預(yù)制拼裝橋墩在深水領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

王留鋒

（鄭州市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450000）

1 引言

與陸地橋梁相比，深水橋梁所處施工環(huán)境更為復(fù)雜和惡劣，例如需要面臨波浪、波流等時(shí)變荷載和地震作用的威脅，且難以進(jìn)行大量的混凝土澆筑工作，這均導(dǎo)致深水橋墩的施工難以采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆模式。預(yù)制拼裝橋墩可以很好地解決深水橋梁下部結(jié)構(gòu)施工困難、全年有效施工時(shí)間短等問題?；诖?，目前的跨海橋梁下部結(jié)構(gòu)均選用預(yù)制拼裝橋墩，橋墩的墩身在工廠中預(yù)制，可將墩身分為一個(gè)或多個(gè)節(jié)段，方便施工運(yùn)輸與吊裝，現(xiàn)場僅需澆筑少量混凝土即可將墩身拼裝成整體。

王景全等將預(yù)制橋墩按照其在地震作用下的受力特征劃分為等同現(xiàn)澆預(yù)制拼裝橋墩和非等同現(xiàn)澆預(yù)制拼裝橋墩。其中，等同現(xiàn)澆預(yù)制拼裝橋墩通過現(xiàn)場進(jìn)行一定量的濕作業(yè)將橋墩拼裝成整體，該類橋墩在地震作用下表現(xiàn)為墩底出現(xiàn)塑性鉸，目前常用的等同現(xiàn)澆預(yù)制拼裝橋墩的接縫接頭施工方法有：現(xiàn)澆濕接縫、灌漿波紋管、灌漿套筒、承插式等。非等同現(xiàn)澆預(yù)制拼裝橋墩的接縫為干接縫，通過預(yù)應(yīng)力筋將橋墩節(jié)段拼裝成整體，該類橋墩在地震作用下表現(xiàn)為底部接縫張口，且橋墩在預(yù)應(yīng)力筋的拉力作用下能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)復(fù)原，該類橋墩也可稱為自復(fù)位預(yù)制拼裝橋墩（以下均稱為自復(fù)位預(yù)制拼裝橋墩）?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，自復(fù)位預(yù)制拼裝橋墩在地震作用下墩身損傷及震后殘余位移小，有利于實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的震后快速修復(fù)。

目前，深水橋墩接縫采用的施工方法均為等同現(xiàn)澆。然而，施工更為方便且抗震性能更好的非等同現(xiàn)澆預(yù)制拼裝橋墩在深水領(lǐng)域的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道。文章總結(jié)了深水領(lǐng)域預(yù)制拼裝橋墩的工程應(yīng)用實(shí)例，對(duì)兩種橋墩在深水領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2005年，中國建造了首座跨海大橋，即中國東海大橋，如圖1（a）所示。該跨海大橋引橋部分的下部結(jié)構(gòu)采用群樁高承臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式。受吊裝能力的約束，高度〈12m的橋墩采用整體預(yù)制，高度〉12m的橋墩分為兩部分，下部橋墩節(jié)段采用工廠預(yù)制，上部橋墩節(jié)段采用現(xiàn)澆的施工工藝。橋墩預(yù)制節(jié)段與承臺(tái)之間的連接采用現(xiàn)澆濕接縫，即受力縱筋焊接，并在外圍后澆混凝土。該種建造方式雖較為繁瑣，但該連接接頭的預(yù)制拼裝橋墩在地震作用下的性能表現(xiàn)與現(xiàn)澆橋墩差異較小。此外，由于該橋墩的接頭連接技術(shù)較為成熟，現(xiàn)澆濕接縫也在杭州灣大橋和上海長江大橋中有所應(yīng)用，如圖1（b）～（c）。

圖1 等同現(xiàn)澆預(yù)制拼裝橋墩體系在跨海橋梁中的應(yīng)用實(shí)例圖

港珠澳大橋非通航段所處區(qū)域泥沙含量較高，采用群樁基礎(chǔ)的阻水率過大。因此，在非通航區(qū)域橋梁的下部結(jié)構(gòu)采用深水橋墩的方案。港珠澳大橋首次嘗試將干接縫接頭應(yīng)用于預(yù)制拼裝橋墩中，橋梁下部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)、墩身以及蓋梁均于工廠預(yù)制，如圖2所示。其中，墩身的下部節(jié)段與基礎(chǔ)預(yù)制為一體，通過張拉精軋螺紋筋將各個(gè)節(jié)段預(yù)壓成整體。為提高橋墩整體的耐久性，將接縫設(shè)置于浪濺區(qū)以上，且橋墩置于水體部分的鋼筋均采用防腐鋼筋。值得說明的是，雖然港珠澳大橋墩身采用了干接縫的施工工藝，但其仍屬于等同現(xiàn)澆預(yù)制拼裝橋墩，即該橋墩在地震作用下仍然表現(xiàn)為墩底出現(xiàn)塑性鉸。

