高強(qiáng)預(yù)制管墩結(jié)構(gòu)設(shè)計方案施工技術(shù)

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摘要：文章結(jié)合國內(nèi)外預(yù)制裝配式橋梁發(fā)展的趨勢，總結(jié)了國內(nèi)外使用離心法預(yù)制高強(qiáng)管墩作為下部結(jié)構(gòu)的裝配式橋墩抗震性能研究進(jìn)展，并探討了目前投入工程使用的承插式連接、灌漿波紋管連接施工控制要點，以推動該形式結(jié)構(gòu)的發(fā)展和推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：離心法預(yù)制；承插式連接；灌漿波紋管；施工控制

引言

當(dāng)前，新的高速鐵路網(wǎng)、高速公路網(wǎng)、城市交通網(wǎng)、交通設(shè)施等一大批工程項目的開工興建，為橋梁建設(shè)提供了巨大的市場和平臺，也要求橋梁建設(shè)在保證施工質(zhì)量的前提下能夠縮短工期，提高建設(shè)速度，以回應(yīng)市場對橋梁建設(shè)能力的迫切需求。預(yù)制裝配式橋梁因其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)點，逐漸成為全球范圍內(nèi)土木工程師的研究熱點，尤其是橋墩預(yù)制裝配化更是其中的關(guān)鍵所在。目前由于受到車道寬度、抗震烈度、施工場地、設(shè)備及工藝的限制，下部結(jié)構(gòu)研究相對上部結(jié)構(gòu)要滯后許多，其中預(yù)制拼裝接縫既要結(jié)構(gòu)簡單便于拼裝，又要安全、耐久，尤其其抗震性能是設(shè)計和施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著工業(yè)化水平的不斷提高，采用離心法預(yù)制的高強(qiáng)管墩的出現(xiàn)為上述問題提供了一種解決方法。

1國內(nèi)外預(yù)制管墩結(jié)構(gòu)研究概況

目前裝配式下部橋墩新形式層出不窮，采用不同連接方式形成的預(yù)制橋墩在抗震方面的性能相差較大，因此給了工程師更多的空間，可以結(jié)合具體的抗震需求選擇合適的預(yù)制橋墩體系以滿足工程抗震需要。隨著工廠預(yù)制技術(shù)的成熟，原有用于地基處理的PHC管樁逐漸應(yīng)用了更大的直徑，使得PHC用于橋梁墩柱成為可能，其生產(chǎn)工藝與PHC管樁基本相同，對于新建橋梁，不僅不需要建設(shè)墩柱的預(yù)制場地，還可以采用蒸汽養(yǎng)生、機(jī)械加工等各種工業(yè)化手段迅速大規(guī)模生產(chǎn)，質(zhì)量得以有效控制。目前工程采用的管墩直徑一般＞1m，混凝土強(qiáng)度采用C70。針對該種新型結(jié)構(gòu)，目前國外未見類似的文獻(xiàn)資料，國內(nèi)代表性的研究有：合肥工業(yè)大學(xué)陳金彪等［1］提出了預(yù)制杯口連接的預(yù)制墩連接方式，并進(jìn)行了現(xiàn)場原位測試試驗，結(jié)果表明預(yù)制空心橋墩在墩底和橋臺連接部位最終的破壞形態(tài)均為彎曲破壞，墩底杯口頂面上方連接區(qū)段受拉區(qū)混凝土開裂，試驗墩柱因為杯口約束，出現(xiàn)了明顯的塑性鉸上移，與現(xiàn)場試驗一致，采用梯形剪力齒連接方式的預(yù)制橋墩墩柱與承臺的連接錨固性能更優(yōu)，該方案已經(jīng)成功在濟(jì)祁高速公路淮合段淮河特大橋進(jìn)行了工程應(yīng)用。如圖1所示。2019年丁怡宣等人提出了預(yù)制混凝土橋墩內(nèi)嵌式法蘭拼裝方案（見圖2）。通過研究法蘭位于不同區(qū)域的性能，得出法蘭位于墩柱塑性鉸區(qū)以外時，墩柱力學(xué)性能與現(xiàn)澆墩柱性能較為一致的結(jié)論［2］。同濟(jì)大學(xué)徐艷等［3］研究了離心管墩對于承插深度的影響，試驗設(shè)計了5個構(gòu)件，承插孔壁應(yīng)力分布承插深度有0．7D、0．5D、1．0D、1．5D，研究結(jié)果表明承插深度對于橋墩抗震性能的影響不大，承插深度主要影響的是承插孔壁的應(yīng)力分布，其中0．7D最接近現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，同時可以參照嵌巖樁嵌入基巖的深度給出可參考的最小合理承插深度。上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)岳文超等［4］研究了承插式離心管墩與承臺承插式連接的力學(xué)性能，承插式連接示意圖見圖3。研究表明在承插深度［0．5D，1．5D］范圍內(nèi)，裂縫發(fā)生都是在墩身，與現(xiàn)澆墩類似。增大配箍率可以有效緩解塑性鉸區(qū)的過早破壞。在設(shè)計豎向荷載作用下，水平承載力能全部發(fā)揮的最小臨界深度是0．5D。設(shè)置了鋸齒構(gòu)造后，構(gòu)件接縫處摩擦力越大，結(jié)構(gòu)延性越好，其中鋸齒構(gòu)造對豎向承載力提供約40％，底板厚度對豎向承載力提供約60％，承臺底板厚度增加5cm，構(gòu)件豎向承載力提高5％左右。湖北交投的左光恒［5］設(shè)計了2個相似比為1∶2的試驗試件，進(jìn)行擬靜力試驗研究，結(jié)果表明，承插式管墩的損傷集中在橋墩與承臺交界處，承插式結(jié)構(gòu)抗震性能與現(xiàn)澆類似。該種承插式結(jié)構(gòu)在湖北江北高速公路進(jìn)行了實際的應(yīng)用。河北榮烏高速張六莊大橋采用直徑1m的離心法生產(chǎn)的管墩作為下部結(jié)構(gòu)，預(yù)制管墩的混凝土強(qiáng)度采用C70，上部結(jié)構(gòu)采用12m跨度π形梁結(jié)構(gòu)，蓋梁和承臺與高強(qiáng)管墩的連接均采用了灌漿波紋管，為國內(nèi)首創(chuàng)的結(jié)構(gòu)形式。

