預(yù)制裝配式混凝土橋梁結(jié)構(gòu)2019年度研究進(jìn)展

張子飏，鄧開來,b，徐騰飛,b

(西南交通大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b. 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

與傳統(tǒng)混凝土橋梁施工相比，預(yù)制裝配化施工能加快建造速度，節(jié)約資源、能源，既降低環(huán)境對(duì)施工的干擾，又降低施工對(duì)環(huán)境(含既有交通)的影響，提升建設(shè)質(zhì)量與安全水平等。因此，預(yù)制裝配混凝土橋梁特別適用于交通復(fù)雜的市政道路、艱險(xiǎn)環(huán)境下的公路與鐵路建設(shè)。

隨著混凝土橋梁的預(yù)制裝配工藝被廣泛應(yīng)用，預(yù)制裝配混凝土橋梁也逐漸成為研究熱點(diǎn)。筆者通過文獻(xiàn)調(diào)研的方式，梳理2019年度預(yù)制裝配式混凝土橋梁的研究進(jìn)展，希望可以為廣大同行開展相關(guān)研究工作提供參考與思路，期待預(yù)制裝配橋梁在中國得到更合適與更廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的不同，將預(yù)制裝配混凝土橋梁研究分為橋墩與上部結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配等兩部分。在橋墩的預(yù)制裝配中，介紹預(yù)制墩柱的連接工藝與節(jié)點(diǎn)性能、預(yù)制裝配橋墩的抗震性能、高性能新材料的應(yīng)用與新型預(yù)制裝配橋墩體系等。在上部結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配中，介紹橋面連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能、預(yù)制裝配橋面的整體性能、預(yù)制裝配組合梁等。

1 橋墩的預(yù)制裝配

總體而言，2019年預(yù)制裝配橋墩的研究占比相對(duì)較高，這與橋梁預(yù)制裝配工藝的技術(shù)演進(jìn)有關(guān)。橋梁上部結(jié)構(gòu)建造已經(jīng)較多地使用預(yù)制裝配技術(shù)，相關(guān)技術(shù)也比較成熟；而預(yù)制裝配橋墩體系自1955年新奧爾良Pontchartrain橋首次采用以來，工藝技術(shù)有了長足的進(jìn)步，但無論是連接構(gòu)造、節(jié)點(diǎn)性能還是裝配式墩柱的整體性能都需要進(jìn)一步研究與發(fā)展。

橋墩作為下部結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，一直是橋梁設(shè)計(jì)和施工關(guān)注的重點(diǎn)，橋墩預(yù)制裝配化也是橋梁全預(yù)制裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

近年來，隨著橋梁工程中對(duì)預(yù)制拼裝橋墩需求的提高，學(xué)術(shù)界對(duì)預(yù)制拼裝橋墩的研究逐漸重視。2019年度，預(yù)制拼裝混凝土橋墩的研究主要有4類：預(yù)制墩柱的連接工藝與節(jié)點(diǎn)性能、預(yù)制裝配橋墩的抗震性能、高性能與新材料的應(yīng)用、新型預(yù)制裝配橋墩體系。

1.1 預(yù)制墩柱的連接工藝與節(jié)點(diǎn)性能

預(yù)制墩柱的連接工藝研發(fā)與性能改進(jìn)是預(yù)制裝配橋墩研究的首要問題。連接節(jié)點(diǎn)或相應(yīng)構(gòu)造的力學(xué)性能也是后續(xù)開展預(yù)制裝配橋墩抗震研究的基礎(chǔ)。

常用的預(yù)制墩柱連接工藝有：灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接、承插式連接、插槽式連接、現(xiàn)澆濕接縫連接、后張預(yù)應(yīng)力連接與法蘭盤連接等。套筒灌漿作為一種在預(yù)制裝配式橋墩中應(yīng)用較為廣泛的連接方式，學(xué)者們對(duì)其研究較多。

