公路預(yù)制拼裝橋墩試驗?zāi)Ｐ褪┕ぜ凹虞d方法研究

顏 暉

（安徽省舒城縣公路服務(wù)中心，安徽 六安 237000）

0 引言

橋梁在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及道路交通中是不可或缺的，早期城市橋梁抗震設(shè)計中，主要是基于結(jié)構(gòu)承載能力的抗震設(shè)計，單純依靠強度進(jìn)行抗震設(shè)防，但這種設(shè)計方法會導(dǎo)致橋梁在地震后整體倒塌。為了解決這個問題，人們提出了延性抗震設(shè)計理論以及能力保護(hù)設(shè)計方法，通過延性設(shè)計避免結(jié)構(gòu)在強震下發(fā)生倒塌，一定程度地保證了橋梁安全。通過合理運用預(yù)制拼裝橋墩施工技術(shù)，不僅可以解決高寒高海拔地區(qū)難以澆筑養(yǎng)護(hù)等困難，還可對環(huán)境保護(hù)起到一定的積極作用。

美國20 世紀(jì)70 年代就引入了第一座節(jié)段拼裝橋梁——約翰·菲茨杰拉德·肯尼迪大橋，在此之后，預(yù)制構(gòu)件被中低烈度地區(qū)廣泛應(yīng)用[1-2]，學(xué)者通過試驗、有限元模擬等分析對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行了一系列研究。節(jié)段拼裝橋墩是通過在預(yù)制工廠預(yù)制構(gòu)件運輸至現(xiàn)場進(jìn)行拼接完成施工，預(yù)制橋墩的構(gòu)件質(zhì)量可以得到保障，但其存在抗震性能較差等問題[3-4]，由于試驗和理論的不完善，使得預(yù)制橋墩在高地震烈度設(shè)防地區(qū)使用較少[5]。

基于上述問題，各國學(xué)者對預(yù)制橋墩進(jìn)行了一系列研究，例如為了增強橋墩的耗能能力在墩底增設(shè)鋼條支撐耗能裝置[6]；通過增設(shè)內(nèi)置耗能鋼筋的方式以提高橋墩的耗能能力，雖然配筋率越高橋墩的耗能能力越強，但自復(fù)位能力會隨之減弱[7]；預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置可以增強預(yù)制橋墩的自復(fù)位能力，但橋墩的耗能能力會相應(yīng)減小[8]；半現(xiàn)澆半預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩震后殘余位移較小，合理確定預(yù)制橋墩各參數(shù)可有效提高橋墩抗震性能[9]。預(yù)制構(gòu)件的研究使得越來越多的問題得以解決[10-11]。綜上所述，在預(yù)制拼裝橋墩中，可通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線一定程度地減小預(yù)制橋墩殘余位移、增大預(yù)制橋墩的自復(fù)位能力；通過增加耗能鋼筋來彌補預(yù)制拼裝橋墩耗能不足的缺陷[12]；合理設(shè)置預(yù)制構(gòu)件的參數(shù)對其設(shè)計及施工較為重要。

雖然已有試驗對預(yù)制拼裝橋墩進(jìn)行了抗震性能分析，但學(xué)者并未對試件的施工過程、加載過程、注意事項以及加載方案等開展深入研究。由于試驗場地及試驗器材等限制，大多數(shù)試驗試件為縮尺模型，所以本文主要探討預(yù)制拼裝橋墩大比例縮尺試件施工要點，為學(xué)者對預(yù)制拼裝橋墩的進(jìn)一步試驗研究提供參考。

1 試件概況

考慮到高寒高海拔地區(qū)公路橋梁的混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)困難以及如今社會對快速施工的需求，本文對已經(jīng)開展的試驗研究進(jìn)行進(jìn)一步深入討論，根據(jù)試驗中試件的施工過程展開闡述。試件由剛性基礎(chǔ)、墩身、加載端組成，該試驗墩身由四個節(jié)段組成。

