裝配式混凝土橋墩施工技術(shù)綜述

歐智菁，薛文浩，謝銘勤，韋建剛

(福建工程學(xué)院，福建 福州 350118)

1 引言

隨著中國城市化進(jìn)程快速推進(jìn)以及橋梁施工技術(shù)的進(jìn)步，裝配式混凝土橋墩憑借其施工質(zhì)量高、現(xiàn)場作業(yè)時間短、對既有交通設(shè)施運(yùn)營的影響小、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，已成為中國橋梁下部結(jié)構(gòu)施工建設(shè)的重要發(fā)展方向，并在中國跨海大橋和城市橋梁建設(shè)中獲得了成功應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外采用預(yù)制裝配橋墩技術(shù)的橋梁工程如表1所示。

目前國內(nèi)外對于裝配式混凝土橋墩的靜動力性能、設(shè)計理論方面的研究成果較為豐富。文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了現(xiàn)澆式及裝配式混凝土橋墩的擬靜力對比試驗(yàn)，比較分析兩者的破壞形式、水平承載力、累積耗能及位移延性等性能；文獻(xiàn)[4] 開展了裝配式混凝土橋墩的抗震性能試驗(yàn)，建立了裝配式橋墩接縫的整體分析模型，驗(yàn)證了并聯(lián)彈簧接縫纖維模型可較好模擬干接縫連接區(qū)域的力學(xué)行為；文獻(xiàn)[5]采用Abaqus有限元分析軟件，建立節(jié)段預(yù)制無黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力環(huán)形截面橋墩的實(shí)體模型，深入探討耗能鋼筋配筋率、預(yù)應(yīng)力筋配筋率、預(yù)應(yīng)力度等參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[6]總結(jié)了全預(yù)制裝配式橋墩的設(shè)計原則，分析了其設(shè)計技術(shù)要點(diǎn)和設(shè)計思路；文獻(xiàn)[7]介紹了裝配式公路橋墩的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用Ansys有限元軟件驗(yàn)算裝配式橋墩的穩(wěn)定性，并通過拼裝、靜載和通載試驗(yàn)驗(yàn)證了橋墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性；文獻(xiàn)[8]總結(jié)了裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土雙柱橋墩的工程應(yīng)用和抗震性能研究現(xiàn)狀，介紹了基于性能設(shè)計的橋梁設(shè)計方法，為裝配式雙柱墩在中國的推廣應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

表1 國內(nèi)外采用裝配式混凝土橋墩的工程實(shí)例

綜上所述，目前關(guān)于裝配式混凝土橋墩的研究主要集中在抗震性能和計算理論方面，而針對該類橋墩的施工方法和檢測技術(shù)方面的研究相對較少，僅少量文獻(xiàn)對預(yù)制裝配式橋墩的施工流程及鋼模板等技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行研究。因此，該文主要針對裝配式混凝土橋墩的連接構(gòu)造和受力特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，介紹主要施工工藝、檢測技術(shù)及重要的質(zhì)量控制點(diǎn)，旨在為裝配式混凝土橋墩的應(yīng)用推廣提供研究基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

2 裝配式橋墩的連接構(gòu)造

預(yù)制混凝土構(gòu)件中鋼筋的連接，是裝配式混凝土橋墩施工的核心技術(shù)，其連接方式主要有灌漿套筒、灌漿金屬波紋管、預(yù)應(yīng)力筋等方式。以下分別介紹預(yù)制墩身節(jié)段、預(yù)制墩身與蓋梁及承臺的連接構(gòu)造。

2.1 預(yù)制墩身節(jié)段之間的連接構(gòu)造

2.1.1 灌漿套筒連接

灌漿套筒(圖1)由套筒、帶肋鋼筋和灌漿料3部分組成，是預(yù)制混凝土墩身節(jié)段拼裝連接的樞紐，在施工過程中至關(guān)重要。其力學(xué)原理為：向套筒內(nèi)灌注無收縮或微膨脹水泥砂漿灌漿料，隨著灌漿料的硬化，鋼筋橫肋與套筒內(nèi)壁緊密齒合，同時帶肋鋼筋的粗糙面產(chǎn)生摩擦力，保證連接受力的平穩(wěn)性和安全性，連接效果良好。

