半装配式RUHPC-RC组合桥墩设计与施工方法研究

2024-01-02胡玉库周娉婷欧智菁黄俤俤

湖南交通科技 2023年4期

胡玉库, 周娉婷, 欧智菁, 黄俤俤

(1.福建省公路事业发展中心，福建福州 350001； 2.福建工大岩土工程研究所有限公司，福建福州 350014；3.福建工程学院土木工程学院，福建福州 350118)

0 引言

桥梁预制拼装技术是我国桥梁工程领域的发展方向之一，其顺应我国建筑工业化建设背景，具有构件标准化(模块化)生产、质量易于控制、节省材料、外观质量和耐久性好、施工快速等特点，符合国家提倡的低碳、绿色、环保理念，特别适用于救援工程、市政工程等[1-4]。与此同时，桥梁的耐久性已引起工程界的广泛重视，当前大量传统RC桥墩出现严重腐蚀、冲刷等病害，亟需能实现墩身有效防护的新结构。半装配式RUHPC-RC新型组合桥墩，以预制的RUHPC(配筋的超高性能混凝土)为模板，内浇普通钢筋混凝土，形成半装配式的RUHPC-RC组合桥墩。与传统的钢筋混凝土桥墩相比，新型半装配式RUHPC-RC组合桥墩采用强度高、耐腐蚀、抗裂能力强的预制RUHPC，能显著提高桥墩的耐久性、抗裂能力等受力性能[5-7]，且预制RUHPC节段便于现场拼装，无需拆模，施工快速，适合于中等跨度和墩高的市政桥梁和公路桥梁，尤其适用于跨海大桥或处于恶劣环境条件(陡坡、深水等)下的山区桥梁，预期可大幅度降低桥墩的养护成本和全寿命周期造价，绿色环保，具有较广阔的工程应用前景。

近年来，国内外研究者结合实际工程对UHPC组合柱开展了受压性能和抗震性能试验研究。研究发现，未配筋的UHPC预制管混凝土组合柱，在轴压作用下，其UHPC外套因裂缝扩大而撕裂导致与核心混凝土分离，不能充分发挥组合柱的整体受力优势[8]。因此有部分学者提出对UHPC预制管进行适量配筋布置，东南大学彭振[9]进行了高强箍筋增强UHPC管组合圆柱的轴压试验研究，试验结果表明，由于高强箍筋和UHPC管的共同作用，使得荷载-应变曲线得以再次发展，峰值荷载、延性等都有明显提升。华南理工大学杨医博等[10]为研究提升混凝土结构的耐久性，对配筋UHPC作为短柱的免拆外模开展轴压试验研究，结果表明配筋UHPC方柱和圆柱的开裂荷载均超过自身极限荷载的85%，抗裂性能较强，延性较好，刚度提升。从方柱和圆柱破坏形式对比分析可知，圆柱在受力性能方面更优，更适合于实际工程的应用。Ichikawal等[11]对节段UHPC预制壳壁加固RC组合墩开展了双向拟静力试验，结果表明组合墩形式能明显提高极限承载力、延性和耗能能力。福建工程学院颜建煌[12]针对配筋UHPC预制管混凝土组合墩柱，以UHPC预制管配箍率、偏心率、长细比等为试验参数，进行了组合柱的轴压和偏压试验研究，探讨了组合柱的轴偏压受力性能、套箍作用和破坏模式等，并结合有限元参数分析结果，研究了各参数对组合柱承载力的影响规律，建立了适合工程应用的配筋UHPC预制管混凝土组合柱极限承载力实用算法。

综上所述，国内外学者对该类组合柱的静动力性能和承载力算法等开展了一系列理论研究，并取得相应进展，但关于RUHPC-RC组合桥墩的施工方法和关键施工技术尚未有深入研究，未总结施工工法，这给实际工程应用带来一定困难和风险，为此本文以某跨海大桥为依托工程，对其引桥墩柱结构进行试设计，并重点研究组合桥墩结构的材料选择、施工流程和工艺要求，为今后同类工程施工提供有益参考。