2 預(yù)制拼裝橋墩的特點

2.1 周期短

預(yù)制拼裝橋墩各部件均可以在工廠預(yù)制生產(chǎn)，極大程度地減小了施工困難[13]，解決了高寒高海拔地區(qū)在冬季混凝土養(yǎng)護(hù)困難的問題，便于規(guī)格化施工。在城市中施工時，可以減少施工時長，從而減少施工帶來的交通阻塞及經(jīng)濟(jì)損失。總體而言，與現(xiàn)澆橋墩相比，預(yù)制拼裝橋墩施工更加便捷，質(zhì)量控制能夠更好地得到保證，能夠進(jìn)一步滿足橋梁施工要求，并滿足社會的快速發(fā)展需求。

2.2 利于環(huán)保

預(yù)制拼裝橋墩各部件的生產(chǎn)均具有較高的自動化水平，生產(chǎn)條件較為穩(wěn)定，并且每一個步驟都有細(xì)致的施工管理流程，可以減少工程廢料的產(chǎn)生；預(yù)制工廠大多遠(yuǎn)離城市中心，有利于保護(hù)城鎮(zhèn)環(huán)境。

2.3 整體性好

預(yù)制拼裝橋墩中配置縱向耗能鋼筋，提高其耗能能力；配置預(yù)應(yīng)力筋，增強其自復(fù)位能力；若為多節(jié)段拼裝，則在節(jié)段間合理設(shè)置剪力鍵，提高其節(jié)段間的抗剪承載能力。

綜上所述，由于剪力鍵、預(yù)應(yīng)力筋、縱向耗能鋼筋等的存在，增強了預(yù)制拼裝橋墩的整體性，并且在各部件的配合作用下，預(yù)制橋墩的抗震性能大幅提升。

3 預(yù)制拼裝橋墩試件的施工過程

3.1 施工準(zhǔn)備

在預(yù)制裝配式拼裝橋墩試件施工期間，負(fù)責(zé)人員要做好準(zhǔn)備工作，研究人員提前對圖紙進(jìn)行分析，做好有限元模型的模擬工作，給出可行性報告，并深入到施工作業(yè)中監(jiān)督施工，直到運輸拼裝。主要步驟為：模板制作→鋼筋安裝→混凝土澆筑等。

3.2 現(xiàn)場安裝過程

預(yù)制拼裝橋墩運送到現(xiàn)場安裝，在安裝前應(yīng)進(jìn)行全面檢查，之后開始拆模、拼裝，構(gòu)造圖如圖1 所示。加載端、墩身均留有豎向貫通耗能縱筋孔道及預(yù)應(yīng)力筋孔道，基礎(chǔ)內(nèi)置耗能縱筋，以便于墩身與基礎(chǔ)之間的拼接對位以及耗能縱筋連接；墩底節(jié)段底部無預(yù)留卯洞，通過預(yù)留耗能縱筋的孔道直接與基礎(chǔ)預(yù)留縱筋對墩身進(jìn)行對位；墩身上一節(jié)段的底部預(yù)留卯洞與下一節(jié)段頂部的剪力鍵定位相連；墩頂節(jié)段與加載端并非研究的主要部分，所以大多數(shù)試驗研究中墩頂節(jié)段與加載端為整體澆筑而成；試件頂部與底部均留有預(yù)應(yīng)力筋錨具槽，為張拉預(yù)應(yīng)力筋及其錨具的放置提供足夠空間；加載端在加載方向留有孔距及尺寸與作動器連接件相對應(yīng)的加載連接孔，以通過連接件與作動器相連；為施工便捷、增強耗能能力與整體性，各節(jié)段間耗能鋼筋可以用灌漿套筒或錐套筒的方式進(jìn)行連接。

圖1 試件拼裝構(gòu)造

試件配筋率及配箍率均滿足《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）[14]要求。試件的各節(jié)段設(shè)置貫通通道，目的是拼裝時配設(shè)縱向耗能鋼筋。

