鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)在高鐵裝配式橋墩的應(yīng)用研究

柳州歐維姆結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣西 柳州 545005

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)交通基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)傳統(tǒng)的現(xiàn)澆工藝因其存在現(xiàn)場(chǎng)工作量大、所需勞動(dòng)力多、施工周期長(zhǎng)、環(huán)境影響大等問(wèn)題，已不能滿足發(fā)展需求。為解決這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)全預(yù)制拼裝橋梁進(jìn)行了大量研究，YEE 等在二十世紀(jì)六十年代發(fā)明了鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)，為預(yù)制拼裝的主筋連接提供了方案，使得預(yù)制拼裝可以按等同現(xiàn)澆來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)［1］。

Haber 等對(duì)采用鋼筋套筒灌漿連接的預(yù)制墩柱的低周期反復(fù)加載試驗(yàn)研究，結(jié)果表明與現(xiàn)澆橋墩相比，采用套筒灌漿連接的預(yù)制墩柱，其水平承載力、耗能、延性等都相近，但破壞形式差異較大，因套筒區(qū)域剛度較大，預(yù)制墩柱的破壞出現(xiàn)在套筒頂部［2］［3］。

王志強(qiáng)等研究了不同套筒埋設(shè)位置對(duì)橋墩抗震性能的影響，與現(xiàn)澆橋墩對(duì)比，預(yù)制拼裝橋墩根據(jù)套筒預(yù)埋位置不同，損傷形式和塑性鉸有所不同，但抗震性能總體接近，預(yù)制橋墩的損傷小于現(xiàn)澆橋墩，其剛度、延性、耗能、滯回曲線等各項(xiàng)性能參數(shù)與現(xiàn)澆橋墩大體相近，均可滿足中高烈度地震區(qū)域的抗震要求［4］［5］［6］。

葛繼平等針對(duì)軌道交通預(yù)制拼裝橋墩的受力特點(diǎn)，提出采用灌漿套筒加預(yù)應(yīng)力筋連接的拼裝方案并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用灌漿套筒加預(yù)應(yīng)力筋連接的橋墩具有良好的使用性能和抗震性能，可作為軌道交通橋墩的預(yù)制拼裝方案［7］。

套筒灌漿連接已得到眾多研究人員對(duì)其性能的驗(yàn)證，并已在國(guó)內(nèi)數(shù)十座市政橋梁工程中得到應(yīng)用，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)首個(gè)采用橋梁全預(yù)制拼裝技術(shù)的鐵路工程，對(duì)各種拼裝方式進(jìn)行比較，并介紹了采用套筒灌漿連接的裝配式鐵路橋墩的施工工藝，為鐵路橋下部結(jié)構(gòu)拼裝施工提供參考。

1 工程概況

京雄城際鐵路北起北京西站，途經(jīng)北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)、河北省固安縣、霸州市，終到雄安新區(qū)雄縣，新建線路全長(zhǎng)92.4公里，設(shè)計(jì)時(shí)速350km，大部分為無(wú)砟軌道，地震動(dòng)峰值加速度Ag ≤0.1g，地震力反應(yīng)譜特征周期Tg ≤0.55s，抗震設(shè)防烈度為7 度。為研究裝配式橋墩在鐵路工程的施工技術(shù)及應(yīng)用效果，項(xiàng)目選用京雄城際鐵路固霸特大橋中的一段（約1公里左右）進(jìn)行裝配式工藝施工。預(yù)制墩柱高度在6～9m，兩側(cè)相接橋墩采用分離式、圓端形實(shí)體橋墩。橋墩由頂帽和框架墩柱組成，頂帽采用圓端形截面，頂面橫向?qū)挾?.8m，縱向?qū)挾?m，底面橫向?qū)挾?.7m，縱向?qū)挾?.2m，高度2.5m，采用流線型過(guò)渡；框架墩柱采用圓端形截面，縱向?qū)挾?.2m，橫向?qū)挾?.6m，橫向凈距1.5m。

