基于裝配式技術(shù)理念的墩臺與基礎(chǔ)課程教學(xué)探討

葛繼平

摘要：結(jié)合土木工程裝配式技術(shù)發(fā)展的新形勢，探討將裝配式設(shè)計施工理念貫穿于墩臺與基礎(chǔ)課程教學(xué)過程的途徑。在相應(yīng)的課程設(shè)置、大學(xué)生創(chuàng)新平臺方面提出具體方案和建議，培養(yǎng)創(chuàng)新型、實用型專業(yè)復(fù)合人才。

關(guān)鍵詞：墩臺；基礎(chǔ)工程；裝配式；教學(xué)改革；課程教學(xué)

中圖分類號：G642.0；TU997 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）03-0078-04

國家積極倡導(dǎo)土木工程向優(yōu)質(zhì)、節(jié)約、環(huán)保和工業(yè)化方向發(fā)展，整個行業(yè)急需掌握預(yù)制裝配化的專業(yè)技術(shù)人才，以帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的升級發(fā)展。橋梁的施工技術(shù)需要不斷的探討研究，因施工工藝和橋梁結(jié)構(gòu)形式存在多樣性，不同的施工環(huán)境和施工技術(shù)會產(chǎn)生新型的橋梁形式。伴隨施工技術(shù)的進步，裝配式施工方式應(yīng)運而生。該技術(shù)的出現(xiàn)是中國橋梁施工技術(shù)的一大突破?！肮S化制造，裝配式施工”模式是土木工程施工的發(fā)展方向，在橋梁主梁、防撞欄桿等上部結(jié)構(gòu)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但對于橋墩、承臺等下部結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的做法還是以現(xiàn)場澆筑的方式進行設(shè)置，沒有體現(xiàn)“工廠化制造，裝配式施工”的觀點。隨著下部結(jié)構(gòu)裝配式技術(shù)研究的逐步開展和示范性工程的實踐，傳統(tǒng)課程內(nèi)容也不適合土木工程發(fā)展的要求。目前，墩臺與基礎(chǔ)課程教改論文選題主要集中在傳統(tǒng)教學(xué)領(lǐng)域，比如啟發(fā)式教學(xué)、板書與多媒體并重、注重能力考核、教師與學(xué)生加強互動等方面[1-5]。如何在傳統(tǒng)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在課程教學(xué)中引入裝配式施工理念，尚未見相關(guān)教改論文發(fā)表，這是值得探討的一個問題。

一、裝配式橋墩技術(shù)的發(fā)展

裝配式橋梁墩柱的施工是目前一種比較成熟的施工方式。該方式性能可靠，施工方便便捷，大大縮短了施工工期。但是該技術(shù)操作相對比較困難，對施工人員的素質(zhì)要求比較高。

目前預(yù)制節(jié)段拼裝技術(shù)主要應(yīng)用在低地震烈度區(qū)。隨著對預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩抗震性能研究的增多，對其抗震性能的了解認識就越深入，也促進了節(jié)段拼裝橋墩技術(shù)在中高地震烈度區(qū)的應(yīng)用。預(yù)制節(jié)段的拼接縫如果設(shè)計不當(dāng)，往往成為橋梁體系的薄弱環(huán)節(jié)，使人對節(jié)段拼裝橋墩技術(shù)產(chǎn)生整體性能差、抗震能力弱的印象。但從目前國外已有的研究成果來看，只要合理設(shè)計，節(jié)段拼裝橋墩是可以具有良好抗震性能的。如果利用新材料、新構(gòu)造思路、新設(shè)計理念，節(jié)段拼裝橋墩還可以獲得比現(xiàn)澆橋墩更優(yōu)異的抗震性能。

裝配式橋墩設(shè)計的關(guān)鍵是鋼筋的連接技術(shù)。最常見的類型有：鋼筋焊接器、螺紋鋼筋連接器、螺釘錨固連接器、鋼筋拼接連接器、灌漿套筒連接器、灌漿螺紋套筒連接器等。灌漿連接器相比其他類型應(yīng)用得更為普遍。其他的連接形式有：（1）灌漿波紋管的連接方式，該連接構(gòu)造常用于墩身與承臺或墩身與蓋梁的連接，預(yù)制墩身通過預(yù)埋于蓋梁或承臺內(nèi)的灌漿金屬波紋管連接墩身內(nèi)伸出的鋼筋，在墩身與蓋梁或承臺之間的接觸面往往采用砂漿墊層，墩身節(jié)段之間采用環(huán)氧膠接縫構(gòu)造。該構(gòu)造現(xiàn)場施工時間短，但需要滿足縱筋足夠的錨固長度，其力學(xué)性能與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩類似。目前國外已有少數(shù)橋梁使用這種連接構(gòu)造進行施工，高地震危險區(qū)域內(nèi)應(yīng)用較少。（2）承插式連接構(gòu)造是將預(yù)制墩身插入基礎(chǔ)對應(yīng)的預(yù)留孔內(nèi)，插入長度一般為墩身截面尺寸的1.2～1.5倍，底部鋪設(shè)一定厚度的砂漿，周圍用半干硬性混凝土填充。優(yōu)點是施工工序簡單，現(xiàn)場作業(yè)量少。很明顯，這種連接形式的性能表現(xiàn)、預(yù)制組件的埋置深度是一個關(guān)鍵參數(shù)。后張預(yù)應(yīng)力方式采用預(yù)應(yīng)力鋼鉸線串聯(lián)成整體，在構(gòu)件的拼接段上涂以環(huán)氧樹脂水泥膠薄層，在其硬化前合攏使拼接面密貼，提高結(jié)構(gòu)抗剪能力、整體剛度和不透水性。預(yù)應(yīng)力鋼束使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，連接處可應(yīng)用耗能鋼筋增加整個結(jié)構(gòu)的能量耗散能力。在此系統(tǒng)中經(jīng)常觀測到具有自復(fù)位能力的“旗幟型”滯回曲線、新技術(shù)的采用，比如形狀記憶合金代替普通鋼筋、水泥基纖維復(fù)合材料等。