隨著灌漿套筒連接的廣泛使用，現(xiàn)場(chǎng)施工發(fā)現(xiàn)，裝配工藝對(duì)預(yù)制構(gòu)件的精度有較高的要求，無論是工程預(yù)制還是現(xiàn)場(chǎng)拼裝的施工偏差與缺陷將影響預(yù)制裝配橋墩的性能。Xu等[1]從粘結(jié)滑移關(guān)系出發(fā)，解釋了鋼筋連接套筒的約束作用對(duì)鋼筋與灌漿料間粘結(jié)強(qiáng)度的增強(qiáng)機(jī)理，考慮實(shí)際裝配過程中鋼筋在灌漿套筒中的偏心效應(yīng)，提出了鋼筋與灌漿套筒粘結(jié)滑移本構(gòu)。Lu等[2]研究了楔形灌漿套筒和楔形螺紋灌漿套筒這種新型套筒形單軸拉力下的力學(xué)性能，給出了鋼筋在接頭中所需嵌入長度約為接頭鋼筋直徑的6～6.4倍的結(jié)論。同時(shí)，接頭的抗拉能力隨著接頭桿錨固長度增加以及套管兩端楔形的長度和斜率的增加而增加，且螺紋不會(huì)顯著提高套筒的抗拉能力?？镏酒降萚3]通過人為控制灌漿料含量，研究了實(shí)際工程中灌漿不足的缺陷對(duì)灌漿套筒連接性能的影響。套筒灌漿連接承載力取決于灌漿料含量，且隨著鋼筋與灌漿料間黏結(jié)承載力和鋼筋抗拉承載力的相對(duì)大小的變化，會(huì)產(chǎn)生鋼筋拔出和鋼筋拉斷的破壞模式。這些研究表明：施工偏差與缺陷改變了預(yù)制裝配橋墩的性能。針對(duì)預(yù)制構(gòu)件的連接工藝，開展預(yù)制裝配橋墩的無損檢測(cè)方法研究，以評(píng)估既有預(yù)制裝配橋墩性能是亟須解決的問題。

1.2 預(yù)制裝配橋墩的抗震性能

作為橋梁的主要承重和抗側(cè)力構(gòu)件，預(yù)制裝配橋墩的抗震性能一直以來都是學(xué)術(shù)界與工程界關(guān)注的重點(diǎn)。裝配式橋墩在非震區(qū)、低烈度區(qū)中已得到較廣泛應(yīng)用，但因?qū)ζ淇拐鹦阅苋狈Τ浞终J(rèn)識(shí)，導(dǎo)致預(yù)制橋墩體系在中高烈度區(qū)的應(yīng)用受到限制。特別是中國幅員遼闊，地震帶多且頻繁，如果不具有良好的抗震性能，預(yù)制裝配橋墩在中國的應(yīng)用將大大受限。因此，采用各種連接方式的預(yù)制裝配式橋墩在地震作用下的極限承載力、變形與耗能能力、結(jié)構(gòu)韌性以及這些性能的改進(jìn)方法均是研究的熱點(diǎn)。2019年度的文獻(xiàn)圍繞著鋼筋連接形式[3]、灌漿套筒埋置位置[4]、承插式橋墩插入深度和側(cè)向剪力的影響[5-6]、預(yù)應(yīng)力連接的預(yù)應(yīng)力度[7-8]等展開了相關(guān)的抗震性能研究。

在灌漿套筒方面，樊澤等[4]研究了灌漿套筒位置的影響，提出在合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下套筒預(yù)埋在基礎(chǔ)的預(yù)制橋墩與套筒預(yù)埋在墩身的預(yù)制橋墩的抗震性能均能滿足要求。

承插式連接與灌漿套筒和灌漿波紋管等拼接工藝相比，施工精度要求較低；與現(xiàn)澆濕接縫、預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼接等工藝相比，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)少，是一種較為簡(jiǎn)便的連接方式。對(duì)這種連接方式，徐艷等[5]研究了承插深度對(duì)整個(gè)橋墩抗震性能的影響，研究結(jié)果表明，在良好的施工情況下，承插深度對(duì)橋墩總體的抗震性能影響不大；并給出了利用嵌巖樁嵌入基巖的深度計(jì)算最小合理承插深度的方法。Cheng等[6]認(rèn)為承插式連接中的側(cè)向抗剪機(jī)制可以提供顯著的阻力，從而有利于大垂直載荷的傳遞。

預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩因無需考慮接縫區(qū)鋼筋和不同齡期混凝土對(duì)橋墩整體性能的影響，目前在低烈度區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，而在中高烈度區(qū)，由于其性能尚不明確，目前應(yīng)用較少。禹智濤等[7]分析了不同預(yù)應(yīng)力軸壓比對(duì)節(jié)段拼裝式橋墩力學(xué)性能的影響, 提出軸壓比在10%～20%的結(jié)構(gòu)擁有較好的力學(xué)性能。包龍生等[8]通過有限元模擬和擬靜力試驗(yàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力度對(duì)節(jié)段拼裝橋墩抗震性能的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)應(yīng)力度的增大，承載力、屈服力和耗能能力有所增強(qiáng)，但對(duì)延性及殘余位移影響不大，并建議在節(jié)段間榫卯以提高抗滑移作用。