圖1 灌漿套筒

預(yù)制墩身節(jié)段連接(圖2)時的施工工序?yàn)椋合虏款A(yù)制墩身節(jié)段頂鋪設(shè)20 mm高強(qiáng)無收縮砂漿墊層并找平，接著進(jìn)行上部預(yù)制墩身節(jié)段吊裝；精確定位上部預(yù)制墩身節(jié)段，在其灌漿套筒內(nèi)灌注高強(qiáng)無收縮水泥灌漿料，然后對灌漿孔及出漿孔進(jìn)行密封；待連接套筒內(nèi)灌漿料強(qiáng)度滿足要求后，施工下道工序。

目前在國內(nèi)外已有較多橋梁運(yùn)用灌漿套筒連接構(gòu)造進(jìn)行連接預(yù)制墩身節(jié)段，例如美國佛羅里達(dá)州Edison海灣橋、佐治亞州Interstate 85 interchange橋梁、I-5 Grand Mount to Maytown I/C2-Span Precast Girder Bridge。中國國內(nèi)也有一些灌漿套筒裝配式施工工程實(shí)例，如表2所示。

圖2 預(yù)制墩身節(jié)段之間的灌漿套筒連接

表2 中國灌漿套筒裝配式橋墩工程實(shí)例

2.1.2 灌漿波紋管連接

灌漿金屬波紋管連接的施工步驟為：預(yù)制墩身節(jié)段之間的接觸面處采用高強(qiáng)砂漿墊層，通過預(yù)埋于上部預(yù)制墩身節(jié)段內(nèi)的灌漿金屬波紋管連接下部預(yù)制墩身伸出的錨固鋼筋并灌注高強(qiáng)無收縮水泥灌漿料填充在鋼筋與金屬波紋管間隙內(nèi)，硬化后完成對鋼筋的錨固，即可形成預(yù)制墩身節(jié)段之間的連接構(gòu)造。中國采用灌漿波紋管連接裝配式橋墩的工程實(shí)例有上海安波路匝道工程。

2.1.3 預(yù)應(yīng)力筋連接

預(yù)制拼裝橋墩中預(yù)應(yīng)力筋-錨具組裝件的施工原理為：預(yù)制橋墩內(nèi)預(yù)留孔洞，將預(yù)應(yīng)力筋一端錨固在承臺的固定端錨固系統(tǒng)中；另一端用錨具錨固于蓋梁并張拉，以實(shí)現(xiàn)墩身節(jié)段之間的連接(圖3)。

目前中國上海市中心城區(qū)南北高架中興路匝道、港珠澳大橋中橋非通航孔深水區(qū)主體橋梁下部結(jié)構(gòu)的墩身采用的連接方式都為此種連接構(gòu)造。如港珠澳大橋的部分裝配式混凝土橋墩，采用二段式或三段式預(yù)制墩身，預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固位置分別位于上下節(jié)墩身接縫處、墩頂及承臺連接處。

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼筋連接構(gòu)造示意圖

2.2 預(yù)制墩柱與承臺的連接構(gòu)造

預(yù)制混凝土橋墩與橋梁承臺的連接方式主要有承插連接、定位墩連接和灌漿套筒等，以下分別介紹這3種連接方式的細(xì)部構(gòu)造和應(yīng)用橋例。

2.2.1 承插連接

承插式(圖4)的施工原理為：預(yù)制墩身插入承臺(可現(xiàn)澆或預(yù)制)的預(yù)留孔內(nèi)，兩者之間沒有鋼筋連接，在承臺底部鋪設(shè)一定厚度的砂漿，周圍用細(xì)石混凝土澆筑填實(shí)。

2016 年中國上海嘉閔高架北二段橋梁工程中有3 km采用了橋梁全預(yù)制拼裝技術(shù)，其中一座匝道橋采用了承插式連接構(gòu)造，預(yù)制橋墩與現(xiàn)澆承臺或預(yù)制橋臺連接。

圖4 承插式連接示意圖

2.2.2 定位墩連接

承臺與預(yù)制墩身之間也可采用定位墩連接(圖5)，其施工原理為：承臺與定位墩一體化施工，預(yù)制墩身可通過定位墩上預(yù)留的定位孔實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位；定位孔下部設(shè)有構(gòu)造槽，在預(yù)制墩身與定位孔之間綁扎鋼筋澆筑混凝土完成連接。在京臺高速安徽段改擴(kuò)建工程中，其部分橋梁采用此種方式進(jìn)行預(yù)制墩身與承臺進(jìn)行連接。

