中UHPC作为后浇混凝土将预留钢筋搭接连接，随后的拟静力试验证明了这种连接方式的可行性。美国密苏里科技大学Ichikawa等[62]利用UHPC作为预制模板用于塑性铰区，其中预制模板中预留孔道穿过耗能钢筋，其他部分由现浇混凝土形成桥墩整体，最后利用双向拟静力试验验证UHPC的使用能够显著减小塑性铰区的损伤，该新型预制桥墩具有良好的抗震性能。美国内华达大学雷诺分校Mohebbi等[63]利用UHPC作为预制桥墩塑性铰区，如图14所示，对预制桥墩-承台、预制桥墩-盖梁均采用承插式连接的双柱桥墩开展振动台试验，并发展了基于 OpenSees的数值模型用于该新型桥墩的动力时程分析。如图 15所示，东南大学王景全课题组利用UHPC作为灌浆料，其他部分采用普通钢筋混凝土制作，利用预留槽孔的灌浆连接方式将承台、整节段墩身和盖梁拼装成整体，相关的拟静力试验正在进行中。
图13 现浇UHPC湿接缝连接“等同现浇”预制桥墩的拟静力试验[61]
Fig.13 Quasi-static load test of the nonemulative precast piers w ith cast-in-place wet joints using UHPC
图14 承插式连接“等同现浇”预制UHPC双柱墩拟静力试验[63]
Fig.14 Quasi-static load test of the nonemulative precast two-column UHPC bent w ith pocket connections
图15 预留槽孔的UHPC灌浆连接“等同现浇”预制桥墩拟静力试验
Fig.15 Quasi-static load test of the nonemulative precast piers w ith pocket connections using UHPC grout
美国密苏里科技大学Ichikawa等[62]利用UHPC作为预制空心节段用于塑性铰区，UHPC预制空心节段中预留孔道穿过耗能钢筋，非塑性铰区和柱帽则采用普通钢筋混凝土制作，通过无粘结预应力筋施加后张预应力将各部分拼装成整体，通过双向拟静力和混合模拟试验验证了这一新型“非等同现浇”预制桥墩的抗震性能。纽约州立大学布法罗分校Yang等[64]设计了包含3根试件的拟静力试验，研究底节段是否采用UHPC制作以及UHPC是否配筋对混杂滑移-摇摆节点预制桥墩抗震性能的影响，试验表明，底节段采用UHPC制作能够显著减小桥墩损伤，是否配筋对底节段UHPC损伤情况影响不大，建议采用不配筋UHPC制作底节段。内华达大学雷诺分校Mohebbi等[65]利用UHPC制作预制桥墩塑性铰区，如图 16所示，利用纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)作为无粘结预应力筋施加后张预应力，预制墩身与承台之间通过承插
图16 采用承插式-预应力混杂连接“非等同现浇”预制桥墩的拟静力试验[65]
Fig.16 Quasi-static load test of the nonemulative precast
UHPC piers w ith socket-prestress hybrid connections式连接，对这一新型预制桥墩的振动台试验表明，UHPC塑性铰区仅在保护层发生轻微损伤，试件以纵筋拉断作为破坏标志，最大位移角达到6.9%，震后残余变形可以忽略。如图17所示，东南大学Wang等[66]用含粗骨料的UHPC制作预制节段，并且采用波纹管-UHPC灌浆连接的方式设置耗能钢筋，通过包含3根试件的拟静力试验证明，3根件均以耗能钢筋拉断作为试件破坏的标志，最大变形能力可达8%以上，UHPC可显著减轻节段损伤，UHPC灌浆料与钢筋粘结良好，未见钢筋粘结失效。
图17 波纹管-UHPC灌浆-预应力混杂连接“非等同现浇”预制桥墩拟静力试验[66]
Fig.17 Quasi-static load test of the nonemulative precast piers w ith UHPC grouted corrugated duct-prestress hybrid connection
3.2 纤维增强复合材料