3 等同現(xiàn)澆預(yù)制拼裝橋墩在深水領(lǐng)域的應(yīng)用展望

現(xiàn)澆濕接縫雖操作繁瑣，但因其工藝成熟、質(zhì)量可控以及抗震性能與傳統(tǒng)固結(jié)橋墩相近等優(yōu)勢(shì)而被多數(shù)設(shè)計(jì)者所采用。然而，該方法因施工工藝的限制在低承臺(tái)深水橋墩領(lǐng)域難以推廣，且大量的后澆混凝土?xí)剐吕匣炷两Y(jié)合的問題突出。此外，對(duì)于市政工程中采用的灌漿套筒、灌漿波紋管等施工工藝也難以應(yīng)用于跨海大橋，主要原因?yàn)樯鲜鼋涌p的施工方法均為隱蔽工程，目前的技術(shù)手段難以對(duì)其可靠性進(jìn)行檢測(cè)。另一方面，上述施工工藝雖能使橋墩的抗震性能表現(xiàn)較為良好，但由于節(jié)段需要預(yù)留較長的錨固鋼筋，使得墩身的預(yù)制長度有所限制。

基于此，對(duì)于等同現(xiàn)澆預(yù)制拼裝橋墩來說，提出一種連接可靠、施工步驟簡單、抗震性能與傳統(tǒng)固結(jié)橋墩類似的節(jié)點(diǎn)形式尤其重要。周興林結(jié)合濕接縫和干接縫的性能優(yōu)勢(shì)，提出了直螺紋接頭和錐套緊鎖鋼筋接頭的濕接縫方案，上述兩種方法安全可靠、施工便捷，能有效降低鋼筋直徑，且在造價(jià)方面優(yōu)于灌漿套筒。

4 自復(fù)位預(yù)制拼裝橋墩在深水領(lǐng)域的應(yīng)用展望

中國是世界上地震頻發(fā)的國家之一，在橋梁結(jié)構(gòu)正常運(yùn)營的過程中很可能遭受地震的威脅。然而，等同現(xiàn)澆橋墩在地震作用下墩身損傷及殘余位移較大，震后修復(fù)花費(fèi)代價(jià)高甚至難以修復(fù)。因此，對(duì)于重要性系數(shù)較高的深水橋梁應(yīng)探索一種能夠?qū)崿F(xiàn)震后快速修復(fù)或無須修復(fù)的橋墩結(jié)構(gòu)。

自復(fù)位預(yù)制拼裝橋墩在地震作用下?lián)p傷及震后殘余位移較小，此外，采用高性能材料可進(jìn)一步提高橋墩整體的融損能力，降低墩身質(zhì)量，方便吊裝。例如王震提出一種自復(fù)位UHPC預(yù)制拼裝空心墩，通過擬靜力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)橋墩的損傷主要集中于保護(hù)層，核心區(qū)基本沒有損傷。上述討論均表明自復(fù)位預(yù)制拼裝橋墩具有應(yīng)用于深水橋梁等重要基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)勢(shì)，尤其是可以嘗試在低承臺(tái)深水橋墩領(lǐng)域應(yīng)用。然而，將自復(fù)位預(yù)制拼裝橋墩體系應(yīng)用于深水領(lǐng)域有以下三個(gè)問題亟須解決，后續(xù)有關(guān)自復(fù)位預(yù)制拼裝橋墩的研究建議在這三個(gè)方面進(jìn)行開展：首先，自復(fù)位預(yù)制拼裝橋墩由預(yù)應(yīng)力筋拼裝成整體，預(yù)應(yīng)力錨固體系在橋梁整個(gè)生命周期內(nèi)的可靠性及預(yù)應(yīng)力筋預(yù)壓力的時(shí)變性目前尚無可以參考的相關(guān)依據(jù)；第二，由于橋墩在側(cè)向力作用下會(huì)出現(xiàn)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，其側(cè)向剛度小于傳統(tǒng)的固結(jié)橋墩，深水環(huán)境下橋墩需要承受波浪和波流的作用，如何提高橋墩整體的抗側(cè)剛度以及其是否滿足深水橋墩正常使用極限狀態(tài)的要求還需進(jìn)一步考察；第三，自復(fù)位預(yù)制拼裝橋墩在開啟搖擺后會(huì)改變其自振周期，以避免產(chǎn)生共振，從而控制地震響應(yīng)。因此，自復(fù)位預(yù)制拼裝橋墩實(shí)際上屬于一種隔振體系，地震動(dòng)水壓力對(duì)該橋墩體系地震響應(yīng)的影響目前仍然屬于空白。

5 結(jié)語

由于深水施工環(huán)境的影響，預(yù)制拼裝橋墩在深水領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。首先總結(jié)了目前中國實(shí)際工程中采用預(yù)制拼裝橋墩的跨海大橋，并對(duì)上述施工方法進(jìn)行了分析和探討。然后，分別討論了等同現(xiàn)澆預(yù)制拼裝橋墩與非等同現(xiàn)澆預(yù)制拼裝橋墩在深水領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并對(duì)該領(lǐng)域值得進(jìn)一步深入研究的方向進(jìn)行了建議。