2.2.3 灌漿套筒連接

預(yù)制混凝土墩身與承臺連接之間還可采用傳統(tǒng)的灌漿套筒進(jìn)行連接，灌漿套筒可設(shè)置在預(yù)制墩身或承臺內(nèi)部，如圖6所示。

圖5 定位墩連接構(gòu)造

圖6 墩柱與承臺之間的灌漿套筒連接

2.3 蓋梁與預(yù)制墩身的連接構(gòu)造

預(yù)制混凝土橋墩與橋梁蓋梁的連接方式主要有預(yù)埋鋼板焊接連接、預(yù)應(yīng)力筋連接和榫頭式連接，以下分別介紹這3種連接方式的細(xì)部構(gòu)造和應(yīng)用橋例。

2.3.1 預(yù)埋鋼板焊接連接

預(yù)制混凝土墩身與橋梁蓋梁采用預(yù)埋鋼板焊接連接方式(圖7)的施工原理為：在預(yù)制墩身頂端和預(yù)制蓋梁下端預(yù)埋鋼板，安裝蓋梁時，將預(yù)制墩身頂端和預(yù)制蓋梁下端預(yù)埋的鋼板沿四周進(jìn)行焊接。目前中國的九曲河大橋、重慶軌道交通1號線大學(xué)城段節(jié)點(diǎn)工程均是采用預(yù)埋鋼板焊接的連接構(gòu)造。

圖7 預(yù)埋鋼板構(gòu)造示意圖

2.3.2 預(yù)應(yīng)力筋連接

預(yù)制蓋梁與預(yù)制墩身之間可采用預(yù)應(yīng)力筋連接(圖8)，其施工原理為：將預(yù)應(yīng)力鋼筋一端錨固在預(yù)制墩身的固定端錨固系統(tǒng)中，吊裝預(yù)制蓋梁時將預(yù)應(yīng)力筋穿過蓋梁中的預(yù)留孔洞；另一端在蓋梁上用錨具進(jìn)行錨固張拉以形成有效連接的方法。此外，預(yù)制墩身與蓋梁連接也可采用灌漿套筒、金屬波紋管等構(gòu)造進(jìn)行連接。

圖8 預(yù)應(yīng)力筋連接

2.3.3 榫頭式連接

榫頭式連接(圖9)的施工方式為：在與蓋梁連接的預(yù)制混凝土墩身中部區(qū)域預(yù)留混凝土凸起，在預(yù)制蓋梁對應(yīng)區(qū)域預(yù)留凹槽。蓋梁安裝時，預(yù)制混凝土墩身中部區(qū)域的混凝土凸起與蓋梁的凹槽正好對接。榫頭式連接的施工精度要求較高，施工難度較大，實(shí)際工程采用較少。

圖9 榫頭式連接示意圖

3 施工工藝及檢測技術(shù)

預(yù)制裝配式橋墩的施工工藝及檢測方法是裝配式橋墩在中國橋梁工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，以下以上海《預(yù)制拼裝混凝土橋墩技術(shù)規(guī)程》為主要依據(jù)，針對采用灌漿套筒(波紋管)連接的裝配式橋墩預(yù)制與拼裝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行具體介紹。

3.1 灌漿套筒連接適用范圍

灌漿套筒(波紋管)連接構(gòu)造主要適用于非抗震設(shè)計、抗震防設(shè)烈度為6度及7度抗震設(shè)計區(qū)域內(nèi)、裝配式混凝土橋墩的設(shè)計和施工。

3.2 裝配式橋墩預(yù)制施工工藝

裝配式橋墩預(yù)制長度應(yīng)考慮拼接縫處調(diào)節(jié)墊塊厚度，主要受力鋼筋的下料長度偏差應(yīng)控制在±2 mm范圍內(nèi)。墩身鋼筋籠中的灌漿連接套筒應(yīng)采取加固措施保證吊裝及混凝土澆筑時不發(fā)生變形或移位，用于調(diào)節(jié)的預(yù)埋件也應(yīng)在預(yù)制墩身預(yù)制時進(jìn)行安裝。墩身節(jié)段宜豎向預(yù)制，混凝土宜一次性澆筑完成。由于運(yùn)輸條件的限制，建議預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸重量控制在200 t以內(nèi)。在墩身混凝土澆筑前后應(yīng)對灌漿連接套筒定位、鋼筋籠或鋼筋定位進(jìn)行檢查和復(fù)測，允許偏差均為±2 mm。

