預(yù)制橋墩存儲期間裂縫變形控制技術(shù)研究

張基成，陳 欣，閆 暢，馮曉楠

（1.徐州市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 徐州 221000；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112）

0 引 言

傳統(tǒng)的橋梁建造技術(shù)在當(dāng)代中國的社會環(huán)境下，顯現(xiàn)出越來越多的弊端。全預(yù)制裝配式技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保、全生命周期價值最大化的橋梁生產(chǎn)方式，符合交通產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的要求，是未來發(fā)展的必然趨勢[1-2]。

實際工程中預(yù)制橋墩的存儲方式如圖1 所示。豎直存儲只需考慮安全防護的問題，而水平存儲還有許多問題尚待研究。如不合理的支撐布置平面位置、橋墩疊放層數(shù)以及支撐布置數(shù)量可能導(dǎo)致預(yù)制橋墩產(chǎn)生裂縫和變形，極大地影響工程質(zhì)量，因此開展了預(yù)制橋墩存儲期間裂縫變形控制的研究。

圖1 預(yù)制橋墩存儲現(xiàn)狀

2013 年，黃榮等[3]運用工程力學(xué)知識，針對預(yù)制橋墩的單點和多點起吊進(jìn)行了研究。研究既考慮了吊繩的安全性，又考慮了構(gòu)件的安全性。研究得出了單點和多點起吊的合理位置，做到了構(gòu)件吊裝的合理與安全。2019 年，鄭晏華[4]為解決大型預(yù)制橋墩的運輸問題，針對預(yù)制橋墩的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行研究。研究采用了預(yù)制橋墩的翻轉(zhuǎn)裝車技術(shù)，提高了構(gòu)件運輸?shù)男?，確保構(gòu)件在運輸期間的結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，降低了運輸安全風(fēng)險，取得了良好的實施效果。

2019 年，河南省發(fā)布的地方標(biāo)準(zhǔn)《裝配式混凝土箱梁橋設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：（1）當(dāng)橋墩采用豎向存放時，應(yīng)采取安全支護措施；（2）當(dāng)橋墩采用水平疊放方式存放時，疊放的層數(shù)不宜超過兩層[5]。2020年，交通運輸部發(fā)布的《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650—2020）規(guī)定：（1）構(gòu)件堆垛時，應(yīng)放置在墊木上，吊環(huán)向上，標(biāo)志向外；混凝土養(yǎng)護期未滿的，應(yīng)繼續(xù)灑水養(yǎng)護。（2）雨季和春季融凍期間，必須注意防止因地面軟化下沉而造成構(gòu)件斷裂及損壞[6]。2010年，美國PCI 協(xié)會發(fā)布的《預(yù)制和預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計手冊》規(guī)定：（1）預(yù)制構(gòu)件應(yīng)放置在支撐上，不得直接放置于地面；（2）預(yù)制構(gòu)件在運輸和存儲期的支撐位置應(yīng)一致，誤差控制在2.5 英尺（1 英尺=30.48 cm）以內(nèi)[7]。

綜上，當(dāng)前針對預(yù)制橋墩存儲期間裂縫變形控制的研究較少，規(guī)范只對預(yù)制橋墩的水平存儲方式提出了大致要求。因此，以徐州某快速化改造工程的橋梁為工程背景，比選不同的支撐布置平面位置、橋墩疊放層數(shù)以及支撐布置數(shù)量，提出相應(yīng)的控制指標(biāo)，以確保預(yù)制橋墩在存儲期間的安全。

1 工程概況

徐州某快速化改造工程橋梁全長4974.1 m，標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?3 m，全橋總計160 跨。橋墩尺寸為2 m×2 m矩形斷面，角點處采用半徑0.15 m 的圓倒角，墩柱高2～10.8 m。預(yù)制橋墩采用C40 混凝土，HRB400 級鋼筋，縱向鋼筋采用直徑40 mm 鋼筋，橫向鋼筋采用直徑16 mm 鋼筋。橋墩橫截面如圖2 所示。

圖2 橋墩橫斷面圖（單位:cm）

2 有限元模型建立

采用ABAQUS 軟件建立有限元模型：預(yù)制橋墩采用3D 實體單元，高10.8 m；鋼筋采用3D 線單元嵌入橋墩。有限元模型如圖3 所示。

圖3 有限元模型

混凝土和鋼筋的具體參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

墊木與預(yù)制橋墩之間的接觸，采用庫侖摩擦，用摩擦系數(shù)表示接觸面之間的摩擦特性，摩擦力等于法向力與摩擦系數(shù)的乘積。由工程地質(zhì)手冊可知[8]，混凝土與墊木間摩擦系數(shù)為0.62。

3 有限元分析

3.1 分析工況

有限元分析主要研究預(yù)制橋墩水平存儲期間支撐布置平面位置、橋墩疊放層數(shù)及支撐布置數(shù)量對其受力性能和位移變形的影響，具體分析工況見表2。

表2 有限元分析工況

3.2 支撐布置平面位置

針對一層橋墩疊放，計算橋墩在圖4 中的支撐布置平面位置下的受力及變形情況。

第三，可以考慮在中學(xué)和初級學(xué)院的華文文學(xué)課程中融入比較文學(xué)的理論和方法，指導(dǎo)學(xué)生在比較文學(xué)的視域中，了解本地文學(xué)、中國文學(xué)和世界文學(xué)。