1 工程概况与试设计

1.1 工程背景

某跨海大桥全长4976m，设计速度为80km/h，双向四车道，采用公路I级设计荷载。本文以其引桥桥墩为背景，桥跨布置为8×(4×50)m+2×(5×50)m。桥墩形式为实体花瓶墩，尺寸为6.0 m×2.0m，采用现浇C40海工混凝土；桥墩基础形式为钻孔灌注桩，采用C35海工混凝土浇筑。

1.2 组合墩试设计

以该跨海大桥为依托工程，进行引桥的组合桥墩试设计。根据文献[12]轴压和偏压试验研究结果，圆形截面RUHPC预制管混凝土组合桥墩在受压过程中，预制管对核心混凝土发挥了较明显的套箍作用，同时柱墩采用圆形截面，其水流特性最佳、受力性能最优，因此试设计采用圆形截面桥墩。

RUHPC-RC组合桥墩墩高为6 m，分为两节段，采用上下错缝接头，外径设计为300 cm，UHPC模板壁厚设计为10 cm，UHPC抗压强度选取120 MPa，核心混凝土标号为C30。组合墩内(RUHPC预制管和RC柱)箍筋为C10@100，且两端箍筋加密；纵筋为36C28，混凝土保护层厚度为20 mm，组合桥墩横截面如图1所示，设计参数建议取值范围见表1。

图1 组合桥墩试设计构造(单位：cm)

表1 组合桥墩试设计参数建议取值范围参数类型UHPC强度等级/MPaRUHPC管厚度/cm纵向钢筋直径/mm箍筋直径/mm配箍率/%建议范围120～1608～1226～328～120.5～2.6试设计取值1201028100.5

1.3 组合桥墩受力机理

对RUHPC-RC组合桥墩试件轴偏压试验研究和理论分析成果进行梳理和总结，具体如下：

1)RUHPC-RC组合桥墩试件在轴压作用下的破坏模式主要表现为中上部RUHPC保护层局部剥落、构造钢筋屈服；从顶部观察RUHPC预制管与核心混凝土之间的结合面完好，两者共同受力，构件整体破坏且核心混凝土未出现明显的压碎现象。

2)RUHPC-RC组合桥墩试件在受压前期，RUHPC预制管对管内核心混凝土的约束效应不明显，随着荷载增大至极限承载力的80%～90%时，组合材料的泊松比逐渐大于0.2且不断提高，说明受力中后期RUHPC预制管对内部混凝土的紧箍效应开始发生作用，且不断增大。组合桥墩的极限承载力大于RUHPC预制管受压承载力与核心混凝土受压承载力之和。

1.4 组合桥墩承载力验算

福建工程学院陈玮悦等[13]进行了半装配式RUHPC-RC组合墩柱的承载力试验研究，分析了组合柱的受压性能和破坏机理，在试验研究基础上，结合有限元拓展参数分析结果，提出了适合工程应用的半装配式RUHPC-RC组合墩柱承载力的计算方法，如式(1)～(6)。以1.2节中的试设计桥墩为计算对象，采用上述方法进行承载力验算，组合桥墩的极限承载力高于受压组合设计值，符合验算要求。

轴压柱极限承载力：

Nu=R(Nc+NUHPC)

(1)

Nc=0.9(cΑc+′yA′s)

(2)

NUHPC=Aufu

(3)

(4)

偏压柱极限承载力:

Ne=φeNu

(5)

(6)

