中小跨徑橋梁裝配式模塊化墩柱設(shè)計(jì)研究

陳玉宏 王博

摘要：中小跨徑橋梁全裝配化有利于節(jié)約資源能源、減少施工污染、提升勞動(dòng)生產(chǎn)效率以及質(zhì)量安全水平，成為我國橋梁建造模式的主流趨勢(shì)。G3京臺(tái)高速方興大道至馬堰改擴(kuò)建項(xiàng)目建設(shè)中，以模塊化理念開發(fā)了一種新型裝配式墩柱，提高了墩柱標(biāo)準(zhǔn)化程度，降低墩柱的制造與安裝難度，文章對(duì)模塊化墩柱的概念設(shè)計(jì)方法、技術(shù)要點(diǎn)等方法進(jìn)行研究，為此類結(jié)構(gòu)的裝配化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;下部結(jié)構(gòu);裝配式;預(yù)制墩柱;概念設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）12-0065-03

引言

在橋梁工程高速發(fā)展的時(shí)代，如何縮短施工周期、減少施工對(duì)既有交通的影響、控制現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量及減少環(huán)境等因素對(duì)施工進(jìn)度的影響成為主要面臨的難題。橋梁裝配式模塊是解決問題的有效手段，具有降低對(duì)交通的干擾、提高施工質(zhì)量、縮短工程工期、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

裝配式墩柱應(yīng)用探索開始的時(shí)間較早，1975年建造的蘭西大橋，使用砌塊式拼裝墩臺(tái)，節(jié)約了近四分之一的材料，同時(shí)加快了橋梁的建設(shè)速度。砌塊式墩臺(tái)的合理設(shè)計(jì)能夠具有一定自鎖功能，塊體內(nèi)的鋼筋可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性及延性。接縫方面，Kvle P.Steuck等人研究了大直徑錨固鋼筋灌漿孔連接的相關(guān)性能，分析了結(jié)構(gòu)的受力性能以及破壞模式?；春犹卮笠龢蛳虏拷Y(jié)構(gòu)采用預(yù)制圓心空心截面墩，馬會(huì)天對(duì)該橋進(jìn)行研究分析得出，通過設(shè)置定位墩實(shí)現(xiàn)預(yù)制墩柱準(zhǔn)確定位，通過預(yù)制墩柱底側(cè)的剪力紋，加強(qiáng)了墩柱與承臺(tái)的整體連接，提高了墩柱的抗震能力。林信武指出，裝配式橋墩抗震性能的關(guān)鍵是連接處的易損性。灌漿套筒連接具有良好的延性破壞性態(tài)，并且可以保證施工精準(zhǔn)度，材料強(qiáng)度是鋼筋的1.5倍，可以轉(zhuǎn)移連接的薄弱環(huán)節(jié)，在地震作用下提供良好的抗彎抗剪能力，但是弊端同樣明顯，抗延性有限，不適用于高地震帶橋墩建造。從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，預(yù)制橋墩一般針對(duì)某工程進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)型與尺寸并不統(tǒng)一，不利于大規(guī)模建造推廣。

為提高標(biāo)準(zhǔn)化程度，G3京臺(tái)高速方興大道至馬堰改擴(kuò)建項(xiàng)目建設(shè)中，以模塊化概念開展新型裝配式墩柱的設(shè)計(jì)。該墩柱體系可通過更換蓋梁模塊適應(yīng)不同上部結(jié)構(gòu)，增設(shè)橫梁模塊適應(yīng)不同墩高尺寸，契合橋梁工程的工業(yè)化建造趨勢(shì)。本文對(duì)其概念設(shè)計(jì)以及性能分析方法進(jìn)行研究，為此類結(jié)構(gòu)型式的推廣提供助力，為裝配式墩柱的進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒。

1工程概況

本項(xiàng)目依托G3京臺(tái)高速方興大道至馬堰改擴(kuò)建項(xiàng)目，該工程項(xiàng)目起點(diǎn)順接京臺(tái)高速公路方興大道互通立交，起點(diǎn)樁號(hào)為K1049+748，向南經(jīng)嚴(yán)店、豐樂、杭埠、金牛、萬山至廬江，終點(diǎn)位于京臺(tái)高速與合安高速公路交叉的馬堰互通立交，終點(diǎn)樁為號(hào)K1102+872，全程53.124公里。

本工程橋梁以中小跨徑為主，由于為改擴(kuò)建項(xiàng)目，應(yīng)盡量減少對(duì)現(xiàn)狀道路的擾動(dòng)，因此對(duì)建造效率要求較高。經(jīng)研究采用全預(yù)制拼裝橋梁體系，上部結(jié)構(gòu)采用了較為成熟的T梁、小箱梁以及雙工字鋼板組合梁，下部結(jié)構(gòu)則開發(fā)一種便利拼裝的模塊化橋墩，該橋墩主體為PHC管樁，管端設(shè)置法蘭連接，并輔以預(yù)制蓋梁或者承臺(tái)等結(jié)構(gòu)。

2概念設(shè)計(jì)

2.1構(gòu)件的受力與拆分

樁柱式橋墩由整體式蓋梁、多墩柱體系、整體式承臺(tái)以及多樁基體系組成。

蓋梁的主要功能為傳力構(gòu)件，其上布置支座可承擔(dān)主梁上部結(jié)構(gòu)的自重以及各類活載效應(yīng);墩柱為主要受力構(gòu)件，起到傳遞豎向荷載的作用;承臺(tái)作為橫向聯(lián)系，起到提高橋墩體系橫向剛度的作用;樁基為基層支撐構(gòu)件，由土壤的摩擦力以及端部的支承力提供相應(yīng)的支承力。