2高強(qiáng)預(yù)制管墩施工控制要點

采用高強(qiáng)預(yù)制管墩的裝配式橋梁一般采用現(xiàn)澆承臺、預(yù)制蓋梁的方式進(jìn)行施工，為了達(dá)到設(shè)計意圖，施工過程中常規(guī)的混凝土澆筑、養(yǎng)生等與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本一致，主要需要在以下幾個方面重點關(guān)注。

2．1離心法預(yù)制高強(qiáng)管墩的工廠質(zhì)量控制要點

離心法生產(chǎn)混凝土制品由來已久，但因為其工藝固有的缺點以致在生產(chǎn)高強(qiáng)管墩時必須高度重視，由于目前研究的管墩連接方式以灌漿波紋管和承插式為主，需要預(yù)留一定長度的鋼筋，以防止混凝土離析，進(jìn)而影響墩柱混凝土整體抗壓強(qiáng)度，并保證鋼筋定位的準(zhǔn)確，防止鋼筋籠在離心力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，進(jìn)而影響后期預(yù)留鋼筋與灌漿波紋管的連接。為了避免上述問題，應(yīng)做到：（1）離心速度采取前期勻速、中期中速、后期高速，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速不宜太大，成型即可，并需控制離心的轉(zhuǎn)速和時間，這樣混凝土分層現(xiàn)象就得到了解決，同時根據(jù)相應(yīng)的厚度來制定相應(yīng)的工藝，解決了管墩主筋不同軸、保護(hù)層合格率偏低、端頭混凝土不密實等問題；（2）鋼筋的相對位置控制必須采用特制的管模讓鋼筋穿過，保證內(nèi)芯管模與外模固定裝置不低于3個，從而保持管模相對位置固定，進(jìn)而保證縱向鋼筋不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

2．2錨固波紋管施工控制要點

下部采用承插式連接、上部采用灌漿波紋管連接，但采用單獨(dú)蓋梁的設(shè)計方案（安徽方案）可以大幅降低施工難度，波紋管定位偏差可以通過承插口進(jìn)行調(diào)節(jié)。相對復(fù)雜的是湖北和河北方案，需要同時定位不少于兩個墩柱的40～60根波紋管，以保證施工正常進(jìn)行。為了保證預(yù)留波紋管能夠準(zhǔn)確定位，不論蓋梁還是承臺都必須使用內(nèi)襯式定位胎具保證其位置準(zhǔn)確，蓋梁波紋管定位時要在臺座上設(shè)置波紋管定位卡具，在模板上設(shè)置內(nèi)襯式波紋管定位胎具，利用經(jīng)過匹配的加工胎、卡具確保波紋管位置準(zhǔn)確。錨固金屬波紋管的安裝定位允許偏差為±2mm，同時應(yīng)采取有效措施防止管道發(fā)生堵塞，在構(gòu)件拆模完成后，應(yīng)全數(shù)檢查灌漿金屬波紋管內(nèi)腔是否干凈通暢，如有漏漿或雜物應(yīng)及時清理。金屬波紋管應(yīng)該與箍筋進(jìn)行綁扎而不得采用焊接，并且在金屬波紋管灌漿孔以下設(shè)置一道箍筋。定位完成后，要進(jìn)行承臺與墩柱接觸面的處理，并進(jìn)行機(jī)械鑿毛，鑿毛面凹凸深度≥6mm。

2．3預(yù)制墩柱的吊裝就位控制

承臺和蓋梁達(dá)到混凝土齡期以后吊運(yùn)安裝高強(qiáng)預(yù)制管墩，由于高強(qiáng)管墩為空心結(jié)構(gòu)，一個直徑為1m、高度為6m的空心墩柱質(zhì)量僅僅7．5t左右，采用50t以上的汽車吊均可以完成作業(yè)。需要注意的是在安裝前由測量員放出墩柱中心點，在四周定出邊緣線并采用墨線等措施標(biāo)記，作為墩柱邊緣控制點，允許誤差控制在±10mm。然后采用定制的帶操作臺的鋼托架起吊，采用合理措施保證側(cè)壁混凝土不受損傷。將高強(qiáng)預(yù)制管墩吊起，墩柱放置于承插口中或者承臺上，再根據(jù)測量放線放出的外部圈線使用小型千斤頂進(jìn)行平面位置微調(diào)。垂直度控制采用2臺交叉90°經(jīng)緯儀或者全站儀雙向控制。將經(jīng)緯儀和全站儀沿垂直方向上下觀測，使用小型千斤頂調(diào)整墩身，使墩身邊線垂直，最后可以采用垂直儀進(jìn)行垂直度校核，預(yù)制墩柱拼裝垂直度誤差一般控制在0．5％左右。

2．4預(yù)制蓋梁的安裝控制

結(jié)合上述的結(jié)構(gòu)分析，預(yù)制蓋梁一般分為兩種，一種是獨(dú)立蓋梁，即一個墩柱一個蓋梁，另外一種是傳統(tǒng)蓋梁，多柱共用。多柱共用的預(yù)制蓋梁的安裝難度較大，設(shè)備一般選用2臺噸位較大的履帶吊抬吊，以便于調(diào)節(jié)蓋梁的橫坡，蓋梁從上往下穿導(dǎo)向管進(jìn)行安裝。安裝工藝流程為：拼接面鑿毛、清理→安裝參數(shù)復(fù)測→鋪設(shè)擋漿模板→拼接縫界面處理→鋪設(shè)砂漿墊層→蓋梁吊裝就位→精確調(diào)節(jié)、蓋梁就位→金屬波紋管灌漿。蓋梁的拼裝精度與承臺一致，也選擇千斤頂來調(diào)整標(biāo)高和垂直度，精度可以按下列指標(biāo)進(jìn)行控制：頂面高程允許偏差±5mm，軸線位置偏差≤10mm，高強(qiáng)管墩垂直度控制≤0．5％H且≤5mm。

3結(jié)語

離心法預(yù)制高強(qiáng)管墩是裝配式橋梁中一種新型的下部結(jié)構(gòu)形式，其生產(chǎn)方式完全地工廠化、預(yù)制化，不僅可實現(xiàn)對工程成本、質(zhì)量以及工期的有效控制，還具有不錯的生態(tài)效益，這也與我國提倡綠色工程的大趨勢相符。本文梳理了國內(nèi)外對于高強(qiáng)預(yù)制管墩結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合目前已經(jīng)實施的工程項目經(jīng)驗，對施工控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一定深度的探討，可為今后將離心法預(yù)制高強(qiáng)管墩應(yīng)用于橋梁下部結(jié)構(gòu)安裝起到指導(dǎo)和借鑒作用，有利于推動該類型預(yù)制裝配橋梁技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

［1］陳金彪．裝配式橋梁預(yù)制空心橋墩與承臺連接性能的研究與應(yīng)用［D］．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017．

［2］丁怡宣，曾玉昆，韓軍峰，等．法蘭連接預(yù)制裝配橋墩力學(xué)性能分析［J］．自然災(zāi)害學(xué)報，2019，28（4）：40－51．

［3］徐艷，曾增，葛繼平，等．承插式預(yù)制拼裝橋墩的最小合理承插深度［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，47（12）：1706－1711．

［4］岳文超．承插式離心管墩與承臺連接力學(xué)特性研究［D］．上海：上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，2020．

［5］左光恒，黃遵義，曾玉昆，等．承插式連接離心預(yù)制管墩抗震性能試驗研究［J］．結(jié)構(gòu)工程師，2020，36（5）：95－100．

作者：李玉 單位：中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司