灌漿連接套筒現(xiàn)場拼裝端應(yīng)采用裝有定位銷的定位板定位，安裝允許偏差為±2 mm。灌漿連接套筒與箍筋連接時應(yīng)采用綁扎，不得采用焊接連接。

3.3 裝配式橋墩拼裝施工工藝

裝配式橋墩墩身節(jié)段的拼裝工序?yàn)椋菏紫葢?yīng)進(jìn)行拼接縫測量，并在其拼接縫處均勻涂刷環(huán)氧黏結(jié)劑；之后進(jìn)行節(jié)段拼裝，并對其垂直度和標(biāo)高進(jìn)行測量控制和調(diào)節(jié)；最后采用灌漿套筒連接。預(yù)制墩身上節(jié)節(jié)段應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)設(shè)備，拼裝就位后需設(shè)置臨時支承措施防止傾覆。

裝配式墩身與承臺及蓋梁的拼裝工序?yàn)?首先應(yīng)對拼接縫進(jìn)行測量，在其四周鋪設(shè)擋漿模板；之后，對放置在拼接縫處的調(diào)節(jié)墊塊進(jìn)行找平并鋪設(shè)砂漿墊層；隨后進(jìn)行預(yù)制墩身的吊裝，就位后應(yīng)注意測量和調(diào)節(jié)預(yù)制墩身的垂直度和標(biāo)高以保證定位的精度；最后進(jìn)行灌漿套筒連接或者灌漿金屬波紋管連接。預(yù)制墩與承臺拼裝前應(yīng)進(jìn)行匹配拼裝，混凝土澆筑前后都應(yīng)對預(yù)留鋼筋、灌漿連接套筒或灌漿金屬波紋管定位進(jìn)行檢查，允許偏差為±2 mm。

為保證拼裝時連接構(gòu)造的傳力可靠，灌漿套筒內(nèi)的灌漿料強(qiáng)度應(yīng)大于35 MPa，拼裝時氣溫若低于5 ℃，應(yīng)對灌漿料進(jìn)行保溫處理，使其溫度維持在10～40 ℃范圍內(nèi)；拌和灌漿料成品溫度不低于10 ℃。

3.4 灌漿連接工藝

在進(jìn)行灌漿套筒或灌漿金屬波紋管灌漿前，應(yīng)對其內(nèi)腔再次檢查以確保其內(nèi)通暢無雜物，套筒內(nèi)填充的高強(qiáng)無收縮水泥灌漿料應(yīng)在拼裝前一天進(jìn)行流動度測試及1 d齡期抗壓強(qiáng)度測試。灌漿施工應(yīng)保持連續(xù)，在灌漿完成后應(yīng)及時清理殘留在構(gòu)件上的多余漿體。同時，為保證鋼筋、灌漿料及套筒體系可靠，灌漿拼接端鋼筋錨固長度不應(yīng)小于10ds(ds為被連接縱向鋼筋直徑)；為保證壓漿質(zhì)量，壓漿順序應(yīng)由下至上，并保證在壓漿口下緣布置箍筋，因此，壓漿口下緣與端部凈距應(yīng)大于20 mm。

4 裝配式橋墩新型連接方式

4.1 可檢查式新型灌漿套筒

為解決傳統(tǒng)灌漿套筒連接裝配式橋墩施工中灌漿不密實(shí)的問題，文獻(xiàn)[43]提出了一種可檢查式新型灌漿套筒，圖10為新型套筒和現(xiàn)有套筒的對比圖。

由圖10對比可知：可檢查式灌漿套筒相對于傳統(tǒng)的灌漿套筒長度更長且多一個孔洞，進(jìn)行連接時，可先從C孔進(jìn)行注漿，若漿體達(dá)到或高于B孔所在高度則滿足灌漿要求；否則需從B孔進(jìn)行注漿以使?jié){體能達(dá)到A孔所在高度以滿足灌漿要求。此種新型套筒連接可實(shí)現(xiàn)BC段灌漿質(zhì)量的檢查，從而有效避免傳統(tǒng)灌漿套筒混凝土不密實(shí)等質(zhì)量問題。同時，由于套筒中間為受力的薄弱部位，故采用加厚處理，保證結(jié)構(gòu)安全。

