預(yù)制拼裝橋墩關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

李木松

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392）

隨著我國(guó)城市道路建設(shè)的推進(jìn)，在交通繁忙區(qū)域進(jìn)行施工成為常態(tài)。為緩解因橋梁施工對(duì)周圍交通的干擾，迫切需要施工速度快、綠色低碳的建造方式。基于此，預(yù)制拼裝橋梁技術(shù)得到了應(yīng)用和發(fā)展。

預(yù)制拼裝在安全、質(zhì)量、工期、環(huán)保等方面有顯著優(yōu)勢(shì)，具有快速化、標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化等工業(yè)化特點(diǎn)，是一種可復(fù)制推廣的綠色建造技術(shù)，已成為橋梁工程設(shè)計(jì)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。

我國(guó)對(duì)橋梁預(yù)制拼裝技術(shù)的研究和應(yīng)用大部分集中在上部結(jié)構(gòu)且已相當(dāng)成熟；近幾年隨著城市快速路及跨海大橋建設(shè)的需要，在借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)和研究成果的基礎(chǔ)上，逐步開始了橋梁下部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝技術(shù)的研究和應(yīng)用，取得了一些成果，但還存在一些不足。

本文對(duì)預(yù)制拼裝橋墩關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)并指出存在的不足和進(jìn)一步研究方向，為實(shí)現(xiàn)和完善可復(fù)制推廣的綠色化、工業(yè)化、信息化、集約化和產(chǎn)業(yè)化的建造技術(shù)體系、管理體系、實(shí)施體系提供參考。

1 蓋梁預(yù)制拼裝連接技術(shù)

預(yù)制蓋梁主要分實(shí)心整體式、空心整體式、橫向分塊式、豎向分層式。從外觀、質(zhì)量、工期、環(huán)保等方面考慮，在條件允許的情況下盡量采用整體式；但限于運(yùn)輸條件、吊裝能力等，需對(duì)蓋梁進(jìn)行輕量化處理，因此發(fā)展出了空心整體式、橫向分塊式、豎向分層式。

1.1 實(shí)心整體式

目前國(guó)內(nèi)外主要采用的形式，不存在拼接縫，外觀、受力性能等各方面均優(yōu)于傳統(tǒng)現(xiàn)澆蓋梁。

1.2 空心整體式

國(guó)內(nèi)研究和應(yīng)用均較少；在美國(guó)佛羅里達(dá)州麥爾茲堡的Edison橋中應(yīng)用。

1.3 橫向分塊式

國(guó)外研究和應(yīng)用較少，國(guó)內(nèi)在上海、浙江、內(nèi)蒙古等地均有試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用。目前采用的拼接方式主要有兩種。

1）干接。剪力鍵+環(huán)氧黏結(jié)劑+預(yù)應(yīng)力，工程應(yīng)用中剪力鍵做法有多種：素混凝土小剪力鍵、預(yù)埋鋼結(jié)構(gòu)剪力鍵、類似牛腿的鋼筋混凝土剪力鍵。沙麗新等[1]對(duì)蓋梁進(jìn)行橫向分塊，采用剪力鍵+環(huán)氧樹脂膠結(jié)接縫的拼接方式，利用有限元軟件進(jìn)行了線性彈性和非線性分析，驗(yàn)證了方案的可行性。閆興非等[2]對(duì)橫向分塊預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁的抗彎性能進(jìn)行了正常使用極限狀態(tài)和地震工況試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：蓋梁的拼接縫是薄弱環(huán)節(jié)，偏心荷載作用下，素混凝土剪力鍵徹底剪壞，蓋梁的極限承載力降低11%，開裂荷載安全系數(shù)為1.1，極限承載力安全系數(shù)為1.8。

