大直径镀锌金属波纹管在装配式接口中的运用

陈文尹

(中铁四局集团第七工程分公司，安徽 合肥 230022)

0 引 言

我国桥梁建造正在步入全装配式时代[1]，即从上部主梁装配式施工发展到下部桥墩装配式施工。传统的以人工绑扎、现场浇筑为主的桥梁建造方式主要存在以下一系列问题:现场施工作业需要大量劳动力，作业环境差，施工效率低；大型桥梁结构现场施工占用施工场地大，施工周期长，对周边交通等影响大；现场施工容易产生粉尘、泥浆、噪声和光污染，环境因素干扰大，难以满足社会公众对文明施工的要求;施工监控管理难度大，管理效率低;粗放型施工模式导致行业整体能耗高，浪费严重。

装配式桥墩常用的连接方法有承插式后浇连接、灌浆套筒连接、灌浆波纹管连接等连接等方法。装配式桥墩关键技术难点在于节点连接构造的合理性和受力的可靠性。目前，桥梁上部结构的预制施工工艺相对成熟，在保证工程质量的前提下，寻求一种拼装化、快速化、集约化的桥梁下部结构预制建造施工工艺尤为重要。

1 工程概况

京台高速公路泰安至枣庄(鲁苏界)段改扩建工程沿既有公路加宽，起自京台高速与青兰高速交叉的泰山枢纽，向南经泰安市岱岳区、宁阳县，济宁市曲阜、邹城，枣庄市滕州、薛城区，济宁市微山县，枣庄市峄城区、台儿庄区，止于鲁苏两省交界的台儿庄区张山子镇南的省际收费站。该桥1-16、20-34号桥墩的下部(墩柱和盖梁)采用预制拼装的方案，其中墩柱为φ1 400 mm的圆形墩柱，每4根墩柱组合1榀预制盖梁，预制墩柱顶部预留钢筋与盖梁采用承插预留孔连接，每根墩子端部与现浇承台采用承插式连接。本文研究的15号墩预制墩柱与现浇承台之间采用了应用大直径镀锌金属波纹管的承插式连接。结构示意图如图1所示。

图1 装配式桥墩三维模型

该扩建项目的实施，可极大地提高国家运输主通道的通行能力，对于完善国家和山东省高速公路网络，提升公路安全水平，适应交通量不断增长，加快构建现代综合交通运输体系，促进区域经济发展具有重要意义[2]。

2 大直径镀锌金属波纹管接口施工关键工艺流程

本工程中的ZK531+406.5兖南公铁立交桥位于分离左线新建路段，分离加宽。该桥1-16、20-34号桥墩的下部(墩柱和盖梁)采用预制拼装的方案。预制拼装施工的主要步骤如下：

(1)预制桥墩，底部设置148 cm高的金属波纹管；在墩底预埋φ50 mm的PVC管(长度20 cm)，并在预制墩顶、底做好定位标记和定位措施。

(2)预制盖梁，按照墩柱主筋位置预埋金属波纹管。

(3)复测旧桥高程及平面位置，核实桩位后，进行钻孔、就位钢筋笼、浇筑桩基，环切破碎桩头。

(4)绑扎系梁钢筋，承台内侧设置大直径金属波纹管，浇筑系梁和部分承台，在承台中心处按高程设置墩底支座支撑面，设支撑钢板；并在承台上标记墩柱定位用十字线。

(5)吊装预制桥墩，利用定位标记进行就位，并旋转墩柱使墩柱主筋位置与设计位置一致；利用墩柱四周4个千斤顶临时固定墩柱并微调竖直度。

(6)采用高强砂浆灌注承台和墩柱之间的空隙，达到设计强度后拆除千斤顶等临时支撑措施；灌缝或胶封墩柱下端预埋的PVC管孔。

(7)吊装就位预制盖梁并调整盖梁位置至设计位置；安装柱顶钢围挡，然后向墩顶与盖梁间灌入高强无收缩灌浆料，直至从盖梁顶排浆管道溢出。

(8)施工盖梁顶支座垫石，桥墩施工完成。

施工工艺流程见表1。

表1 施工工艺流程

3 有限元分析

采用土木结构仿真分析软件MIDAS FEA 建立盖梁-桥墩-承台-桩下部结构体系的实体单元空间计算模型。盖梁及墩柱材料为C40混凝土，承台及桩基材料为C30混凝土，预制墩柱与承台间采用C50混凝土灌缝，波纹管材质为Q345钢板，钢板厚度2mm，墩柱钢筋笼由纵筋HRB400和箍筋HPB300组成。

边界条件为桩底固结，不考虑承台及桩基侧面土摩擦力，分别建立现浇体系和装配体系下的有限元模型，有限元模型如下图2和图3所示。有限元模型中，单元类型和材料参数见表2所示。

图2 现浇体系下部结构模型

图3 装配体系下部结构模型

表2 单元类型和材料参数

绘制荷载-位移曲线，横坐标表示加载步骤(共分10步加载，每步施加荷载4 200 kN，最终施加荷载至42 000 kN)，纵坐标表示位移，如图4所示。

图4 荷载-位移曲线

由图4可以看出，在不同荷载作用下，预制结构和现浇结构的最大位移值均较接近,随着荷载增加，位移呈线性增长。

绘制荷载-应力曲线，如图5所示。

图5 荷载-应力曲线

由图5可以看出，不同荷载作用下，预制结构和现浇结构的最大应力值均较接近，且随着荷载增加，应力呈线性增长。

分别对预制结构和现浇结构进行应力分析(应力云图如图6和图7所示)，结果表明，在不同等级竖向荷载下，采用大直径镀锌金属波纹管的装配式结构的应力状态与变形状态均与现浇结构相似，可以认为其承受竖向荷载的能力等同于现浇结构。

图6 预制结构混凝土应力云图

图7 现浇结构混凝土应力云图

4 现场实施效果

墩柱安装检查指标见表3。采用大直径镀锌金属波纹管的承插式后浇连接方法，相对于传统承插式连接方法，具有施工精度要求相对比较低、施工工序简单、现场作业量少的优点，同时金属波纹管的应用提高了界面结合强度，整体性好，概念清晰，操作方便。通过工程实践可得出以下结论：

表3 墩柱安装指标

(1)采用大直径镀锌金属波纹管的承插式连接方法可以满足装配式快速施工的需要。

(2)墩柱和承台采用金属波纹管连接可以提高界面结合强度，整体性好。

(3)现浇混凝土承台和预制混凝土墩柱的承插式连接在恒定垂直荷载作用下有较好的受力性能。

5 结束语

本文结合京台高速公路泰安至枣庄(鲁苏界)段改扩建工程，采用空间有限元软件，分别建立了装配式下部结构模型和现浇下部结构模型，对比了预制建造和现浇施工桥墩的位移和应力状态。结果表明，采用大直径镀锌金属波纹管进行装配式下部结构施工可以达到在竖向荷载下达到等同现浇的效果。本文介绍的采用大直径镀锌金属波纹管进行装配式下部结构施工的主要步骤可供今后类似工程参考。