FRP具有轻质、高强、耐腐蚀的材料优势，在预制桥墩体系中的应用主要集中在两个方面：一是作为塑性铰区外包材料，为核心区混凝土提供约束力，从而提高核心区混凝土的峰值强度和极限压应变；一是作为预应力筋使用，为“非等同现浇”预制桥墩提供后张预应力。
对于“等同现浇”预制桥墩，弗罗里达国际大学Zhu等[67]提出利用FRP包裹预制墩身的方案，预制墩身与承台之间研究了两种连接方式，即采用现浇湿接缝连接和套筒灌浆连接，通过拟静力试验证实，发现与现浇钢筋混凝土桥墩相比，利用FRP包裹为混凝土提供约束力的方式能够显著提高“等同现浇”预制桥墩的水平极限承载力和变形能力。
对于“非等同现浇”预制桥墩，弗罗里达国际大学Chou等[67]利用高强钢筋提供后张预应力，利用FRP包裹预制墩身减少墩身混凝土损伤，拟静力试验证明实施这一方案的预制桥墩具有良好的变形能力和自复位能力。如图 18所示，密苏里科技大学ElGawady等[68―69]利用预应力筋施加后张预应力将FRP约束混凝土节段预制成整体，并分别进行了单柱和双柱桥墩的拟静力试验，证明该形式单柱桥墩能够在 15%大位移角下不发生严重的混凝土损伤，水平承载力没有明显退化，但如果不设置专门耗能装置，耗能能力较差；双柱桥墩在 9%位移角下也具有类似单柱的结论。密苏里科技大学Moustafa等[70]提出了利用外包 FRP-内置圆钢管约束混凝土制作预制节段的方案，并通过振动台试验对这一新型预制桥墩动力性能进行研究。此外，如图19所示，内华达大学雷诺分校Mohebbi等[65]利用FRP作为预应力筋使用，用于提高“非等同现浇”预制桥墩对耐久性的要求。同时，利用FRP约束混凝土提高预制桥墩容许损伤能力的方法也被 Saiidi教授[71―72]在一些预制桥墩的试验中使用。
图18 采用FPR约束混凝土节段的“非等同现浇”预制桥墩抗震性能试验
Fig.18 Seismic performance test of the nonemulative precast piers w ith FRP confined concrete segments
图19 FRP在“非等同现浇”预制桥墩中用作无粘结预应力筋[65]
Fig.19 Application of FRP in the nonemulative precast piers for unbonded prestressed strands
3.3 形状记忆合金
形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)即使发生塑性大变形，在外力撤销后仍能自动恢复到受力前状态，基于SMA这一力学特性，内华达大学雷诺分校Saiidi等[73]提出将SMA代替钢筋用于桥墩塑性铰区，能够保证桥墩在地震作用下表现出良好的耗能能力，并且显著减小桥墩的震后残余变形。
Tazarv等[74]将SMA棒代替塑性铰区钢筋用于波纹管灌浆连接“等同现浇”预制桥墩，如图 20所示，塑性铰区以外部分仍采用普通钢筋，SMA棒与普通钢筋之间通过机械连接，并针对这一新型桥墩开展了拟静力试验研究，证明该新型桥墩与同参数现浇桥墩相比，具有更优的变形能力，耗能能力基本相当，残余变形则减小79%。随后的研究中，SMA棒与橡胶支座被 Varela等[72]用于制作一种可更换塑性铰区，如图 21所示，振动台试验证明了这种新型“非等同现浇”预制桥墩在抗震性能和震后快速修复方面的优势。
图20 塑性铰区采用SMA的波纹管灌浆连接“等同现浇”预制桥墩[74]
Fig.20 Application of SMA in plastic hinge zone of the emulative precast piers w ith grouted corrugated ducts
图21 塑性铰区采用SMA和可更换橡胶支座的“非等同现浇”预制桥墩[72]
Fig.21 Application of SMA and replaceable rubber in the plastic hinge zone of the nonemulative precast piers
此外，不少学者[75―77]建议将SMA作为耗能钢筋用于提高“非等同现浇”预制桥墩的耗能能力，并与预应力、恒载自重一起提供自复位弯矩，相应的数值模型被开发，用于评估这一想法的有效性。