試驗所用試件制作及拼裝過程如圖2 所示，拼裝過程為：將各節(jié)段按照對位剪力鍵依次拼裝，拼裝完成后放置縱向耗能鋼筋，之后在預(yù)應(yīng)力孔道放置鋼絞線并對其進(jìn)行張拉，用錨具錨固在預(yù)留的鋼絞線錨具槽中，對耗能鋼筋預(yù)留孔填充高強砂漿。

圖2 試件制作與拼裝

3.3 注意要點

（1）節(jié)段間有剪力鍵和卯洞的存在，各部件對位時應(yīng)注意，以免吊裝時對剪力鍵造成損傷。

（2）灌漿套筒與縱向耗能鋼筋應(yīng)按照節(jié)段順序逐個對其進(jìn)行施工，以提高其整體性與耗能能力。

（3）在預(yù)制拼裝橋墩構(gòu)件施工過程中，若構(gòu)件對位精度控制不準(zhǔn)確，容易出現(xiàn)較大的誤差，研究人員在每一步施工過程中應(yīng)及時對橋墩水平向位置進(jìn)行調(diào)整，以免產(chǎn)生較大的水平扭轉(zhuǎn)偏移量。

4 加載方案研究

4.1 試驗裝置

試驗加載裝置如圖3 所示，墩柱豎向施加恒載。根據(jù)已有大量研究表明，軸壓比一般控制為10%～40%，水平作動器的選擇則是由有限元模型做相應(yīng)的模擬來預(yù)估橋墩最大水平承載能力來確定，大多數(shù)試驗對于作動器的選擇為500kN 或1000kN。

圖3 擬靜力試驗加載設(shè)置

4.2 加載制度

試驗的豎向荷載一般由上部荷載和預(yù)應(yīng)力兩項提供。豎向荷載一般由油壓泵控制，誤差一般需要控制在5%以內(nèi)，以免出現(xiàn)承載力發(fā)生滑移增大的現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤。預(yù)制橋墩中由預(yù)應(yīng)力筋施加的軸壓比一般宜在7%～10%之間[15]。

本文闡述的預(yù)制拼裝橋墩低周往復(fù)試驗方案水平向加載全程均采用位移控制的加載方式，如圖4 所示。加載初期的水平漂移比（即加載位移與加載縱向高度之比）為0.125%、0.25%、0.5%，考慮到加載初期的加載位移比較小，加載速率為慢速加載，每級循環(huán)加載兩次；漂移比從1%開始，每級增長0.5%且每級循環(huán)加載改為三次。在每級循環(huán)加載的最后一次循環(huán)時，進(jìn)行裂縫、現(xiàn)象記錄與拍照等工作，然后繼續(xù)加載，直至水平承載力下降到最大水平承載力的85%[16]時結(jié)束加載。

圖4 水平加載制度

4.3 數(shù)據(jù)采集方案

用于采集、測量的儀器主要包括采集箱、位移計、應(yīng)變片等。應(yīng)變片在縱向耗能鋼筋上布置，每根鋼筋均布置應(yīng)變片，檢測試驗過程中縱向耗能鋼筋是否屈服。在底部基礎(chǔ)水平方向布置位移計，以測量基礎(chǔ)與地面發(fā)生相對滑移；在節(jié)段接縫處布置水平向拉線式位移計，以測量接縫處的水平位移；在兩側(cè)豎向布置千分表，布置千分表的目的是測量各節(jié)段間接縫的張開程度以及墩底塑性鉸區(qū)裂縫的開裂程度，并求得曲率變化。

5 結(jié)語

綜上所述，本文對公路預(yù)制拼裝橋墩試件施工方法、注意事項及試驗加載方案進(jìn)行闡述和分析，例如合理控制拼裝時的誤差、注意事項、灌漿套筒或錐套筒的放置、水平及豎向加載制度等，以有效提高公路預(yù)制拼裝橋墩試件的施工質(zhì)量，并為各學(xué)者的試驗研究提供參考。