干接方式現(xiàn)場(chǎng)工作量少、施工快捷、工期短、對(duì)周圍環(huán)境影響小，但干接縫處容易進(jìn)入空氣和水，對(duì)預(yù)應(yīng)力耐久性較為不利且不易養(yǎng)護(hù)檢修，造成的事故后果也是比較嚴(yán)重的。下一步應(yīng)對(duì)接縫處耐久性進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2）濕接。預(yù)留后澆帶，鋼筋連接，吊裝就位后澆筑混凝土形成整體。濕接方式受力性能、耐久性等較好；但外觀有色差，現(xiàn)場(chǎng)需要澆筑混凝土，施工較為繁瑣，工期稍長(zhǎng)，需要搭設(shè)支架，對(duì)周圍環(huán)境影響稍大。陸元春等[3]提出橫向分段預(yù)制裝配預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁構(gòu)造，設(shè)置較小的濕接縫并通過預(yù)埋的上下型鋼搭接構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確就位，濕接縫內(nèi)澆筑UHPC提高受力性能，避免現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)支架、縮短了工期，是一種較好的拼接方式；但外觀上還存在色差。

下一步可通過對(duì)構(gòu)造進(jìn)一步優(yōu)化避免色差，例如將側(cè)面、底面的表面一定厚度混凝土對(duì)接，采用環(huán)氧黏結(jié)劑連接，只保留頂面濕接寬度用于澆筑UHPC。

1.4 豎向分層式

下層預(yù)制、上層現(xiàn)澆，這種方式受力性、耐久性等較好，避免了現(xiàn)澆需要搭設(shè)的支架；但外觀有色差、現(xiàn)場(chǎng)需要澆筑大量混凝土、施工較為繁瑣、工期稍長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用較少。

2 墩柱預(yù)制拼裝連接技術(shù)

常用的墩柱拼裝連接方式有現(xiàn)澆濕接頭、承插式、插槽式、預(yù)應(yīng)力連接、灌漿套筒、金屬波紋管、UHPC等。

2.1 現(xiàn)澆濕接頭連接

性能最接近整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，同時(shí)也繼承了傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，早期在跨海大橋中應(yīng)用較多，近年很少采用。

2.2 承插式連接

主要用于墩柱與承臺(tái)連接，施工精度要求低、工序簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量少，是一種有競(jìng)爭(zhēng)力的連接方式。最小承插深度0.7D～1.0D（D為橋墩橫截面尺寸）[4～6]；破壞模式與傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式相同，墩柱發(fā)生彎曲破壞，而耗能及延性性能小于傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式；通過合理的嵌入深度和灌漿料強(qiáng)度，可以使抗震性能接近于傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式。見圖1。

圖1 承插式連接

2.3 插槽式連接

主要用于蓋梁與墩柱的連接，雖然現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土需要一定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間；但施工精度要求較低、工序簡(jiǎn)單、立柱鋼筋伸入蓋梁，蓋梁鋼筋可以不截?cái)?，蓋梁的整體性好、造價(jià)低且施工質(zhì)量容易控制、外觀佳且接縫處的力學(xué)性能與傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式基本相同，是一種有競(jìng)爭(zhēng)力的連接方式。

2.4 預(yù)應(yīng)力連接

一般用于墩柱節(jié)段連接，具有一定的復(fù)位能力，模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化程度較高。但傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力施工方式工藝較復(fù)雜且抗震延性和耗能能力差；自鎖式預(yù)應(yīng)力錨固體系，能夠大大提高施工便捷性；通過增加耗能鋼筋來改善其延性和耗能能力。在運(yùn)輸、吊裝能力有限的情況下，高墩需分節(jié)段，可采用本連接方式。

2.5 灌漿套筒連接

可用于立柱與蓋梁、承臺(tái)及立柱節(jié)段之間的連接，具有安裝方便、現(xiàn)場(chǎng)工作量小等優(yōu)點(diǎn)；但施工精度要求高、灌漿檢測(cè)困難、造價(jià)相對(duì)較高；其正常使用極限狀態(tài)，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式的力學(xué)性能相近；預(yù)埋于墩柱中的套筒對(duì)塑性鉸區(qū)有影響；套筒預(yù)埋于承臺(tái)中，預(yù)制墩柱具有與傳統(tǒng)現(xiàn)澆墩柱相近的抗震性能；雙主墩縱橋向受力性能與傳統(tǒng)現(xiàn)澆雙柱接近，甚至略好，橫橋向由于接縫降低了框架節(jié)點(diǎn)的剛性，承載力和剛度小于傳統(tǒng)現(xiàn)澆雙柱；采用帶芯片或壓力傳感器的智能套筒可以解決檢測(cè)難題[7～8]。