可得

Nu=R(Nc+NUHPC)=1.06×

(1.23×105+2.01×104)kN=

1.52×105kN

e0/rc=0.173<1.55

Ne=φeNu=0.757 5×1.52×105kN=

1.15×105kN>1.79×104kN

式中：Nu为组合墩柱极限承载力；Nc为钢筋混凝土墩柱极限承载力；NUHPC为RUHPC预制管极限承载力；R为轴压承载力提高系数；Ac为内部混凝土横截面面积；fc为内部混凝土轴心抗压强度设计值；A′s为钢筋横截面面积；f′y为钢筋抗压强度设计值；Au为RUHPC预制管横截面面积；fu为UHPC轴心抗压强度设计值；D/t为径厚比；ρh为预制管配箍率；φε为偏压折减系数；e0为截面偏心距；rc为钢管内混凝土截面的半径。

2 组合桥墩施工流程

半装配式RUHPC-RC组合桥墩是由预制盖梁、半装配式墩柱、现浇混凝土承台与桩基础组成的桥梁下部主要承重构件。其中半装配式墩柱以预制的RUHPC为永久模板，内浇普通钢筋混凝土形成。

该类组合桥墩施工的工艺原理如下：①首先在工厂采用离心机进行RUHPC预制管(顶部和底部预留钢筋)的制作，并利用定型钢模进行混凝土盖梁预制，墩顶盖梁内预埋镀锌波纹管；②然后进行高强度预应力管桩桩基施工；③再进行混凝土承台现浇施工，桩基与承台间通过钢筋连接；④将承台预埋钢筋和墩柱钢筋相绑扎，承台顶部预埋金属波纹管与RUHPC预制管的延伸钢筋进行连接；⑤金属波纹管灌浆并浇筑预制管内核心混凝土，以实现承台与半装配式墩柱的连接；⑥最后墩柱的顶部预留钢筋插入盖梁内金属波纹管一定长度，采用灌浆金属波纹管连接。具体的工艺流程如图2所示。

图2 组合桥墩施工工艺流程

3 组合桥墩施工关键技术

3.1 RUHPC预制管浇筑

为了提高预制管制作的效率，在工程实际中采用离心法工艺生产预制管。离心法生产RUHPC预制管的工艺参考国家规范《环形混凝土电杆》(QB/T 4623-2006)，并根据UHPC的特性对其进行适当修改，以保证制作出来的预制管材性满足工程要求。制作工艺分为以下步骤：钢筋笼绑扎、UHPC搅拌、入模和浇筑、合模、离心成型、蒸汽养护、RUHPC预制管脱模等。

离心成型的方式为托轮式离心成型，其构造简单、操作方便。离心制度包括离心速度和离心时间，确定合适的离心制度使UHPC达到一个均匀的分布状态，同时保证UHPC表面光滑、细腻柔韧，且密实性良好，不产生流动或崩塌。建议采用4阶段速度的离心制度。第1阶段为慢速，由于存在离心力，因此UHPC混合料能够在模具内均匀分布并形成RUHPC预制管的雏形，时间为2～3min；第2阶段为中速，目的是使UHPC混合料更加分布均匀，时间为2～3min；第3阶段为变速，是为了能事前防范转变的过程中离心力的猛增，时间为1～1.5 min；第4阶段为高速，主要作用是使UHPC能密实成型，是RUHPC预制管离心成型的关键，时间控制在7～8 min。

3.2 RUHPC预制管养护

RUHPC预制管蒸汽养护期间，应对其进行温度监控，定时测定预制管内部、表面以及环境温度和相对湿度等环境参数要求，并根据其参数的变化情况及时调整养护方案，严格控制RUHPC预制管的内外温差以满足要求。

采用蒸汽养护时，应分为4阶段养护，即静停、升温、恒温、降温，并且监测人员每30 min监测一次。预制管成型后的静停时间宜超过2 h，升温速率宜低于25 ℃/h，降温速率宜小于20 ℃/h，最高温度与恒温温度宜控制在65 ℃左右；当表面温度与外界温度之差小于20 ℃时，预制管方可完成养护。

蒸汽养护的棚罩在整个养护过程中应保持封闭，不应出现大面积漏气现象。降温前应保持温度恒定不变，如有变化，其幅度不宜超过±3 ℃。蒸养结束后应继续对预制管表面进行覆盖土工布保湿养护，短时间内应满足预制管保湿养护的最低期限要求，待预制管达到设计强度后方可终止保湿养护。

3.3 RUHPC预制管运输吊装

RUHPC预制管在运输过程中应确保其支承措施牢固可靠，并处于平稳状态，在到达施工现场后，采用钢丝绳对预制管绑扎固定后进行吊装。RUHPC预制管吊装前将接头处的杂物清理干净，将定位轴线和预制管的中心线画上标志。采用钢丝绳对其进行绑扎固定，并实施一点吊装。在吊装时应注意减少吊装荷载作用下的变形(吊点的位置应验算预制管本身的承载力和稳定性后确定)。吊装预制管时应将其上口包封防止异物落入管内。预制管吊装就位后应立即进行校正并采取临时固定措施以保证构件的垂直度和稳定性。

3.4 RUHPC预制管拼装连接

当RUHPC预制管长度较大时，应采用节段拼装方式。预制管节段进行拼装前，应确保断面干净无杂物，对表面进行处理后保持其接口干燥；对节段拼接缝进行测量，保证连接准确无误；精准测量结果无误后，在节段表面刷环氧黏结剂，通过金属波纹管对RUHPC预制管节段进行拼装；为确保拼接质量，精确调整垂直度和标高，通过波纹管内灌浆完成RUHPC预制管拼装。

3.5 核心混凝土浇筑

用混凝土泵车进行预制管内混凝土的浇筑并进行振捣。当预制管直径超过0.35 m时，采用内部振捣器振捣。每次振捣时间不少于30 s，单次浇灌高度不宜大于2 000 mm。

4 组合桥墩连接技术

RUHPC-RC组合桥墩施工质量主要取决于墩柱与承台、墩柱与盖梁的连接效果，以下从这两方面具体介绍施工要点。

4.1 墩柱与承台连接

承台预埋钢筋与墩柱钢筋进行绑扎，承台顶部预埋金属波纹管与RUHPC预制管的延伸钢筋进行连接；连接金属波纹管灌浆并浇筑预制管内核心混凝土，以实现承台与半装配式墩柱的连接。图3为墩柱与承台连接示意图。

图3 墩柱与承台连接示意

承台施工时应严格控制墩柱与承台连接面的精准度；坐标及标高偏差允许±2 mm，拼装前应对其进行复测。承台混凝土浇筑前后应对预留钢筋、金属波纹管定位进行检查，偏差允许值为±2 mm。

RHUPC预制管与承台拼装前应对匹配度进行检查，并对外露钢筋进行除锈处理。在拼接缝位置，承台上应布置砂浆垫层。RHUPC预制管拼装就位后应设置临时支承措施防止倾覆。管顶面与管内混凝土的接触位置均匀涂刷环氧黏结剂，厚度宜为1～3 mm，涂刷时间不大于30 min，涂刷前后均应采取防雨雪措施。

4.2 墩柱与盖梁连接

应在专用胎架上制作加工盖梁钢筋笼，为保证受力钢筋不变形，应布置支撑定位体系。盖梁模板宜采用钢模板且应进行专项设计，钢模板厚度大于10 mm。盖梁混凝土应一次性浇筑完成，浇筑时宜先行浇筑金属波纹管内灌浆料。图4为墩柱与盖梁连接示意。

图4 墩柱与盖梁连接示意

盖梁吊装前将盖梁底部的超出部分切除并确保盖梁底面平整，检查墩柱顶面平整度，确保接触面平整并在环面上涂刷环氧砂浆调平层，安装过程中用两台经纬仪监控盖梁的竖直度和水平度。竖直度与墩柱轴线重合，水平方向与竖向轴线垂直。预制盖梁与组合墩柱顶面之间采用砂浆垫层调整。砂浆垫层应及时进行养护。墩柱的顶部预留钢筋插入盖梁内金属波纹管一定长度，采用灌浆金属波纹管连接。