圖10 新型套筒和傳統(tǒng)套筒對比圖

4.2 內(nèi)嵌鋼管預(yù)應(yīng)力新型裝配式混凝土橋墩

2008年Chang Su Shim等學(xué)者提出了內(nèi)嵌鋼管預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土橋墩[圖11(a)]，在預(yù)制節(jié)段墩柱中預(yù)留鋼管孔洞，其中預(yù)應(yīng)力筋穿過鋼管內(nèi)孔道不灌漿形成后張無黏結(jié)形式，而鋼管外需灌漿。鋼管與預(yù)應(yīng)力筋貫通全部節(jié)段，實(shí)現(xiàn)橋墩裝配式的功能。

圖11 內(nèi)嵌鋼管預(yù)應(yīng)力新型裝配式混凝土橋墩

2017年杜青等學(xué)者在此基礎(chǔ)上，提出了內(nèi)嵌鋼管預(yù)應(yīng)力新型裝配式橋墩結(jié)構(gòu)[圖11(b)]，相對于內(nèi)嵌鋼管預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土橋墩，其預(yù)應(yīng)力鋼筋不通過鋼管，而是單獨(dú)預(yù)留孔洞讓其穿過，在鋼管中填充混凝土。預(yù)應(yīng)力筋主要提供自復(fù)位能力，而鋼管主要提供耗能能力和部分抗剪能力。

國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了對該類構(gòu)件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，分析試件的滯回曲線、骨架曲線、耗能能力、延性等抗震性能。研究表明：內(nèi)嵌鋼管預(yù)應(yīng)力新型裝配式混凝土橋墩較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土橋墩，具有更小的截面和更高的強(qiáng)度，往復(fù)荷載作用下固有的延性和韌性更大，與普通鋼筋相比有強(qiáng)耐火特性，由于鋼管和混凝土的復(fù)合作用和約束作用有更高的承載能力。內(nèi)嵌鋼管的加入有效改善了節(jié)段裝配式橋墩的抗剪和耗能性能，有效提高了整體抗震性能和耗能能力，并減小了配筋率。在接縫處有效抵抗剪切應(yīng)力，避免了結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞，顯著改善了預(yù)制搖擺體系的初始剛度和屈服后剛度。

近年來，中國專家學(xué)者還提出鋼板外包+U肋+精軋螺紋鋼連接、立柱嵌套連接、鋼管套接的連接等裝配式混凝土橋墩的連接構(gòu)造，但這些新型連接構(gòu)造在實(shí)際工程中尚未應(yīng)用，其靜力性能、抗震性能及工程適用性等需進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論

該文較系統(tǒng)地總結(jié)了預(yù)制裝配式橋墩的連接方式、施工原理、細(xì)部構(gòu)造以及國內(nèi)外工程應(yīng)用情況，介紹了裝配式橋墩施工檢測關(guān)鍵技術(shù)及質(zhì)量控制要求，得到以下主要結(jié)論：

(1) 裝配式墩柱的主要連接方式有灌漿套筒連接、預(yù)應(yīng)力筋連接、插槽式連接等。其中灌漿套筒連接構(gòu)造制作方便、施工便捷，適用面廣(預(yù)制墩身節(jié)段間、預(yù)制墩身與承臺或蓋梁間均可采用該構(gòu)造連接)，適用于城市橋梁工程建設(shè)，且技術(shù)較為成熟，已有相關(guān)規(guī)程可作為裝配式混凝土橋墩工程應(yīng)用時的技術(shù)指導(dǎo)。

(2) 裝配式混凝土橋墩施工時，應(yīng)著重對灌漿連接套筒的定位、節(jié)段拼裝預(yù)制墩身的垂直度和標(biāo)高進(jìn)行測量和調(diào)節(jié)，以確保施工精度；同時對混凝土澆筑過程的施工連續(xù)性進(jìn)行監(jiān)控，并對灌漿料的流動度及抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測，以保證連接質(zhì)量。

(3) 介紹了可檢查式套筒及內(nèi)嵌鋼管預(yù)應(yīng)力新型裝配式混凝土橋墩等傳力可靠的新型連接構(gòu)造，今后可針對裝配式混凝土橋墩新型材料、新型連接構(gòu)造和BIM信息模型技術(shù)等促進(jìn)建設(shè)工程產(chǎn)業(yè)化等方面開展更深入的研究。