二、 裝配式技術(shù)理念在課程教學(xué)中的體現(xiàn)

墩臺與基礎(chǔ)課程為土木工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程主要講授常見的墩臺、地基基礎(chǔ)的設(shè)計理論和計算方法等內(nèi)容，包括地基基礎(chǔ)設(shè)計原則、淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、擋土墻、基坑工程等。通過學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握地基基礎(chǔ)設(shè)計的基本原理，具有進行一般工程基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)劃的能力，并能結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和施工知識，分析地基基礎(chǔ)問題，從而保證各類橋梁安全可靠，正常使用，不發(fā)生各種地基基礎(chǔ)工程事故。該課程知識覆蓋面廣、內(nèi)容豐富、實踐性強，在教學(xué)中應(yīng)突出重點，加強實踐教學(xué)，采用多樣化的教學(xué)手段，重視生產(chǎn)實習(xí)等實踐環(huán)節(jié)，以提高教學(xué)效果。筆者所在學(xué)校墩臺與基礎(chǔ)課程，選用的教材是人民交通出版社出版的《墩臺與基礎(chǔ)》一書。在多年教學(xué)實踐中，筆者認為將墩臺與基礎(chǔ)作為一門課程來講授效果較好，因為墩臺和基礎(chǔ)同屬下部結(jié)構(gòu)，相關(guān)性更強。涉及裝配式技術(shù)的內(nèi)容可以集中以講座形式介紹，也可穿插在各個章節(jié)中介紹。

首先，在講授緒論的時候，介紹裝配式橋墩施工的工程實例和這方面的研究熱點。從20世紀50年代起，中國就在鐵路建設(shè)中開始嘗試使用裝配式橋墩。在60年代工點設(shè)計的基礎(chǔ)上發(fā)展到70年代首次在長大干線上成段全面采用裝配式橋涵，在多年的實踐中創(chuàng)造了許多結(jié)構(gòu)形式，積累了不少經(jīng)驗，顯示了橋涵建設(shè)裝配化的優(yōu)越性，收到了很好的實際效果。裝配式橋梁適用于交通較為方便的工點，在復(fù)線施工中有利于減少施工防護和開挖工作量，縮短工期；在缺乏砂石水及高原嚴寒地區(qū)，或因當(dāng)?shù)乜陀^條件須盡量壓縮施工現(xiàn)場工程量及勞動強度的地區(qū)，采用裝配式結(jié)構(gòu)則更具有現(xiàn)實意義。如青藏線希格段共修建裝配式橋涵326座，通過施工運營的考驗，接頭牢固、結(jié)構(gòu)安全，符合強度、剛度及穩(wěn)定性方面的要求。著名的成昆鐵路的和平村、張家村、牛日河4號三座大橋也是拼裝式橋墩，其中牛日河4號為雙柱式橋墩。但是隨著鐵路運輸向重載高速方向發(fā)展，鐵路橋梁中早期的裝配式橋墩設(shè)計已出現(xiàn)了不少安全隱患，需要重新對裝配式橋墩的標(biāo)準圖進行設(shè)計，滿足現(xiàn)階段的使用要求。公路橋梁方面早期的節(jié)段拼裝橋墩有北京積水潭橋試驗工程，工程中的五座橋梁為承插式預(yù)制鋼筋混凝土柱，柱頂預(yù)留鋼筋同現(xiàn)澆后張預(yù)應(yīng)力混凝土帽梁連成整體。中國著名的跨海大橋東海大橋、杭州灣大橋、上海長江大橋等，以及近期開工建造的港珠澳大橋也都采用節(jié)段拼裝橋墩的施工方案。其中東海大橋海上段20多公里的梁橋，橋墩墩身采用濕接縫連接的節(jié)段拼裝施工方法，上部結(jié)構(gòu)采用大噸位整體吊裝技術(shù)施工，這些技術(shù)的采用確保大橋在計劃施工工期內(nèi)順利完成。河北省交通戰(zhàn)備辦公室和石家莊鐵道大學(xué)國防交通研究所聯(lián)合開展研究的“裝配式公路鋼橋橋墩研制”項目，解決了橋墩搶修和便橋搭設(shè)問題，結(jié)束了中國公路搶修鋼橋自建國以來“有梁無墩”的窘境，提高了公路橋梁搶修（建）的技術(shù)水平和公路交通應(yīng)急保障能力。