2 橋墩拼裝方案比選

項(xiàng)目在以下幾種目前國(guó)內(nèi)外常用的預(yù)制橋墩拼裝方式中進(jìn)行了對(duì)比選擇：

2.1 鋼筋套筒灌漿連接

鋼筋套筒灌漿連接的特點(diǎn)是拼裝速度快，造價(jià)略高，對(duì)精度控制要求高，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)大量應(yīng)用，連接關(guān)鍵在于套筒灌漿料的拌制及灌漿。該方式一般用于蓋梁和墩柱、墩柱和承臺(tái)的連接，用于蓋梁拼裝時(shí)，灌漿套筒的預(yù)制端安裝在蓋梁鋼筋籠縱向主筋底部，蓋梁預(yù)制拆模后，底面露出灌漿套筒的拼裝孔；當(dāng)用于墩柱與承臺(tái)的拼裝時(shí)，根據(jù)工程情況，可分為套筒預(yù)埋在墩柱內(nèi)和埋在承臺(tái)內(nèi)兩種情況，目前國(guó)內(nèi)外工程基本都是采用預(yù)埋在墩柱內(nèi)的安裝方式，該方式墩柱預(yù)制完成后，整個(gè)底面為一平面，便于預(yù)制廠的養(yǎng)護(hù)及存放，墩柱側(cè)面外露灌漿孔和出漿孔，便于灌漿，相較于套筒預(yù)埋于承臺(tái)內(nèi)的安裝方式，更具有施工操作便利性；當(dāng)工程所在區(qū)域烈度較高時(shí)，灌漿套筒更適于安裝在具有高剛度的承臺(tái)內(nèi)，但該安裝方式，存在墩柱底部外露鋼筋，預(yù)制廠養(yǎng)護(hù)、存放不便的問(wèn)題。

2.2 灌漿金屬波紋管連接

灌漿金屬波紋管連接一般用在蓋梁和墩柱、墩柱和承臺(tái)的連接，錨固長(zhǎng)度不小于24 倍被連接鋼筋直徑。用于蓋梁拼裝時(shí)，金屬波紋管預(yù)埋在蓋梁內(nèi)，拼裝時(shí)，通過(guò)墩柱頂面預(yù)留的鋼筋插入波紋管內(nèi)，在蓋梁頂向金屬波紋管內(nèi)倒?jié)M套筒灌漿料進(jìn)行連接；當(dāng)用于墩柱與承臺(tái)的拼裝時(shí)，金屬波紋管埋設(shè)在承臺(tái)內(nèi)，拼裝時(shí)，先向波紋管內(nèi)灌滿套筒灌漿料，墩柱通過(guò)底部預(yù)留的鋼筋插入波紋管完成連接。灌漿金屬波紋管連接具有拼裝速度快，精度要求相對(duì)較低的特點(diǎn)，但因墩柱拼承臺(tái)需要在墩柱底部預(yù)留較長(zhǎng)鋼筋，預(yù)制廠養(yǎng)護(hù)、存放不便，運(yùn)輸?shù)跹b也較困難，因此灌漿金屬波紋管連接一般用于蓋梁和墩柱的連接。

2.3 后張預(yù)應(yīng)力筋連接

后張預(yù)應(yīng)力筋連接是通過(guò)在蓋梁、墩柱、承臺(tái)內(nèi)預(yù)留孔道，各構(gòu)件間用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠干接，拼裝完成后，用豎向預(yù)應(yīng)力筋穿過(guò)孔道貫通連接。該方式特點(diǎn)是不需要進(jìn)行鋼筋連接，無(wú)混凝土后澆帶，地震耗能能力較弱，震后自恢復(fù)性好，但墩柱造價(jià)相對(duì)較高，對(duì)預(yù)制的精度控制要求高，拼裝速度受預(yù)應(yīng)力筋穿束及張拉的影響，比灌漿套筒和金屬波紋管連接慢，墩柱的安全性、耐久性依賴于預(yù)應(yīng)力筋的可靠性。OVM 自鎖式預(yù)應(yīng)力錨固體系相較一般豎向預(yù)應(yīng)力錨固，其固定端錨具具有自鎖功能，預(yù)應(yīng)力筋無(wú)需預(yù)埋，預(yù)應(yīng)力穿束、張拉錨固方便可靠，灌漿方便，更適于預(yù)制橋墩的拼裝連接。