以上研究表明，通過合理設(shè)計(jì)預(yù)制構(gòu)件間的連接形式，裝配式混凝土橋墩可以滿足不同水準(zhǔn)的抗震需求。然而，預(yù)制裝配橋墩的抗震性能與連接構(gòu)造密切相關(guān)，其地震響應(yīng)與抗震性能與現(xiàn)澆橋墩存在一定差異，相關(guān)性能分析與計(jì)算依賴于試驗(yàn)與非線性有限元方法。為了促進(jìn)預(yù)制裝配橋墩的實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)開展預(yù)制裝配橋墩的簡(jiǎn)化分析方法與設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究。

1.3 高性能新材料的應(yīng)用

高性能新材料是提高結(jié)構(gòu)性能的重要途徑。目前，應(yīng)用于預(yù)制裝配式橋墩的新材料主要有超高性能混凝土、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、形狀記憶合金等。Zhang等[9]提出一種超高性能纖維混凝土(UHFRC)應(yīng)用于預(yù)制分段橋墩墩柱底部的新型結(jié)構(gòu)(圖1)，可以獲得更大的側(cè)向承載力與耗能能力，減小震后的混凝土損傷與殘余位移。Zhuo等[10]提出高強(qiáng)耗能鋼筋用于預(yù)制分段式橋墩連接(圖2)，以獲得更大的側(cè)向強(qiáng)度、自復(fù)位能力和耗能能力。Tong等[11]將無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和H型高強(qiáng)度耗能鋼筋應(yīng)用于預(yù)制混凝土橋墩加固中(圖3)，以提高承載能力、屈服后剛度與耗能能力。

圖1 UHFRC裝配式橋墩截面(單位：mm)[9]Fig.1 Section of the UHFRC precast pier(units:mm)[9]

圖2 高強(qiáng)耗能鋼筋橋墩[10]Fig.2 High-strength ED bars pier[10]

圖3 高強(qiáng)耗能鋼筋橋墩[11](單位：mm)Fig.3 High-strength ED bars pier[11](units:mm)

然而，高性能新材料通常伴隨著高成本，這又限制了其大規(guī)模應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)。預(yù)制裝配工藝設(shè)計(jì)與施工相對(duì)靈活，可以在預(yù)制構(gòu)件中使用傳統(tǒng)材料，在連接構(gòu)造上使用高性能新材料。一方面利用高性能新材料改善連接節(jié)點(diǎn)性能，另一方面降低高性能新材料的使用率，獲取更好的經(jīng)濟(jì)效益。然而，預(yù)制構(gòu)件連接位置采用高性能新材料引起的力學(xué)特性不連續(xù)也可能引發(fā)新的問題。例如，利用UHPC現(xiàn)澆段連接普通混凝土預(yù)制構(gòu)件，UHPC與普通混凝土的收縮徐變特性差異，現(xiàn)澆UHPC與預(yù)制混凝土的齡期差異，都將導(dǎo)致UHPC與普通混凝土界面處的約束拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生開裂風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 新型預(yù)制裝配橋墩體系

自復(fù)位橋墩是“非等同現(xiàn)澆”的新型抗震橋墩體系。在地震作用下，可以利用節(jié)點(diǎn)接縫的張開與閉合實(shí)現(xiàn)橋墩的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，避免結(jié)構(gòu)損傷；同時(shí)，后張預(yù)應(yīng)力提供預(yù)制橋墩震后恢復(fù)初始位置的自復(fù)位能力。Yang等[12]研究了界面摩擦系數(shù)、初始張拉力對(duì)自復(fù)位橋墩性能的影響，提出了提高自復(fù)位橋墩抗震性能的方法。Han等[13]提出了一種具有良好的耗能和自復(fù)位性能且修復(fù)便捷的自復(fù)位雙柱墩體系，從而提高了預(yù)制裝配橋墩的抗震韌性(圖4)。Mashal等[14]提出了一種在裝配式橋墩底部安裝金屬耗能裝置的自復(fù)位橋墩體系，以提高自復(fù)位預(yù)制裝配橋墩的耗能能力(圖5)。

圖4 自復(fù)位雙柱墩[13]Fig.4 Self-centering double-column pier[13]

圖5 搖擺連接自復(fù)位橋墩[14]Fig.5 Self-centering pier with DCR connections[14]

