高強預制管墩的結構設計方案及施工技術研究

李 玉

(中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

當前，新的高速鐵路網(wǎng)、高速公路網(wǎng)、城市交通網(wǎng)、交通設施等一大批工程項目的開工興建，為橋梁建設提供了巨大的市場和平臺，也要求橋梁建設在保證施工質(zhì)量的前提下能夠縮短工期，提高建設速度，以回應市場對橋梁建設能力的迫切需求。預制裝配式橋梁因其獨特的技術優(yōu)點，逐漸成為全球范圍內(nèi)土木工程師的研究熱點，尤其是橋墩預制裝配化更是其中的關鍵所在。

目前由于受到車道寬度、抗震烈度、施工場地、設備及工藝的限制，下部結構研究相對上部結構要滯后許多，其中預制拼裝接縫既要結構簡單便于拼裝，又要安全、耐久，尤其其抗震性能是設計和施工中的關鍵環(huán)節(jié)，隨著工業(yè)化水平的不斷提高，采用離心法預制的高強管墩的出現(xiàn)為上述問題提供了一種解決方法。

1 國內(nèi)外預制管墩結構研究概況

目前裝配式下部橋墩新形式層出不窮，采用不同連接方式形成的預制橋墩在抗震方面的性能相差較大，因此給了工程師更多的空間，可以結合具體的抗震需求選擇合適的預制橋墩體系以滿足工程抗震需要。隨著工廠預制技術的成熟，原有用于地基處理的PHC管樁逐漸應用了更大的直徑，使得PHC用于橋梁墩柱成為可能，其生產(chǎn)工藝與PHC管樁基本相同，對于新建橋梁，不僅不需要建設墩柱的預制場地，還可以采用蒸汽養(yǎng)生、機械加工等各種工業(yè)化手段迅速大規(guī)模生產(chǎn)，質(zhì)量得以有效控制。目前工程采用的管墩直徑一般>1 m，混凝土強度采用C70。

針對該種新型結構，目前國外未見類似的文獻資料，國內(nèi)代表性的研究有：合肥工業(yè)大學陳金彪等[1]提出了預制杯口連接的預制墩連接方式，并進行了現(xiàn)場原位測試試驗，結果表明預制空心橋墩在墩底和橋臺連接部位最終的破壞形態(tài)均為彎曲破壞，墩底杯口頂面上方連接區(qū)段受拉區(qū)混凝土開裂，試驗墩柱因為杯口約束，出現(xiàn)了明顯的塑性鉸上移，與現(xiàn)場試驗一致，采用梯形剪力齒連接方式的預制橋墩墩柱與承臺的連接錨固性能更優(yōu)，該方案已經(jīng)成功在濟祁高速公路淮合段淮河特大橋進行了工程應用。如圖1所示。

圖1 杯口式連接及應力云圖

2019年丁怡宣等人提出了預制混凝土橋墩內(nèi)嵌式法蘭拼裝方案(見圖2)。通過研究法蘭位于不同區(qū)域的性能，得出法蘭位于墩柱塑性鉸區(qū)以外時，墩柱力學性能與現(xiàn)澆墩柱性能較為一致的結論[2]。

圖2 法蘭連接示意圖

同濟大學徐艷等[3]研究了離心管墩對于承插深度的影響，試驗設計了5個構件，承插孔壁應力分布承插深度有0.7 D、0.5 D、1.0 D、1.5 D，研究結果表明承插深度對于橋墩抗震性能的影響不大，承插深度主要影響的是承插孔壁的應力分布，其中0.7 D最接近現(xiàn)澆結構，同時可以參照嵌巖樁嵌入基巖的深度給出可參考的最小合理承插深度。

上海應用技術大學岳文超等[4]研究了承插式離心管墩與承臺承插式連接的力學性能，承插式連接示意圖見圖3。研究表明在承插深度[0.5 D，1.5 D]范圍內(nèi)，裂縫發(fā)生都是在墩身，與現(xiàn)澆墩類似。增大配箍率可以有效緩解塑性鉸區(qū)的過早破壞。在設計豎向荷載作用下，水平承載力能全部發(fā)揮的最小臨界深度是0.5 D。設置了鋸齒構造后，構件接縫處摩擦力越大，結構延性越好，其中鋸齒構造對豎向承載力提供約40%，底板厚度對豎向承載力提供約60%，承臺底板厚度增加5 cm，構件豎向承載力提高5%左右。

圖3 承插式連接示意圖(cm)

湖北交投的左光恒[5]設計了2個相似比為1∶2的試驗試件，進行擬靜力試驗研究，結果表明，承插式管墩的損傷集中在橋墩與承臺交界處，承插式結構抗震性能與現(xiàn)澆類似。該種承插式結構在湖北江北高速公路進行了實際的應用。

河北榮烏高速張六莊大橋采用直徑1 m的離心法生產(chǎn)的管墩作為下部結構，預制管墩的混凝土強度采用C70，上部結構采用12 m跨度π形梁結構，蓋梁和承臺與高強管墩的連接均采用了灌漿波紋管，為國內(nèi)首創(chuàng)的結構形式。

2 高強預制管墩施工控制要點

采用高強預制管墩的裝配式橋梁一般采用現(xiàn)澆承臺、預制蓋梁的方式進行施工，為了達到設計意圖，施工過程中常規(guī)的混凝土澆筑、養(yǎng)生等與傳統(tǒng)結構基本一致，主要需要在以下幾個方面重點關注。