以往研究較多的是接縫的受力性能，對(duì)耐久性的研究較少，尤其與承臺(tái)的接縫，長(zhǎng)期處于干濕交替區(qū)，接縫面僅由一層很薄的無收縮水泥基砂漿連接，是整個(gè)墩柱的薄弱環(huán)節(jié)，一旦產(chǎn)生裂縫，很容易造成墩柱主筋銹蝕等耐久性問題，今后應(yīng)加強(qiáng)該處耐久性的研究。

2.6 金屬波紋管連接

常用在立柱與蓋梁、承臺(tái)的連接，具有現(xiàn)場(chǎng)工作量小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)；但施工精度要求高、鋼筋錨固長(zhǎng)度大、安裝略有不便、灌漿檢測(cè)困難。波紋管采用鋼筋錨固，力學(xué)性能與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相近，在我國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)高架橋項(xiàng)目上應(yīng)用較多且使用效果較好；但也存在類似灌漿套筒的耐久性問題。

2.7 UHPC連接

可用于立柱與蓋梁、承臺(tái)及立柱節(jié)段之間的連接。利用UHPC灌漿料大大縮短鋼筋搭接長(zhǎng)度，僅需10d（d為鋼筋直徑），具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便快捷的特點(diǎn)，已在上海地區(qū)有實(shí)際工程應(yīng)用。理論和試驗(yàn)研究結(jié)果表明，UHPC連接結(jié)構(gòu)幾乎只在非接縫區(qū)破壞，整個(gè)結(jié)構(gòu)具有較好的延性和耗能能力，能夠滿足抗震性能需求，是較好的拼接方式。見圖2。

圖2 UHPC連接

3 連接材料

近幾年涌現(xiàn)的用于橋墩裝配的連接材料主要有灌漿套筒和灌漿料。

3.1 灌漿套筒

灌漿套筒是連接兩個(gè)構(gòu)件受力主筋的關(guān)鍵材料之一，鋼筋通過高強(qiáng)灌漿料實(shí)現(xiàn)在套筒內(nèi)錨固的要求。宜采用高強(qiáng)球墨鑄鐵、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼制作，可以融合芯片或壓力傳感器成為智能套筒，實(shí)現(xiàn)灌漿檢測(cè)，目前用于橋梁的灌漿套筒產(chǎn)品已相當(dāng)成熟。

3.2 灌漿料

灌漿料是連接兩個(gè)構(gòu)件受力主筋的關(guān)鍵材料之一，鋼筋通過高強(qiáng)灌漿料大大縮短錨固長(zhǎng)度且其1 d內(nèi)抗壓強(qiáng)度就能達(dá)到35 MPa，3 d內(nèi)達(dá)到60 MPa，可以大大縮短工期，實(shí)現(xiàn)快速拼裝。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)制構(gòu)件連接追求的目標(biāo)是施工快捷高效、質(zhì)量穩(wěn)定可控、造價(jià)合理、耐久性好、靜力和抗震性能與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)接近。目前工程中應(yīng)用較多的連接方式為承插式、灌漿套筒和金屬波紋管，這些技術(shù)克服了大部分現(xiàn)澆施工的缺點(diǎn)，基本實(shí)現(xiàn)了可復(fù)制推廣的綠色化建造；但在實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、信息化、集約化和產(chǎn)業(yè)化方面上還有很長(zhǎng)的路要走。在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)不同的工程建設(shè)條件、結(jié)構(gòu)形式、連接部位，不斷改進(jìn)和研發(fā)新的連接技術(shù)，滿足不斷發(fā)展的預(yù)制裝配橋梁技術(shù)的需要。