除了自復(fù)位橋墩，也有一些混合體系橋墩被提出：墩柱和承臺(tái)采用承插式連接，墩柱到墩帽采用灌漿套筒連接的橋墩[15](圖6)；底部與承臺(tái)同時(shí)預(yù)制的預(yù)應(yīng)力連接橋墩[16](圖7)；內(nèi)嵌式法蘭拼裝的預(yù)制混凝土橋墩[17](圖8)。

圖6 混合體系橋墩[15]Fig.6 Precast pier with mixed connections[15]

圖7 混合體系橋墩[16]Fig.7 Precast pier with mixed connections[16]

圖8 內(nèi)嵌法蘭拼裝橋墩(單位：mm)[17]Fig.8 Precast pier with flange connection(units:mm)[17]

增加外置可更換耗能裝置，能克服自復(fù)位橋墩的耗能能力相對(duì)較差的缺點(diǎn)，也能提高“非等效現(xiàn)澆”預(yù)制裝配橋墩的震后性能恢復(fù)能力。同時(shí)，這也對(duì)“非等效現(xiàn)澆”橋墩的耐久性有了更高的要求，特別在是復(fù)雜服役環(huán)境下，連接裝置或構(gòu)造的性能退化與控制措施還需深入研究。

2 上部結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配

2.1 預(yù)制裝配橋面板連接構(gòu)造及力學(xué)性能

連接構(gòu)造對(duì)預(yù)制裝配橋面板的各項(xiàng)性能影響顯著，是上部結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配的研究重點(diǎn)。

同時(shí)，針對(duì)上述研究所展現(xiàn)的問題，也有一些學(xué)者提出了增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)抗剪能力的一些新方法。Qi等[24]提出了一種使用鋼筋網(wǎng)來增強(qiáng)燕尾榫UHPC接頭的方法(圖9)。研究表明，這種方案可以提高UHPC平板的抗彎性能且UHPC試件開裂后仍有相當(dāng)大的承載能力；同時(shí)，在受壓區(qū)UHPC僅出現(xiàn)了局部壓潰，認(rèn)為對(duì)鋼筋網(wǎng)所需的最小搭接長度還需進(jìn)一步研究。Youssef等[25]對(duì)UHPFRC節(jié)點(diǎn)連接受彎剪性能進(jìn)行了研究。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果討論和分析，給出了預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)剪切強(qiáng)度的比較、最小拼接長度以及破壞的影響因素。Tawadrous等[26]提出一種橋面板槽口連接方案(圖10)，并對(duì)選擇槽口尺寸，槽口錨固和加固進(jìn)行了研究，以最大化其連接能力，并保證足夠的裝配誤差。邵旭東等[27]基于UHPC材料，提出了3類高性能裝配式橋梁結(jié)構(gòu)，并初步建立了計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法。

圖9 UHPFRC節(jié)點(diǎn)[25]Fig.9 UHPFRC joint[25]

圖10 新型槽口連接方案[26]Fig.10 New design of pocket connection [26]

當(dāng)前，預(yù)制裝配橋面板的連接構(gòu)造及力學(xué)性能大多是基于承載能力的研究。作為直接提供橋梁使用功能的主要構(gòu)件，連接構(gòu)造的正常使用性能與耐久性也需要關(guān)注。同時(shí)，在連接構(gòu)造的防水、防銹等方面，還需要進(jìn)一步開展研究。

2.2 預(yù)制裝配橋面板整體性能

在預(yù)制裝配橋面板整體性能方面，Koh等[28]對(duì)T型梁接縫的耐久性進(jìn)行了研究，認(rèn)為由于受拉接縫部分碳化深度的增加，使用壽命大大縮短，在維護(hù)過程中應(yīng)特別注意接縫。Tawadrous等[29]開發(fā)了一種在橫向上預(yù)張，在縱向上后張的新型預(yù)制混凝土橋面板系統(tǒng)，試驗(yàn)表明，這種預(yù)制橋面板系統(tǒng)的后張有效，且橋面板和主梁結(jié)合良好，其施工性能、承載能力和耐久性均有所提高。Minh Ha等[30]對(duì)不同粉煤灰含量的混凝土高耐久性預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土面板進(jìn)行了彎曲和剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含有粉煤灰的橋面板與不含粉煤灰的橋面板相比，遠(yuǎn)期承載能力均有所提高。