由于各構(gòu)件的形狀差異較大，墩柱的裝配化習(xí)慣上將各構(gòu)件單獨(dú)拆解開，采用預(yù)埋套筒的方式進(jìn)行連接，構(gòu)件拆解如圖1所示。

構(gòu)件拆解已經(jīng)基本上完成了預(yù)制部件的劃分，然而部分寬幅蓋梁、超高墩的預(yù)制、運(yùn)輸與安裝并不便利，在此基礎(chǔ)上需要對(duì)構(gòu)件本身進(jìn)行切分，對(duì)于橫向構(gòu)件橫向分塊，對(duì)于豎向構(gòu)件豎向分節(jié);分塊或者分節(jié)接縫的設(shè)置則遵循受力最小原則，例如蓋梁、承臺(tái)在受彎相對(duì)較小的位置進(jìn)行分塊，見圖2。本項(xiàng)目側(cè)重于對(duì)蓋梁、墩柱以及承臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的研究。

2.2 T型及方型模塊化橋墩概念設(shè)計(jì)

T型模塊化橋墩是一種通過提高墩柱本身強(qiáng)度，并采用鋼橫梁進(jìn)行橫向連接以滿足橫向受力需求，這樣可以將蓋粱以及承臺(tái)中間的聯(lián)系節(jié)段予以取消.進(jìn)一步提高裝配化施工的效率，減少預(yù)制種類與數(shù)量，見圖3所示。

對(duì)于布置雙主梁的橋梁，對(duì)蓋梁的需求并沒有那么顯著，此時(shí)可以將蓋梁的橫向尺寸進(jìn)行削減，得到的方型模塊化橋墩構(gòu)造，如圖4所示。

作為基本結(jié)構(gòu)的管樁、承臺(tái)以及墩柱僅保持兩三種型號(hào)即可，對(duì)于不同的上部結(jié)構(gòu)可以采用不同的蓋梁模塊，對(duì)于不同高度的墩柱，則可以增設(shè)鋼構(gòu)件橫梁加強(qiáng)聯(lián)系。該新型體系具有非常高的標(biāo)準(zhǔn)化程度，無需根據(jù)具體工程更改構(gòu)型或尺寸設(shè)計(jì)，在中小跨徑橋梁中具有廣泛的應(yīng)用空間。

3構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.1墩柱設(shè)計(jì)

采用預(yù)制橋墩構(gòu)造時(shí)，一方面需要增加墩柱的強(qiáng)度，另一方面需要減輕墩柱的質(zhì)量，以提高裝配化，本研究提出采用高強(qiáng)混凝土大直徑空心墩柱的構(gòu)造型式。

墩柱設(shè)計(jì)以PHC管樁為原型，選用管樁型號(hào)，材料為C70高強(qiáng)混凝土，標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度為8m。墩柱構(gòu)件之間采用法蘭盤連接，可以顯著提高裝配效率，同時(shí)具有可檢、可修，便于更換的優(yōu)勢(shì)。

法蘭由兩塊鋼板組成，鋼板之間采用沿徑向布置的加勁肋板焊接進(jìn)行連接，一塊鋼板與混凝土之間進(jìn)行連接，另外一塊鋼板則預(yù)留螺栓孔，負(fù)責(zé)與其它墩柱預(yù)留鋼板以高強(qiáng)螺栓型式連接，墩柱連接與法蘭構(gòu)造見圖5所示。

3.2蓋梁設(shè)計(jì)

蓋梁起到支撐主梁以及傳遞荷載的作用，可盡量減少材料的用量，按照對(duì)稱型式進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于懸挑的裝配式蓋梁，其符合懸臂梁的受力特征，雙邊受力較小，中間受力較大，可采用傳統(tǒng)的削角處理，以進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約材料用量。對(duì)于支承單片梁的蓋梁來說，主要負(fù)責(zé)傳遞荷載的作用，需要滿足支座布置以及局部承壓的要求。通過綜合支座的布置需求，受力要求，確定了T型蓋梁與方形蓋梁型式，T型蓋梁接縫處預(yù)留孔見圖6所示。

3.3墩柱連接設(shè)計(jì)

承臺(tái)接縫采用了插槽式現(xiàn)澆混凝土接縫連接型式，在承臺(tái)內(nèi)預(yù)留1m深的槽口，并在墩柱表面刻槽口，以提高墩柱與承臺(tái)的整體性。槽口采用梯形槽口，頂口大、底口小，且為了盡可能增加與預(yù)制管樁連接強(qiáng)度，在圓心處60cm高的榫頭，承臺(tái)連接見圖7所示。

施工時(shí)，只需要在底面找平后，將管樁安裝到位，然后采用C50混凝土灌注槽口，充分振搗養(yǎng)護(hù)后，完成接縫的施工。

3.4橫向連接設(shè)計(jì)

模塊化橋墩使用鋼橫梁的橫向連接方式增強(qiáng)了墩柱的自身強(qiáng)度，以滿足抗震和穩(wěn)定性的要求，同時(shí)該構(gòu)造方式非常簡(jiǎn)潔，不需要對(duì)墩柱進(jìn)行更改，提高了墩柱體系的標(biāo)準(zhǔn)化程度。

4結(jié)束語

提出了模塊化橋墩的概念，并完成了相應(yīng)的原型設(shè)計(jì)，通過提高墩柱強(qiáng)度、刪去蓋梁及承臺(tái)的橫向聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)更高程度的標(biāo)準(zhǔn)化。該墩柱型式在背景工程中取得了成功應(yīng)用，可以為同類型工程提供參考借鑒。