圖4 支撐布置平面位置

將工況1～3 靜力有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，其應(yīng)力及變形情況如圖5 和圖6 所示。

圖6 不同支撐平面位置變形對比圖

根據(jù)圖5 可知：工況3 支撐布置在正負(fù)彎矩相等處，預(yù)制橋墩應(yīng)力最小，達(dá)到0.35 MPa；工況1 支撐布置在底面兩端時，預(yù)制橋墩應(yīng)力最大，達(dá)到1.31 MPa，尚未超過C40 混凝土的軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.40 MPa。

圖5 不同支撐平面位置應(yīng)力對比圖

根據(jù)圖6 可知：工況3 支撐布置在正負(fù)彎矩相等處，預(yù)制橋墩變形最小，達(dá)到0.12 mm；工況1 支撐布置在底面兩端時，預(yù)制橋墩變形最大，達(dá)到0.62 mm，尚未超過預(yù)制橋墩平整度5 mm 的要求。

當(dāng)支撐布置在底面正負(fù)彎矩相等處時，橋墩無明顯變形且應(yīng)力最小，可避免預(yù)制橋墩在自重荷載及下部支撐作用下產(chǎn)生裂縫和變形。因此，支撐應(yīng)布置在正負(fù)彎矩相等處。

3.3 橋墩疊放層數(shù)

針對支撐布置在底面兩端，計算底層橋墩在不同疊放層數(shù)下的受力及變形情況。將工況1、4、5 靜力有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，其應(yīng)力及變形情況如圖7 和圖8 所示。

圖7 不同橋墩疊放層數(shù)應(yīng)力對比圖

圖8 不同橋墩疊放層數(shù)變形對比圖

根據(jù)圖7 可知：工況1 中，一層橋墩疊放時，預(yù)制橋墩應(yīng)力最小，達(dá)到1.31 MPa；工況5 中，三層橋墩疊放時，預(yù)制橋墩應(yīng)力最大，達(dá)到2.41 MPa，超過C40 混凝土的軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.40 MPa，會導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生裂縫。

根據(jù)圖8 可知：工況1 中，一層橋墩疊放時，預(yù)制橋墩變形最小，達(dá)到0.62 mm；工況5 中，三層橋墩疊放時，預(yù)制橋墩變形最大，達(dá)到1.06 mm，尚未超過預(yù)制橋墩平整度5 mm 的要求。

當(dāng)橋墩疊放層數(shù)為一層時，橋墩無明顯變形且應(yīng)力最小，可避免橋墩在自重荷載及下部支撐作用下產(chǎn)生裂縫和變形。當(dāng)疊放層數(shù)為三層時，應(yīng)力和變形的變化趨勢雖然一致，但是最大應(yīng)力超過混凝土軸心抗拉強度，會導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生裂縫。因此，疊放層數(shù)一層為宜。

3.4 支撐布置數(shù)量

針對一層橋墩疊放，計算橋墩在圖9 所示的支撐布置數(shù)量下的受力及變形情況。

圖9 支撐布置平面位置及數(shù)量圖

將工況1、6、7 靜力有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，其應(yīng)力及變形情況如圖10 和圖11 所示。

圖10 不同支撐布置數(shù)量應(yīng)力對比圖

圖11 不同支撐布置數(shù)量變形對比圖

根據(jù)圖10 可知：工況7 布置四支撐時，預(yù)制橋墩應(yīng)力最小，達(dá)到0.35 MPa；工況1 布置兩支撐時，預(yù)制橋墩應(yīng)力最大，達(dá)到1.31 MPa，尚未超過C40混凝土的軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.40 MPa。

根據(jù)圖11 可知：工況7 布置四支撐時，預(yù)制橋墩變形最小，達(dá)到0.11 mm；工況1 布置兩支撐時，預(yù)制橋墩變形最大，達(dá)到0.62 mm，尚未超過預(yù)制橋墩平整度5 mm 的要求。

當(dāng)布置四支撐時，橋墩無明顯變形且應(yīng)力最??；當(dāng)布置兩支撐和三支撐時，對應(yīng)力和變形影響不大，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況來考慮支撐布置數(shù)量。

4 結(jié) 語

為確保預(yù)制橋墩在存儲期間的安全，對預(yù)制橋墩的存儲進(jìn)行有限元分析。模擬了不同的支撐布置平面位置、橋墩疊放層數(shù)以及支撐布置數(shù)量，共7 種工況。通過對比分析得出以下結(jié)論：

（1）預(yù)制橋墩水平存儲期間，支撐應(yīng)布置在底面正負(fù)彎矩相等處，可避免預(yù)制橋墩產(chǎn)生裂縫，保證彎矩平衡。

（2）預(yù)制橋墩水平存儲期間，疊放層數(shù)一層為宜，當(dāng)疊放層數(shù)為三層時，橋墩的抗拉強度將不滿足規(guī)范要求，導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生裂縫。

（3）預(yù)制橋墩水平存儲期間，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況來考慮支撐布置數(shù)量。