2.3 鋼混組合梁的預(yù)制裝配化

Zhao等[31]引入預(yù)應(yīng)力沉孔螺栓(圖11)，實(shí)現(xiàn)預(yù)制UHPC組合橋面板全干式連接，模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該連接工藝的有效性，以及采用該技術(shù)的UHPC組合橋面板的良好力學(xué)性能。為了增強(qiáng)燕尾形接頭的耐久性，Zhao等[32]提出了一種新型RPC混凝土燕尾形濕式接頭(圖12)，研究了強(qiáng)度比和燕尾形的角度，給出了建議設(shè)計(jì)參數(shù)。在板梁連接構(gòu)造上，Wang等[33]提出了埋入式螺栓的連接構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制UHPC板和工字鋼的全干式連接(圖13)；足尺試驗(yàn)表明，該構(gòu)造具有良好的剛度和承載力，是實(shí)現(xiàn)預(yù)制橋梁建造的有效技術(shù)手段。

圖11 雙頭螺栓連接UHPC橋面板[31]Fig.11 UHPC deck with bolted-weided joint[31]

圖12 RPC混凝土燕尾形濕接頭(單位：mm)[32]Fig.12 Dovetail-shaped RPC wet joint(units:mm)[32]

圖13 完全干式連接的預(yù)制組合梁[33]Fig.13 Fully dry-connected prefabricated composite beam[33]

圖14 防滑貫通螺栓連接預(yù)制組合梁[34]Fig.14 Steel-precast composite beam specimens with through-bolt shear connectors[34]

圖15 鋼UHPPFC鋼預(yù)制橋面板[35]Fig.15 Steel-UHPPFC-steel precast deck[35]

圖16 短鋼筋剪力連接件[36]Fig.16 Short steel bar shear connection[36]

與此同時(shí)，隨著這些新型預(yù)制裝配組合梁結(jié)構(gòu)體系的提出，組合梁的計(jì)算方法也有發(fā)展，如：考慮了混凝土齡期差異的計(jì)算模型[37]、關(guān)于SBSC的抗剪承載力計(jì)算公式[38]、全深度預(yù)制混凝土橋面板連接器抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法[39]。

隨著高性能材料在預(yù)制裝配組合梁中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的連接構(gòu)造得到了增強(qiáng)，一些新型連接構(gòu)造也得以實(shí)現(xiàn)，構(gòu)件的耐久性也得到了增強(qiáng)。但是，目前考慮疲勞、收縮、徐變與耐久性都是單因素的，多個(gè)因素共同作用的組合結(jié)構(gòu)性能研究仍然缺乏。因此，對(duì)多因素共同作用情況下的預(yù)制裝配組合梁性能的研究是下一步工作的重點(diǎn)。

3 結(jié)論與展望

隨著預(yù)制裝配式橋梁的應(yīng)用日益廣泛，研究者們對(duì)預(yù)制裝配混凝土橋梁的施工工藝、構(gòu)造措施和預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)的安全性開展了富有成效的研究。在后續(xù)研究中，更為合理地使用高性能新材料，以滿足預(yù)制裝配混凝土橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的性能需求是值得關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一；利用預(yù)制裝配的工藝特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵構(gòu)造的可更換性，以提高混凝土橋梁的抗震韌性也是預(yù)制裝配混凝土橋梁的熱點(diǎn)問題。

作為結(jié)構(gòu)性能需求，正常使用性能與耐久性也很重要。相對(duì)而言，預(yù)制裝配混凝土橋梁的正常使用性能與耐久性研究還略顯不足，這有可能會(huì)制約預(yù)制裝配混凝土橋梁的應(yīng)用范圍。以鐵路橋梁為例，由于列車行車安全性和旅客乘車舒適度的需要，無論是普速鐵路還是高速鐵路，均對(duì)橋梁梁體與墩臺(tái)的變形與剛度有較高的要求。開展鐵路預(yù)制裝配混凝土橋的正常使用性能研究是推動(dòng)預(yù)制裝配工藝在鐵路橋梁的應(yīng)用的必然要求。作為關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，在復(fù)雜環(huán)境中，經(jīng)歷漫長的服役期，預(yù)制裝配節(jié)點(diǎn)的性能劣化機(jī)制與特點(diǎn)、無損檢測(cè)方法與相應(yīng)的加固技術(shù)是保障預(yù)制裝配混凝土橋梁耐久性有待解決的重要問題。

此外，隨著建設(shè)實(shí)踐的廣泛開展，如何綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、預(yù)制場(chǎng)地、預(yù)制工藝與運(yùn)輸、安裝設(shè)備與人員，環(huán)境保護(hù)與交通擾動(dòng)等因素，定量評(píng)價(jià)混凝土橋梁預(yù)制裝配體系的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益等問題亟待解決。