2.4 濕接縫連接

作為一種傳統(tǒng)的預(yù)制拼裝橋墩連接方式，濕接縫連接普遍應(yīng)用在各跨海大橋工程，其是在拼裝構(gòu)件端面預(yù)留一定長(zhǎng)度及數(shù)量的鋼筋，與待拼接構(gòu)件預(yù)留的鋼筋，通過(guò)焊接或各種機(jī)械連接的方式連接起來(lái)，再搭模板澆筑混凝土。該連接方式力學(xué)性能與現(xiàn)澆混凝土橋墩類似，缺點(diǎn)是后澆帶鋼筋連接工作量大，濕接縫澆筑混凝土后需要養(yǎng)護(hù)，還有可能出現(xiàn)收縮裂縫，拼裝所需時(shí)間較長(zhǎng)，從橋梁的快速施工角度考慮，有所不足。

2.5 承插式連接

承插式連接一般是在承臺(tái)或蓋梁待拼接處預(yù)留孔洞，孔洞尺寸略大于預(yù)制墩柱尺寸，孔洞深度一般為墩柱截面尺寸的1.2～1.5 倍，將預(yù)制墩柱插入承臺(tái)或蓋梁的孔洞中，再灌入高強(qiáng)混凝土或高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料填充孔洞完成連接。該連接方式現(xiàn)場(chǎng)施工工藝較簡(jiǎn)單，但現(xiàn)場(chǎng)墩柱需采取臨時(shí)措施固定，施工工期稍長(zhǎng)，且接縫處的力學(xué)性能有待研究。

2.6 UHPC 連接

利用近年來(lái)出現(xiàn)的常溫養(yǎng)護(hù)型超高性能混凝土（UHPC）具有超高強(qiáng)、超早強(qiáng)、超高韌性及耐久性、自密實(shí)、免蒸養(yǎng)、對(duì)鋼筋握裹強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在預(yù)制墩柱底部預(yù)留灌漿孔，UHPC 通過(guò)重力灌漿將墩柱與承臺(tái)預(yù)留鋼筋進(jìn)行連接，施工工藝簡(jiǎn)單快捷，但該連接方式出現(xiàn)時(shí)間短，各方面性能尚有待研究。

根據(jù)以上幾種拼裝方式各自優(yōu)點(diǎn)及不足的對(duì)比，結(jié)合本項(xiàng)目地質(zhì)情況及快速施工的需求，選擇采用鋼筋套筒灌漿連接作為拼裝方案。

3 橋墩拼裝施工工藝

裝配式橋墩由預(yù)制頂帽、預(yù)制墩柱采用鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)拼裝，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 京雄城際鐵路裝配式橋墩拼裝示意圖

3.1 鋼筋套筒灌漿接頭

橋墩主筋連接所用的套筒及灌漿料為柳州歐維姆結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GTZQ4-32 灌漿套筒和TZH10.0 套筒灌漿料，灌漿套筒材質(zhì)為高強(qiáng)度球墨鑄鐵，抗拉強(qiáng)度≥600 MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥ 5%，球化率≥ 85%，硬度180～250 HBW，鋼筋插入套筒深度為10 倍鋼筋直徑；套筒灌漿料的初始流動(dòng)度≥330mm，夏季可工作時(shí)間超過(guò)一小時(shí)，使項(xiàng)目在夏季高溫環(huán)境仍有充足的灌漿操作時(shí)間；1d 強(qiáng)度≥50MPa，能在墩柱拼裝一天后進(jìn)行頂帽拼裝，現(xiàn)場(chǎng)施工周期短，28d 抗壓強(qiáng)度≥100MPa，相較現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JG/T 408-2013 的套筒灌漿料，TZH10.0 套筒灌漿料的水膠比更低，強(qiáng)度更高，具有更高的安全系數(shù)，且更低的水膠比，也使?jié){體具有更高的抗凍、抗氯離子滲透性能，確保了連接接頭的耐久性。

現(xiàn)場(chǎng)用GTZQ4-32 灌漿套筒和TZH10.0 套筒灌漿料對(duì)直徑32mm 的HRB400 鋼筋進(jìn)行鋼筋套筒灌漿連接接頭的制作，并測(cè)試接頭的力學(xué)性能。結(jié)果表明，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的1.15 倍，屈服應(yīng)力和極限應(yīng)力與鋼筋母材相同，鋼筋套筒灌漿接頭連接性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 拼裝工藝流程