2.1 離心法預制高強管墩的工廠質(zhì)量控制要點

離心法生產(chǎn)混凝土制品由來已久，但因為其工藝固有的缺點以致在生產(chǎn)高強管墩時必須高度重視，由于目前研究的管墩連接方式以灌漿波紋管和承插式為主，需要預留一定長度的鋼筋，以防止混凝土離析，進而影響墩柱混凝土整體抗壓強度，并保證鋼筋定位的準確，防止鋼筋籠在離心力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，進而影響后期預留鋼筋與灌漿波紋管的連接。為了避免上述問題，應做到：(1)離心速度采取前期勻速、中期中速、后期高速，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速不宜太大，成型即可，并需控制離心的轉(zhuǎn)速和時間，這樣混凝土分層現(xiàn)象就得到了解決，同時根據(jù)相應的厚度來制定相應的工藝，解決了管墩主筋不同軸、保護層合格率偏低、端頭混凝土不密實等問題；(2)鋼筋的相對位置控制必須采用特制的管模讓鋼筋穿過，保證內(nèi)芯管模與外模固定裝置不低于3個，從而保持管模相對位置固定，進而保證縱向鋼筋不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

2.2 錨固波紋管施工控制要點

下部采用承插式連接、上部采用灌漿波紋管連接，但采用單獨蓋梁的設計方案(安徽方案)可以大幅降低施工難度，波紋管定位偏差可以通過承插口進行調(diào)節(jié)。相對復雜的是湖北和河北方案，需要同時定位不少于兩個墩柱的40～60根波紋管，以保證施工正常進行。

為了保證預留波紋管能夠準確定位，不論蓋梁還是承臺都必須使用內(nèi)襯式定位胎具保證其位置準確，蓋梁波紋管定位時要在臺座上設置波紋管定位卡具，在模板上設置內(nèi)襯式波紋管定位胎具，利用經(jīng)過匹配的加工胎、卡具確保波紋管位置準確。錨固金屬波紋管的安裝定位允許偏差為±2 mm，同時應采取有效措施防止管道發(fā)生堵塞，在構件拆模完成后，應全數(shù)檢查灌漿金屬波紋管內(nèi)腔是否干凈通暢，如有漏漿或雜物應及時清理。金屬波紋管應該與箍筋進行綁扎而不得采用焊接，并且在金屬波紋管灌漿孔以下設置一道箍筋。定位完成后，要進行承臺與墩柱接觸面的處理，并進行機械鑿毛，鑿毛面凹凸深度≥6 mm。

2.3 預制墩柱的吊裝就位控制

承臺和蓋梁達到混凝土齡期以后吊運安裝高強預制管墩，由于高強管墩為空心結構，一個直徑為1 m、高度為6 m的空心墩柱質(zhì)量僅僅7.5 t左右，采用50 t以上的汽車吊均可以完成作業(yè)。需要注意的是在安裝前由測量員放出墩柱中心點，在四周定出邊緣線并采用墨線等措施標記，作為墩柱邊緣控制點，允許誤差控制在±10 mm。然后采用定制的帶操作臺的鋼托架起吊，采用合理措施保證側壁混凝土不受損傷。將高強預制管墩吊起，墩柱放置于承插口中或者承臺上，再根據(jù)測量放線放出的外部圈線使用小型千斤頂進行平面位置微調(diào)。垂直度控制采用2臺交叉90°經(jīng)緯儀或者全站儀雙向控制。將經(jīng)緯儀和全站儀沿垂直方向上下觀測，使用小型千斤頂調(diào)整墩身，使墩身邊線垂直，最后可以采用垂直儀進行垂直度校核，預制墩柱拼裝垂直度誤差一般控制在0.5%左右。

2.4 預制蓋梁的安裝控制

結合上述的結構分析，預制蓋梁一般分為兩種，一種是獨立蓋梁，即一個墩柱一個蓋梁，另外一種是傳統(tǒng)蓋梁，多柱共用。多柱共用的預制蓋梁的安裝難度較大，設備一般選用2臺噸位較大的履帶吊抬吊，以便于調(diào)節(jié)蓋梁的橫坡，蓋梁從上往下穿導向管進行安裝。安裝工藝流程為：拼接面鑿毛、清理→安裝參數(shù)復測→鋪設擋漿模板→拼接縫界面處理→鋪設砂漿墊層→蓋梁吊裝就位→精確調(diào)節(jié)、蓋梁就位→金屬波紋管灌漿。

蓋梁的拼裝精度與承臺一致，也選擇千斤頂來調(diào)整標高和垂直度，精度可以按下列指標進行控制：頂面高程允許偏差±5 mm，軸線位置偏差≤10 mm，高強管墩垂直度控制≤0.5%H且≤5 mm。

3 結語

離心法預制高強管墩是裝配式橋梁中一種新型的下部結構形式，其生產(chǎn)方式完全地工廠化、預制化，不僅可實現(xiàn)對工程成本、質(zhì)量以及工期的有效控制，還具有不錯的生態(tài)效益，這也與我國提倡綠色工程的大趨勢相符。本文梳理了國內(nèi)外對于高強預制管墩結構的研究現(xiàn)狀，結合目前已經(jīng)實施的工程項目經(jīng)驗，對施工控制標準進行了一定深度的探討，可為今后將離心法預制高強管墩應用于橋梁下部結構安裝起到指導和借鑒作用，有利于推動該類型預制裝配橋梁技術的發(fā)展。