4 韧性抗震新理念的融入
韧性是指系统及其各类子系统在受到地震扰动时维持或迅速恢复其功能，并通过适应来更好地应对未来不确定性的能力，包含抵抗、恢复、适应等3个主要环节，其中抵抗是指系统可以吸收扰动所产生的负面作用而保证其核心功能不会被扰动完全破坏；恢复是指扰动发生后，系统可以迅速恢复期受损部分值期望的状态，恢复是韧性的关键；适应是指系统通过主动或被动地学习来改变其结构而更好地应对未来的不确定性[78]。美国纽约州立大学布法罗分校地震工程多学科研究中心建议[79]，可以通过降低地震发生时造成的功能损伤或提高震后修复速度来实现韧性抗震。现行桥梁抗震规范以桥墩延性进行抗震设计，容许桥墩进入塑性，在强震下桥墩可能发生严重损伤，震后产生较大的残余变形，造成修复困难，显然，通过延性设计的现浇桥墩不能满足韧性抗震的需要[80]。不同于现浇桥墩，预制桥墩体系为实现韧性抗震理念提供了重要的结构载体，但“等同现浇”预制桥墩的连接形式以及“非等同现浇”预制桥墩的混杂型连接形式在保证耗能能力的同时也带来了震后不易修复的问题。为解决这一问题，国内外学者主要从内置机械连接耗能钢筋和外置可更换耗能装置两种方式入手，将预制桥墩体系进一步发展成为符合韧性抗震理念的震后可恢复桥墩。
4.1 内置机械连接耗能钢筋
对于“等同现浇”预制桥墩，如图22所示，内华达大学雷诺分校教授Haber等[4]利用机械连接方式将预制墩身内钢筋与承台内预留接头连接，然后利用后浇混凝土浇筑塑性铰区外侧，最终使得预制墩身与承台拼装成整体，这样的连接形式方便除去塑性铰区保护层后快速更换塑性铰区内损伤钢筋，然后浇筑混凝土后完成对震后损伤桥墩的快速修复。
图22 采用机械连接的“等同现浇”预制桥墩[4]
Fig.22 The emulative precast piers w ith mechanically spliced connections
对于“非等同现浇”预制桥墩，新西兰坎特伯雷大学White等[31]采用机械连接方式将预制墩身内钢筋与承台内预留接头连接，利用后浇混凝土浇筑塑性铰区外侧，同时在桥墩中心预留孔道穿过无粘结高强螺纹钢筋施加后张预应力，如图 23所示，对这种新型预制桥墩修复前后的抗震性能进行了双向拟静力试验研究，证明这一新型预制桥墩具有良好的自复位能力、耗能能力和震后可快速恢复的能力。东南大学Wang等[81]设计了一种新型预制桥墩，如图 24所示，将底节段分为核心区和外围的四块可更换UHPC板，采用机械连接的耗能钢棒置于核心区和可更换UHPC板之间，通过预应力筋将外围的可更换UHPC板和核心区连成一体，各节段之间通过无粘结后张预应力拼装成整体，对于这种新型桥墩，对震后损伤元件即内置可更换耗能钢棒和外置可更换UHPC板进行快速替换，可以实现震后桥墩功能的快速恢复，通过拟静力试验对修复前后试件的抗震性能进行了对比，证实这是一种具有良好自复位能力的震后可恢复桥墩。
图23 采用机械连接的“非等同现浇”预制桥墩[31]
Fig.23 The nonemulative precast piers w ith mechanically spliced connection
图24 震损可恢复功能预制UHPC空心墩[81]
Fig.24 Earthquake resilience precast UHPC hollow piers
4.2 外置可更换耗能装置
对于“非等同现浇”预制桥墩，各国学者提出各种外置可更换耗能装置的方案，如图 25所示，用于提高预制桥墩震后快速恢复的能力：台湾国立交通大学Chou等[82]设计了2根试件，沿墩身全长均采用圆钢管约束混凝土节段，利用有粘结预应力筋施加后张预应力进行连接，其中一根在墩底与承台之间设置了软钢阻尼器，通过低周往复试验发现，建议的耗能装置能够保证试件具有良好耗能能力。新西兰坎特伯雷大学Marriott等[83―86]提出利用外包钢管的耗能钢棒提高“非等同现浇”预制桥墩的耗能能力，分别通过拟静力试验验证了这一方案的可行性，并进一步通过反复拉压试验和基于OpenSees模型研究了外包钢管的耗能钢棒本身的滞回性能，近期对一种耗能钢棒锈蚀后的滞回性能也开展了相应的试验研究。密苏里科技大学ElGawady等[68―70]利用螺栓将角钢固定在墩底与承台之间，实现地震中预制桥墩或预制双柱墩的耗能，并设置有明显“保险丝”(Fuse)作用的耗能钢棒用于针对外包 FRP-内置圆钢管约束混凝土节段预制桥墩的振动台试验。此外，已有学者[87]提出在“非等同现浇”预制双柱墩之间增设防屈曲支撑的方案，并对这一方案进行了数值模型的验证。