其預(yù)制及拼裝施工的工藝流程為：

將灌漿套筒安裝在頂帽及墩柱的鋼筋籠內(nèi)，澆筑混凝土完成頂帽及墩柱的預(yù)制→承臺(tái)拼接面處理→墩柱預(yù)拼裝→拌制并鋪設(shè)2cm 左右的墊層砂漿在承臺(tái)拼接面→吊裝墩柱，將承臺(tái)預(yù)留鋼筋插入墩柱灌漿套筒中→調(diào)整墩柱垂直度→24h 后拌制套筒灌漿料，對(duì)墩柱套筒灌漿→24h 后頂帽預(yù)拼裝→拌制并鋪設(shè)2cm 左右墊層砂漿在墩柱頂面→24h 后吊裝頂帽→24h 后拌制套筒灌漿料，對(duì)頂帽套筒灌漿，完成拼裝施工。

3.3 施工控制要點(diǎn)

（1）構(gòu)件預(yù)制時(shí)，灌漿套筒與鋼筋籠按圖安裝，密封環(huán)與鋼筋、套筒的連接處如有縫隙，需涂抹膠黏劑密封，以防水泥漿從縫隙處滲入套筒內(nèi)腔。

（2）構(gòu)件拼裝前，各拼接面均需鑿毛、清洗干凈，拼接面需濕透，但拼裝前1 小時(shí)不得有積水，若拼接面干燥，將影響構(gòu)件的粘結(jié)。

（3）灌漿施工前應(yīng)使用現(xiàn)場(chǎng)施工用攪拌機(jī)進(jìn)行墊層砂漿和套筒灌漿料的試拌，攪拌后，檢查攪拌倉(cāng)內(nèi)壁是否有干粉殘留，若有殘留，需在拌漿施工過(guò)程中，手動(dòng)將邊壁干粉刮入漿液內(nèi)，再繼續(xù)攪拌，以確保水灰比。試拌漿體成型的試塊與試驗(yàn)室的一天、三天抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，無(wú)差別后方可確定使用該拌漿工藝。鋼筋套筒灌漿連接的關(guān)鍵在于套筒灌漿料的拌制與壓漿，該施工節(jié)點(diǎn)需特別重視。

圖2 京雄城際鐵路預(yù)制頂帽拼裝

（4）灌漿前，在套筒出漿口外接L 型PVC 管，可用于檢查灌漿效果，因套筒灌漿屬于隱蔽施工，無(wú)法觀察內(nèi)部飽滿度，當(dāng)外接L 型管口連續(xù)流出均勻漿液時(shí)，因L 型管口遠(yuǎn)高于套筒內(nèi)腔頂面，根據(jù)液面差可判斷內(nèi)部飽滿，且在拔出灌漿管時(shí)，L型管內(nèi)的漿體回流能補(bǔ)充拔灌漿管到堵住灌漿孔的時(shí)間內(nèi)從套筒出漿口流出的漿體。

（5）墊層砂漿需達(dá)到30MPa 后方可拆除支撐，進(jìn)行套筒灌漿；墩柱的套筒灌漿料需同條件養(yǎng)護(hù)達(dá)到35MPa 后方可進(jìn)行頂帽的拼裝，若在強(qiáng)度達(dá)到前就產(chǎn)生擾動(dòng)，可能會(huì)對(duì)灌漿接頭造成不可逆的損傷。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)作為橋梁下部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝的一種主要方式，已在上海地區(qū)的市政橋梁全面應(yīng)用，其它地區(qū)也已開(kāi)始推廣，但在高鐵工程中應(yīng)用尚屬首次，本次在京雄城際鐵路成功應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

（1）經(jīng)過(guò)各試驗(yàn)研究及在本工程中應(yīng)用，表明鋼筋套筒灌漿連接適用于抗震設(shè)防烈度7 度以下的鐵路橋墩的拼裝連接，相較傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋墩施工工藝功效約提高三分之一，大幅縮短施工周期，減少環(huán)境污染，是一個(gè)高效、可靠、環(huán)保的方案。

（2）工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)節(jié)省了墩柱和頂帽的現(xiàn)場(chǎng)搭模時(shí)間，預(yù)制場(chǎng)模板利用率高，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠。