預制拼裝橋墩連接構(gòu)造選擇的綜合評定方法

卓為頂 劉 釗

（1.南京工程學院建筑工程學院，南京211167；2.東南大學土木工程學院，南京211189）

0 引 言

21 世紀以來，以節(jié)段預制拼裝為代表的橋梁工業(yè)化技術(shù)已得到廣泛青睞與研究推廣，除了上部結(jié)構(gòu)以外，下部結(jié)構(gòu)的預制拼裝，同樣可以加快橋梁的現(xiàn)場施工速度，保證工程質(zhì)量，減輕對橋位環(huán)境影響和交通干擾［1-2］。

連接構(gòu)造是預制拼裝橋墩的關鍵部位，迄今為止，國內(nèi)外學者已研發(fā)了多種多樣的預制拼裝橋墩接頭形式，諸如灌漿套筒連接、灌漿口連接、承插式連接、濕接縫連接、管漿管道連接、后張預應力連接以及混合連接等形式［3］。

然而，在特定的橋梁工程中，對于連接構(gòu)造形式的選擇，還缺乏系統(tǒng)的評價方法，給設計帶來很大的困惑。為此，本文研究歸納了影響預制拼裝橋墩連接構(gòu)造的主要因素，提出一種實用的綜合評價方法，結(jié)合實橋設計給出應用示例。

1 評價因素的定義和分值

在具體工程中如何結(jié)合橋位特點、環(huán)境、場地等條件，對預制拼裝橋墩連接構(gòu)造形式進行選擇，是工程界十分關心的問題。本文提出的綜合評價方法是一個框架性方法，參考了國外文獻［4］，主要考慮技術(shù)成熟度、現(xiàn)場拼裝工效、施工成本、施工質(zhì)量可控性、耐久性和抗震性能等因素，其評分項由上述多種因素及權(quán)重系數(shù)構(gòu)成。這種評價方法必然存在很大的主觀性，但無論如何提供了一種評價選擇。

1.1 技術(shù)成熟度

技術(shù)成熟度（Technology Readiness，縮寫Tr），是指技術(shù)研發(fā)和應用的成熟程度，可以分為9 級，其定義及評分見表1。當一種連接構(gòu)造同時達到表1 中的各分項，則以最高級別的分值計入，不累加計分。

考慮到技術(shù)成熟度在不同區(qū)域存在差異，比如，某種連接方式在美國已有抗震設計指南，而在使用區(qū)域暫時還沒有規(guī)范，可以把本項分值計入80%。

表1 預制拼裝橋墩連接構(gòu)造的技術(shù)成熟度定義及評分Table 1 Definition and score of technology readiness of precast pier connection detail

1.2 現(xiàn)場拼裝工效

預制拼裝橋墩的現(xiàn)場拼裝工效（Effectiveness，縮寫Ef），主要是指橋墩預制節(jié)段在橋位現(xiàn)場的拼裝速度，關系到現(xiàn)場施工對交通及環(huán)境的干擾程度?，F(xiàn)場拼裝工效的描述，見表2，它是一種簡單的衡量標準，實際上節(jié)省的時間取決于整個橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，因此評估必然是主觀的和近似的。

表2 連接構(gòu)造的現(xiàn)場拼裝工效及評分Table 2 Site assembly efficiency and score of connection detail

1.3 施工成本

預制拼裝橋墩的施工成本項（Cost，縮寫Co），以現(xiàn)澆橋墩作為基本“參照項”。在預制拼裝橋墩中，需要使用一些專用連接件或材料，如灌漿套筒、灌漿波紋管、預應力材料、高強灌漿料等，還有大噸位吊裝設備及可能存在的吊裝場地加固，這些費用應計入施工成本；但是，在人口密集的居住區(qū)，若需對現(xiàn)澆施工采取降低環(huán)境污染、噪聲污染等措施會增加施工成本，而預制拼裝墩一般不考慮此項成本支出。與現(xiàn)澆橋墩相比，增加成本的扣分，減少成本的加分，具體評價標準見表3。

表3 連接構(gòu)造的施工成本及評分Table 3 Construction cost and score of connection detail

1.4 施工質(zhì)量可控性

施工質(zhì)量（Quality，縮寫Qu），是影響工程壽命的主要因素之一。施工質(zhì)量的可控性影響到工程的驗收，也是制約預制拼裝橋墩設計的因素之一。本項分為5 個等級進行評分，具體評定標準、描述及得分，見表4。

表4 施工質(zhì)量可控性及評分Table 4 Construction quality controllability and score of connection detail

1.5 耐久性

耐久性（Durability，縮寫Du），是指在正常使用和維護條件下，橋墩隨時間的延續(xù)仍能滿足既定功能的能力，通俗地講也就是使用周期。評分標準，主要是與現(xiàn)澆橋墩進行同條件比較，見表5，主要考慮：①連接形式是否為其結(jié)構(gòu)部件提供了足夠的保護；②是否避免污染物進入結(jié)構(gòu)部件；③連接的耐久性是否受施工質(zhì)量的影響；④在常規(guī)橋梁檢查中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)退化有多容易。

1.6 抗震性能

橋墩的抗震性能（Seismic performance，縮寫Sp），包括橋墩的側(cè)向推力、延性、滯回耗能及自恢復性等［5-6］，在中高烈度地震區(qū)尤為得到關注，橋墩的抗震性能及評分見表6。

表5 預制拼裝橋墩的耐久性及評分Table 5 Durability and score of precast pier connection detail

表6 預制拼裝橋墩的抗震性能及評分Table 6 Seismic performance and score of precast pier connection detail

2 綜合評分

2.1 基本公式

以技術(shù)成熟度作為基本項，同時，將上述另外5 項評價因素乘以各自的權(quán)重系數(shù)進行累加，給出綜合評分指標：

式中：Tr為技術(shù)成熟度；Ef為現(xiàn)場拼裝工效；Co為施工成本；Qu 為施工質(zhì)量可控性；Du 為耐久性；Sp為抗震性能；αi分別為上述各項的權(quán)重系數(shù)。

2.2 權(quán)重選擇

為減小式（1）中權(quán)重系數(shù)取值的隨意性，以1為其均值，增加約束條件如下：

表7 給出對αi取值的考慮要點，當認為某項不重要以至于可以忽略時，權(quán)重系數(shù)可取0；當認為某項極其重要時，權(quán)重系數(shù)可取2.0；其他情況介于兩者之間。

表7 權(quán)重系數(shù)選擇的考慮因素Table 7 Weight coefficient selection related to the factors considered

3 應用舉例

江蘇省某公路干線界河特大橋，橋位處為平原地帶。汽車荷載為公路-Ⅰ級，抗震設防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.1 g。第11聯(lián)41#-46#橋墩采用預制拼裝構(gòu)造，上部結(jié)構(gòu)跨徑布置為5×30 m 預應力混凝土小箱梁，橋型布置見圖1（a）。雙柱墩間距為9.75 m，墩高6.52～7.67 m，墩柱直徑為1.60 m，蓋梁采用小懸臂設計，見圖1（b）。

本橋41#-46#橋墩擬采用預制拼裝橋墩建造技術(shù)，需進行預制拼裝橋墩連接構(gòu)造的選擇。設計過程中，可能采用的連接方式有4 種：灌漿套筒連接、承插式連接、灌漿管道連接、灌漿套筒+芯榫組合連接。

3.1 采用灌漿套筒連接構(gòu)造的評估

灌漿套筒連接構(gòu)造已在華東地區(qū)較多采用，如上海S6 公路高架橋工程上應用，并有該連接構(gòu)造的地方標準，技術(shù)成熟度Tr=+7 分；可以節(jié)約現(xiàn)場工期30%以上，現(xiàn)場拼裝工效Ef=+2分；增加橋墩的施工成本10%～20%，施工成本Co=-1 分；滿足施工質(zhì)量驗收標準的可能性大，施工質(zhì)量可控性Qu=0分；接縫面密封性好、無滲水風險，耐久性Du=+1分；“側(cè)向推力、延性、滯回耗能、自恢復性”這4 項指標中有2 項優(yōu)于現(xiàn)澆墩，抗震性能Sp=+1分。

3.2 采用承插式連接構(gòu)造的評估

承插式連接構(gòu)造，在上海嘉閔高架北二段1座匝道橋上應用，該技術(shù)沒有出現(xiàn)在地方標準中，采用該連接構(gòu)造的橋墩已有擬靜力試驗，技術(shù)成熟度Tr= +6 分；可以節(jié)約現(xiàn)場工期30%以上，現(xiàn)場拼裝工效Ef=+1 分；基本不增加橋墩的施工成本，施工成本Co=0 分；連接滿足質(zhì)量標準的可能性較大，施工質(zhì)量可控性Qu=+1 分；節(jié)點區(qū)的整體性好，不需要多余的維護，耐久性Du=+2 分；“側(cè)向推力、延性、滯回耗能、自恢復性”這4 項指標與現(xiàn)澆墩相同，抗震性能Sp=0分。

3.3 采用灌漿波紋管連接

灌漿波紋管連接構(gòu)造［7］，在上海嘉閔高架北二段1 座匝道橋上應用，并已有該連接構(gòu)造的地方標準，技術(shù)成熟度Tr=+7 分；可以節(jié)約現(xiàn)場工期10%～30%，現(xiàn)場拼裝工效Ef=+1分；增加橋墩的施工成本10%～20%，施工成本Co=-1 分；連接滿足質(zhì)量標準的可能性較大，施工質(zhì)量可控性Qu=+1分；接縫面密封性好、無滲水風險，耐久性Du=+1分；“側(cè)向推力、延性、滯回耗能、自恢復性”這4項指標中有2項優(yōu)于現(xiàn)澆墩，抗震性能Sp=+1分。

圖1 某實橋的預制拼裝橋墩設計（單位：cm）Fig.1 Precast pier design of a practical bridge（Unit：cm）

3.4 采用“灌漿套筒+芯榫連接”構(gòu)造的評估

灌漿套筒連接構(gòu)造，在上海嘉閔高架北段二期工程上應用，并已有該連接構(gòu)造的地方標準，但芯榫連接作為新型的連接構(gòu)造［8］，僅有擬靜力試驗研究，技術(shù)成熟度Tr=+6.5 分；可以節(jié)約現(xiàn)場工期30%以上，現(xiàn)場拼裝工效Ef=+2分；增加橋墩的施工成本10%-20%，施工成本Co=-1 分；連接滿足質(zhì)量標準的可能性較大，施工質(zhì)量可控性Qu=0分；接縫面密封性好、無滲水風險，耐久性Du=+1分；“側(cè)向推力、延性、滯回耗能、自恢復性”這4項指標中有3項優(yōu)于現(xiàn)澆墩，抗震性能Sp=+2分。

3.5 通過綜合評分進行設計比選

各項權(quán)重系數(shù)的選擇，見表8。

根據(jù)權(quán)重系數(shù)對4 種預制拼裝橋墩連接方式進行了評分，評分匯總表見表9。

表8 某實橋設計預制拼裝橋墩評價因素的權(quán)重系數(shù)Table 8 Weight coefficient of evaluation factors of precast pier design for a practical bridge

表9 四種預制拼裝橋墩連接方式的評分匯總Table 9 The score summary for four kinds of precast pier connection details

從表9 可以看出，該橋預制拼裝橋墩連接方式的設計方案比選，推薦的次序分別為灌漿套筒+芯榫組合連接、灌漿管道連接、灌漿套筒連接、承插式連接。該橋預制拼裝橋墩的連接構(gòu)造，墩柱與承臺之間采用灌漿套筒+芯榫組合連接，墩柱與蓋梁之間采用灌漿管道連接。

4 結(jié) 語

（1）預制拼裝橋墩連接構(gòu)造的合理選擇，始終困擾著設計人員。本文提出一種較為實用的綜合評價方法，盡管在分項評分中存在著一定的主觀性和經(jīng)驗性，但無論如何為選擇決策提供了一種評價框架和思路。

（2）本文提出的多因素綜合評價方法，考慮了技術(shù)成熟度、現(xiàn)場拼裝工效、施工成本、施工質(zhì)量可控性、耐久性和抗震性能等6 個評價指標。其中，技術(shù)成熟度為基本考慮項，分級為1～9；其余6個指標，分級為-2～+2。

（3）在綜合評價指標中，對應于各個評價項，引入權(quán)重系數(shù)，考慮到建設方或設計人員的選擇偏好，允許根據(jù)經(jīng)驗進行選擇。

（4）結(jié)合某實橋預制拼裝橋墩設計，以4種典型預制拼裝橋墩的連接方式為例，示例了應用方法，給出了設計推薦的次序。