图25 已有的外置可更换耗能装置
Fig.25 Existing external replaceable energy dissipation device
5 潜在新应用领域的开拓
由于高性能新材料的应用、韧性抗震新理念的融入以及预制桥墩体系本身的抗震性能特点，一些潜在的新应用领域亟待开辟和进一步拓展。
向具有更高抗震需求的桥梁拓展。近年来，随着韧性抗震理念的推广，桥梁抗震设计逐步由抗倒塌设计向震后功能可恢复设计的方向发展，即要求桥梁下小震下具有自复位的能力，在大震下具有使用功能可快速恢复的能力。如前所述，外置可更换耗能装置的“非等同现浇”预制桥墩是实现震后功能可恢复桥梁的重要方法，利用这种结构形式桥墩在黄徐路桥已经进行了试点[88]。黄徐路桥抗震设防类别为B类，场地类别为Ⅲ类，设防烈度为8度，为两跨 40 m现浇预应力混凝土连续梁桥，中墩采用摇摆桥墩，两边墩采用滑板支座，边墩构造上设置抗震设施。如图 26所示，摇摆桥墩分为三大部分：两端设置摇摆界面的独立桥墩、墩柱内竖向无黏结预应力索和墩底耗能装置。这是我国首次把外置可更换耗能装置的“非等同现浇”预制桥墩应用到实际桥梁工程中，为预制桥墩体系在中高烈度区桥梁的推广提供了借鉴，但针对外置可更换耗能装置“非等同现浇”预制桥墩的设计计算方法仍需要进一步的发展和完善。
图26 黄徐路桥“非等同现浇”预制桥墩的构造细节[88]
Fig.26 Details of the nonemulative precast piers in Huangxu Road Bridge
向具有更高刚度需求的桥梁拓展。我国铁路桥梁建设具有“量大面广”的特点，且高度标准化，符合桥梁快速施工的实施条件，为预制桥墩的使用提供了契机。事实上，从 50年代起，我国就在铁路建设中开始了采用装配式桥涵的尝试，在 60年代工点设计的基础上发展到 70年代在长大干线上成段全面采用装配式桥涵，但这些早期的装配式桥涵并未考虑抗震问题。在国外，如图 27所示，预制桥墩用于铁路桥的工程实例已有不少，多数处于低烈度区，抗震需求不高，新西兰Rangitikei高墩铁路桥处于高烈度区，利用桥墩在地震动作用下的向上提离并摇摆的作用来满足抗震需求[89]，但这种提离和摇摆的方式依赖于Rangitikei铁路桥是双柱墩，对独柱墩不太适用。面对我国震区分布广、高铁的平稳运行对桥墩刚度提出更高要求的现实情况，由中国铁路设计集团有限公司承担的中国铁路总公司重大课题《基于BIM的铁路工程节段预制拼装式桥墩关键技术研究》正在开展相关的技术研发，平衡更高刚度需求与快速拼装需求之间的矛盾，以期促进预制桥墩体系在我国铁路桥梁中的大面积推广应用。
图27 预制桥墩在铁路桥中的典型工程应用
Fig.27 Typical engineering application of precast piers in railway bridge
向具有更高使用寿命需求的桥梁拓展。预制桥墩体系具有快速施工的特点，在跨海大桥的建设中具有得体独厚的优势，在加拿大联邦大桥、我国东海大学、杭州湾大桥、港珠澳大桥中均有应用，其中加拿大联邦大桥和港珠澳大桥建造中使用了耐久性问题相比于现浇湿接缝连接形式更需要关注的“非等同现浇”预制桥墩，特别是港珠澳大桥设计使用年限为120年，对“非等同现浇”预制桥墩的耐久性提出了很高的要求。以港珠澳大桥为例，如图 28所示，为提高“非等同现浇”预制桥墩的耐久性，采用的措施包括[91]：施加预应力的直径75 mm高强螺纹钢筋进行了三层防腐设计，即采用热侵镀锌预应力粗钢筋、配置塑料波纹管并实施真空辅助压浆工艺、采用外加电流阴极保护系统；预制墩身使用耐久性混凝土；上下节段之间为带有剪力键与剪力槽的匹配干接缝，安装时在结合面喷涂环氧树脂。港珠澳大桥是国内首次使用“非等同现浇”预制桥墩的桥梁结构，为后续在近海侵蚀环境中采用“非等同现浇”预制桥墩体系建造跨海大桥积累了宝贵经验。值得注意的是，港珠澳大桥所属。地区需要进行8度抗震设防，受到近海侵蚀后“非等同现浇”预制桥墩的抗震性能如何，以及侵蚀程度对抗震性能的定量影响等科学问题仍需要进行深入地研究
图28 港珠澳大桥中预制桥墩的构造细节
Fig.28 Details of the precast piers in Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge
向具有更高环境保护需求的桥梁拓展。预制桥墩体系有助于减轻施工过程对周围环境的影响，用于城市桥梁建设可以缓解交通拥堵，减少城市扬尘，这方面的应用已经很多；用于自然环境保护区，可以最大限度地保护生态环境，这方面的应用相对较少，比较有代表性的工程实例为Linn Cove高架桥和Colorado大桥。如图29所示，1978年开始建造的Linn Cove高架桥[92]，位于美国北卡蓝岭风景区，是连接北部雪兰多国家公园和南部大雾山国家公园的蓝岭风景道的重要组成部分。2010年建成的Colorado大桥位于大峡谷国家公园内，比邻美国最高的水坝—胡佛水坝，新建桥梁本身也成为一道新的景观展现在游客眼前[41]。目前我国对自然环境保护高度重视，预制桥墩体系在穿越自然环境保护区的桥梁建设中将可能迎来应用的新天地。需要注意的问题在于，自然环境保护区多峡谷、湿地，在跨峡谷桥梁建设中将可能使用到预制高墩，关于预制高墩的抗震性能，仅台湾科技大学Wang等[42]开展过拟静力试验，其动力性能尚无研究，需要予以关注；在跨湿地桥梁建设中，可能涉及预制桥墩与软土地基在地震作用下的相关影响，这方面的研究还相对空白，需要开展相关性的研究。
图29 预制桥墩体系在自然环境保护区内的典型工程应用
Fig.29 Typical engineering application of precast piers in environment protection zones
6 结论
(1) 预制桥墩体系按抗震性能是否与传统意义的现浇桥墩保持相同或相似，可以分为“等同现浇”和“非等同现浇”两类，其中“等同现浇”预制桥墩又按照连接形式的不同分为套筒灌浆连接、波纹管灌浆连接、预留槽孔的灌浆连接、承插式连接、现浇湿接缝连接；“非等同现浇”预制桥墩按照有无专门耗能装置可分为两类。
(2) 采用套筒灌浆连接、波纹管灌浆连接、预留槽孔的灌浆连接、承插式连接、现浇湿接缝连接的“等同现浇”预制桥墩，通过设置良好的构造措施可以实现等同现浇桥墩抗震性能的目标，不同连接方式在现场湿作业量、施工速度、对施工安装精度要求等方面存在一定差异，应根据工程实际需要，妥善进行选择。
(3) “非等同现浇”预制桥墩通常采用后张预应力的连接形式，具有接缝处混凝土无受拉损伤和自复位能力两大优势。为提高耗能能力，可将“等同现浇”预制桥墩的连接与后张预应力一同使用，形成混杂型连接形式，兼顾耗能能力和自复位能力。
(4) 恰当利用高性能材料能够有效提高预制桥墩体系的抗震性能：UHPC具有高强度、高延性特性，可用于制作预制桥墩的塑性铰区，UHPC与钢筋之间具有超高的粘结强度，可用作灌浆料使用；FRP具有轻质、高强、耐腐蚀特性，既可作为塑性铰区外包材料为核心区混凝土提供约束力，又可作为耐腐蚀的预应力筋使用提供后张预应力；SMA发生塑性大变形也能自动恢复到受力前状态，代替钢筋用于塑性铰区能够实现良好耗能能力和自复位能力的双重目标。
(5) 预制桥墩体系为实现韧性抗震理念提供了重要的结构载体，利用内置机械连接耗能钢筋和外置可更换耗能装置两种方式，可以将预制桥墩体系发展成为符合韧性抗震理念的震后可恢复桥墩。
(6) 预制桥墩体系在更高抗震需求、更高刚度需求、更高使用寿命需求、更高环境保护需求4类桥梁中具有良好的应用前景，同时也带来了一些新的课题：关于发展成为具有震后可恢复功能的预制桥墩，相关的设计计算方法尚未形成；在高速铁路桥梁中使用预制桥墩，需要平衡更高刚度需求与快速拼装需求之间的矛盾；近海大桥使用预制桥墩，受到近海侵蚀后预制桥墩的抗震性能以及侵蚀程度对抗震性能的定量影响等都需要进行研究；跨峡谷桥梁建设中可能使用到的预制高墩的抗震性能，以及在跨湿地桥梁建设中可能涉及的预制桥墩体系与软土地基在地震作用下的相关影响，也需要开展相关的研究。
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