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

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摘要：文章結(jié)合國(guó)內(nèi)外預(yù)制裝配式橋梁發(fā)展的趨勢(shì)，總結(jié)了國(guó)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(diǎn)，以推動(dòng)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(xiàng)目的開(kāi)工興建，為橋梁建設(shè)提供了巨大的市場(chǎng)和平臺(tái)，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(chǎng)對(duì)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(diǎn)，逐漸成為全球范圍內(nèi)土木工程師的研究熱點(diǎn)，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(chǎng)地、設(shè)備及工藝的限制，下部結(jié)構(gòu)研究相對(duì)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(jiǎn)單便于拼裝，又要安全、耐久，尤其其抗震性能是設(shè)計(jì)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(wèn)題提供了一種解決方法。

1國(guó)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(duì)于新建橋梁，不僅不需要建設(shè)墩柱的預(yù)制場(chǎng)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(duì)該種新型結(jié)構(gòu)，目前國(guó)外未見(jiàn)類似的文獻(xiàn)資料，國(guó)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(chǎng)原位測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果表明預(yù)制空心橋墩在墩底和橋臺(tái)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(kāi)裂，試驗(yàn)墩柱因?yàn)楸诩s束，出現(xiàn)了明顯的塑性鉸上移，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)一致，采用梯形剪力齒連接方式的預(yù)制橋墩墩柱與承臺(tái)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(jiàn)圖2）。通過(guò)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(shí)，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(duì)于承插深度的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了5個(gè)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(duì)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(shí)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(tái)承插式連接的力學(xué)性能，承插式連接示意圖見(jiàn)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(guò)早破壞。在設(shè)計(jì)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(duì)豎向承載力提供約40％，底板厚度對(duì)豎向承載力提供約60％，承臺(tái)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(jì)了2個(gè)相似比為1∶2的試驗(yàn)試件，進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，承插式管墩的損傷集中在橋墩與承臺(tái)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(shí)際的應(yīng)用。河北榮烏高速?gòu)埩f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(tái)與高強(qiáng)管墩的連接均采用了灌漿波紋管，為國(guó)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(diǎn)

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(tái)、預(yù)制蓋梁的方式進(jìn)行施工，為了達(dá)到設(shè)計(jì)意圖，施工過(guò)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(gè)方面重點(diǎn)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(diǎn)

離心法生產(chǎn)混凝土制品由來(lái)已久，但因?yàn)槠涔に嚬逃械娜秉c(diǎn)以致在生產(chǎn)高強(qiáng)管墩時(shí)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(zhǎng)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(wèn)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(shí)間，這樣混凝土分層現(xiàn)象就得到了解決，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)的厚度來(lái)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(shí)等問(wèn)題；（2）鋼筋的相對(duì)位置控制必須采用特制的管模讓鋼筋穿過(guò)，保證內(nèi)芯管模與外模固定裝置不低于3個(gè)，從而保持管模相對(duì)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(diǎn)

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(jì)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(guò)承插口進(jìn)行調(diào)節(jié)。相對(duì)復(fù)雜的是湖北和河北方案，需要同時(shí)定位不少于兩個(gè)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(tái)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(shí)要在臺(tái)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(guò)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(shí)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(shí)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(tái)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(tái)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(gè)直徑為1m、高度為6m的空心墩柱質(zhì)量?jī)H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(cè)量員放出墩柱中心點(diǎn)，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(diǎn)，允許誤差控制在±10mm。然后采用定制的帶操作臺(tái)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(tái)上，再根據(jù)測(cè)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(tái)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(cè)，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(gè)墩柱一個(gè)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(tái)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(cè)→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(tái)一致，也選擇千斤頂來(lái)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(yǔ)

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(shí)現(xiàn)對(duì)工程成本、質(zhì)量以及工期的有效控制，還具有不錯(cuò)的生態(tài)效益，這也與我國(guó)提倡綠色工程的大趨勢(shì)相符。本文梳理了國(guó)內(nèi)外對(duì)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(shí)施的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(dòng)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(tái)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(bào)，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(bào)（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(tái)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(yàn)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