城市桥梁墩柱预制拼装关键技术研究

2016-09-27王晓峰

中国新技术新产品 2016年15期

关键词：墩身墩柱波纹管

王晓峰程明

（河南省交通科学技术研究院有限公司，河南郑州 450000）

城市桥梁墩柱预制拼装关键技术研究

王晓峰程明

（河南省交通科学技术研究院有限公司，河南郑州 450000）

预制拼装下部结构技术广泛被应用于跨海大桥中，但是在城市桥梁的建设过程中并没进行应用，为了对城市桥梁的建筑问题予以妥善解决，突破当前困局，必须对预制拼装技术进行系统研究。

城市桥梁；桥梁墩柱；预制拼装

现阶段，城市桥梁在我国建造情况仍然是以现场浇筑和人工绑扎的下部结构为主，其中存在的弊端也逐渐显现出来，比如施工的时间较长、劳动力的需求过大，不仅会影响道路交通，还会对社会产生一定程度地影响，如噪声、粉尘和灯光等，都会对环境产生较大程度的干扰，因此无法符合文明施工的标准。除此之外，粗放式的施工使得整个行业都拥有较高的能耗，对城市施加了更大的压力，应当对上述的问题进行妥善地解决。

一、预制拼装技术

国内外的工程设计人员和研究人员根据工程的施工环境、条件以及桥梁类型的特点等方面，对于预制拼接技术中连接墩柱的构造进行了多种类型的提出，其主要的连接结构有以下几种：后张预应力筋精轧螺纹钢绞线（有黏结）、湿接缝连接（焊接钢筋）、承插和插槽混合连接自己波纹管和灌浆套管连接。通过以上几种方法连接墩柱、墩身、盖梁和承台，运用环氧胶或砂浆垫层对接触面进行拼装。根据相关的调查和试验，对几种连接方式进行比较，并将国内的接受理念程度和实际的应用经验纳入考虑范围，我国的桥梁连接可以选择波纹管和灌浆套筒连接进行深入研究。

后张预应力筋精轧螺纹钢绞线（有黏结）：此结构通常情况下是联合环氧胶或砂浆垫层建造节段端柱。预应力筋一般采用的是精轧螺纹钢，此结构的特点是在接缝中通过预应力筋，其力学特性如强度和刚度具有可靠性，在实际的工程当中广泛应用，其施工的技术、设计和计算分析都较为成熟。但是其中也存在着不足之处，主要是在配备预应力筋的基础上还要进行构造配筋的布置，提高了墩身造价，工艺较为复杂且周期长。

湿接缝连接（焊接钢筋）：在进行墩柱的预制拼装时，需要预先伸出钢筋，便于搭接邻近构件的预留钢筋，设置临时的支撑结构，需要浇筑混凝土在连接钢筋的部位进行湿接缝连接。我国在进行建筑上海长江大桥的过程中使用了湿接缝连接，湿接缝构造也是当前我国使用较为频繁的设计思路，此结构的力学性能类似于现浇混凝土的传统方式。但是湿接缝会使得施工周期加长，并增加作业量，从施工速度的层面考虑，该结构存在不足之处。

承插和插槽连接：插槽式的连接目前已经应用于部分桥梁工程，其主要是对承台和桩、墩身和盖梁进行连接，相较于灌浆套筒和波纹管连接，其优势是施工公差较大，在施工的现场需要进行混凝土的浇筑，周期大致为两天。承插式的连接是将墩身在预留孔内进行插入，其长度通常为1.2～1.5倍的墩身截面，将砂浆在其底部铺设，使用混凝土（半干硬）对其周围进行填充，其优势是工序简单且作业量少，缺点是其力学行为不足，且抗震能力仍需研究。

波纹管连接：波纹管连接通常是用于连接墩身与承台和盖梁，通过承台和盖梁内的金属波纹管与墩身的钢筋进行连接，常采用的墩身与承台和盖梁的接触面是砂浆垫层，而墩身之间的接缝使用的是环氧胶。此结构类似于灌浆套筒，经过一天的现场施工即可进行后续的施工环节，但是其伸出的钢筋要求长度较长，必须符合锚固长度。现阶段，国外的一部分桥梁采用此结构进行施工，由于其抗震的能力仍需研究，因此地震多方区域很少使用此结构。

灌浆套管连接：预制的墩身伸出的钢筋可以使用灌浆套筒进行连接，通常采用的墩身与承台和盖梁的接触面是砂浆垫层，而墩身之间的接缝使用的是环氧胶。其结构的主要特点是对施工的精度有较高的要求，现场施工周期短且工作量较小。相较于后张预应力筋的结构，其成本投入较低，略微高于现浇混凝土的传统方法。在正常的使用过程中，其力学性能接近现浇混凝土的传统方法，所以其在经济方面具有一定的优越性，但其抗震的能力仍需进一步研究。

二、技术研究

（一）设计连接构造

灌浆套筒：在设计灌浆套筒的过程中，其理念是利用强度高且不发生收缩的灌浆料（水泥）在套筒和钢筋之间缝隙进行填充，待其硬化后就是连接的接头，此结构就是将力在钢筋之间进行传递。

波纹管：在设计波纹管的过程中，其理念就是利用强度高且不发生收缩的灌浆料（水泥）在波纹管和钢筋之间缝隙进行填充，带起硬化后就是锚固构造。

（二）构造研究及力学性能研究

力学指标：无论是波纹管还是灌浆套筒都需要符合两个力学指标，其一，钢筋技术规程中所提出的最高级的连接标准，Ⅰ级接头的标准，且当钢筋出现断裂情况时，其断裂处都距离连接部位较远；其二，在地震灾害的强烈影响下，尽管构件彻底失望承载抗推的能力，其中的钢筋要不能相对于周边灌浆体产生滑移。

强度高的不发生收缩的灌浆料（水泥）：此灌浆料的集料就是高强度的材料，结合剂选用的是水泥，选择的辅助材料具有防离析、微膨胀和高流态等特点，灌浆料由集料、结合剂和辅料配制而成。在现场施工的过程中，加入适量的水进行均匀地搅拌，在波纹管或套筒与钢筋之间的缝隙内进行填充。根据力学指标，灌浆料必须满足相应的力学标准，见表1。

表1　无收缩性且强度高的灌浆料（水泥）相关指标参数

（三）地震灾害中的设计研究

拟静力法制作模型：针对构造进行了10组加载试验，通过拟静力循环试验对墩柱的抗震能力进行研究，并与传统的桥梁墩柱（现浇混凝土）进行抗震能力的比较。模型的选取比例为1∶3，混凝土的型号选用C30（承台）、C40（桥墩）、C50（盖梁），立柱主筋（纵向）采用钢筋为HRB400，直径为40mm。

构件加载：加载模型的装置选用的是竖向载荷，采用100t工作吨位的两台前进的进行施加，并且通过一个传感器对千斤顶的同步加载进行控制，反复推拉的水平荷载采用作动器进行施加，作动器的吨位为1500千牛，电液伺服其位移行程。试件同时承担了循环的单轴水平加载和轴压，直到试件无法承受而损坏，加载制度采用位移控制，加载频率和采样频率分别是0.01Hz和5Hz，当每级位移达到最大值时持载，对损坏的现象进行观察和标记，直至试件强度降至最大值的80%时，停止加载。

结果分析：对10组试验的各类指标如耗能能力、滞回性能等进行对比和分析，可以得出以下结果。其一，相较于传统的钢筋混凝土，套筒预制拼装结构与其在耗能和变形能力以及滞回性能方面较为接近，能够满足要求的抗震能力。其二，试验表明，在箍筋约束情况良好时，试件都为弯剪破坏，且弯曲为主，未见显著的剪切破坏，其中含有预应力筋矮柱的试件在即将破坏时，在其接缝处产生了滑移现象，通过对高墩和矮墩的立柱进行试验，结构表明在相同的箍筋和纵筋结构下，高墩立柱不产生剪切脆性破坏。其三，墩身内的套筒，相较于普通的桥墩，其塑性铰区的破坏存在一定差异，有两个破坏面分别在套筒的顶部和底部承台交汇处，在其高度的范围内，损伤并不严重。其四，相较于传统的钢筋混凝土，波纹管预制拼装结构与其在抗震能力方面不存在较大差异，通过比较两者的试验结果，其抗震性能接近，能够满足要求的抗震能力。