第二，在講授橋墩構(gòu)造的時候，增加預(yù)制橋墩與承臺的連接構(gòu)造的介紹。連接構(gòu)造的分析，比如濕接縫、預(yù)應(yīng)力筋、灌漿套筒、機械套筒等，見本文第一節(jié)裝配式橋墩的技術(shù)發(fā)展。

第三，在施工方面，橋墩裝配按照施工方法分為就地砌筑和預(yù)制安裝兩種方法。新型裝配式橋墩的施工設(shè)計需要考慮施工單位的起吊機具、運輸工具的載重能力，道路狀況和限界要求，便于管理和互換，自然環(huán)境中的撞擊、磨損或環(huán)境凍融等不利因素對接縫的影響。在鋼筋的配置上，除了需要確定縱向鋼筋的數(shù)量外，還應(yīng)對橫向鋼筋（箍筋）進行合理的設(shè)計，以確保橋墩及基礎(chǔ)構(gòu)造物具有足夠的延性并能達到預(yù)期的性能。在參考國內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出裝配式橋墩的合理配筋。裝配式構(gòu)件的接頭設(shè)計（包括工藝方面）正確與否至關(guān)重要，因為它直接影響構(gòu)件的受力狀況，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全，同時也關(guān)系到施工現(xiàn)場的裝配工序、質(zhì)量、勞力、材料等一系列問題，所以裝配接頭形式的采用應(yīng)做各方面的比較。這方面需要調(diào)研已有拼裝式橋墩的病害，結(jié)合國外的最新研究成果，提出裝配式橋墩的設(shè)計方案。常見的幾種構(gòu)造的裝配式橋墩的施工優(yōu)缺點和施工工藝見表1。

第四，在設(shè)計計算方面，增加各種鋼筋連接技術(shù)的拉伸破壞試驗，以及各種構(gòu)造預(yù)制墩柱的破壞特征和抗震性能的差異等內(nèi)容。教學(xué)中結(jié)合上海市某高速公路和軌道交通橋梁示范性工程，介紹實驗研究和設(shè)計方案比較方面的經(jīng)驗。

三、創(chuàng)新教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情

傳統(tǒng)的課程講授主要是知識的灌輸，學(xué)生是被動接受?，F(xiàn)場現(xiàn)澆的施工工藝非常成熟，課程講授主要是教導(dǎo)學(xué)生如何按部就班地進行設(shè)計施工。裝配式技術(shù)理念的講授需要一個創(chuàng)新的平臺，因為學(xué)生在學(xué)習(xí)墩臺與基礎(chǔ)時已經(jīng)有比較多的知識儲備，比如土木工程材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)力學(xué)等基礎(chǔ)知識。學(xué)生可以采用個人或小組作品競賽的方式針對橋墩不同的部位提出自己的裝配構(gòu)造方式，教師則通過課后輔導(dǎo)，點評各種構(gòu)造的優(yōu)缺點。通過這種方式激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，對好的想法可以進一步指導(dǎo)學(xué)生申請專利。可供布置的相關(guān)題目有：橋墩與承臺之間的拼接方式；橋墩與蓋梁之間的拼接方式；蓋梁內(nèi)部分段的連接方式；墩柱內(nèi)部分段的連接方式（圖1）。

加強學(xué)生間的互動，充分激發(fā)學(xué)生的潛力，組織學(xué)生就課程相關(guān)的學(xué)術(shù)前沿開展科技創(chuàng)新活動，讓學(xué)生喜歡這門課程的學(xué)習(xí)，重視橋梁下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工，保障橋梁下部結(jié)構(gòu)的安全。針對不同教學(xué)內(nèi)容以及不同學(xué)習(xí)階段，采用討論、示范、啟發(fā)等教學(xué)方法，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，引導(dǎo)學(xué)生自主而積極地參與學(xué)習(xí)，并進行探索創(chuàng)新，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體，鼓勵學(xué)生積極思考，大膽實踐，從而提高教學(xué)效果。

四、結(jié)語

墩臺與基礎(chǔ)課程是土建專業(yè)必修的主干課程之一，提高課程教學(xué)效果對提高學(xué)生的專業(yè)能力非常關(guān)鍵。將墩臺與基礎(chǔ)兩部分結(jié)合起來講授，更能體現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點，有助于學(xué)生掌握從設(shè)計到施工的各個環(huán)節(jié)的知識點。在墩臺與基礎(chǔ)這一領(lǐng)域向?qū)W生灌輸裝配式技術(shù)理念，符合經(jīng)濟和社會發(fā)展的實際，是把墩臺與基礎(chǔ)領(lǐng)域的新成果、新技術(shù)、新工藝和新方法傳授給學(xué)生的重要體現(xiàn)。

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