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    裝配式RC橋墩研究現(xiàn)狀及展望

    2024-01-01 00:00:00林上順張建帥夏樟華葉世集趙錦冰
    土木建筑與環(huán)境工程 2024年6期
    關(guān)鍵詞:波紋管套筒現(xiàn)澆

    中圖分類號(hào): U443.22 最近更新:2024-11-22 DOI: 10.11835/j.issn.2096-6717.2022.132

    摘要

    基于相關(guān)工程案例,對裝配式橋墩的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行介紹;從結(jié)構(gòu)受力性能、耐久性、施工便利性等角度,對不同類型裝配式橋墩的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較。通過分析既有研究成果發(fā)現(xiàn):既有研究大多集中于橋墩的抗震性能,涉及裝配式RC橋墩的抗壓、抗剪性能等研究較為少見,《公路裝配式混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3365-05—2022)雖提出了裝配式混凝土橋墩的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法,但尚未根據(jù)不同類型裝配式橋墩的拼接構(gòu)造特征提出相應(yīng)的局部構(gòu)造的極限承載力驗(yàn)算方法;《公路裝配式混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3365-05—2022)、《公路裝配式混凝土橋梁施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3654—2022)規(guī)定了部分類型裝配式橋墩的構(gòu)造要求、施工工藝,一些地方標(biāo)準(zhǔn)已涉及裝配式橋墩的抗震設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等,可用于指導(dǎo)部分類型的裝配式橋墩的設(shè)計(jì)與施工,但內(nèi)容不全面。在此基礎(chǔ)上提出裝配式橋墩在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量管控等方面存在的不足以及今后的發(fā)展方向。

    關(guān)鍵詞

    橋梁工程; 裝配式RC橋墩; 連接方式; 工程應(yīng)用; 研究進(jìn)展

    橋墩是橋梁關(guān)鍵構(gòu)件之一,截至2021年底,中國公路橋梁已建成96.11萬座[1],其中超過90%的橋墩采用傳統(tǒng)的整體現(xiàn)澆施工方法,不僅施工周期長,而且對現(xiàn)有的交通及環(huán)境影響很大。為解決這些問題,推動(dòng)裝配式橋墩的工業(yè)化發(fā)展至關(guān)重要。美國得克薩斯州于20世紀(jì)70年代就在Corpus Christi跨JFK堤道公路橋首次使用了節(jié)段裝配式RC橋墩。此后美國一些非震區(qū)、低烈度地區(qū)的橋墩也逐漸采用這種快速建造方法。與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆橋墩相比,裝配式橋墩的施工周期較短,適合于在海洋等惡劣環(huán)境下施工,且對現(xiàn)狀交通影響較小[2],符合建筑工業(yè)化發(fā)展方向,具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來,裝配式橋墩在中國的一些城市橋梁和跨海大橋得到一些應(yīng)用,但尚未得到全面推廣。

    裝配式RC橋墩結(jié)構(gòu)體系大致可分為“等同現(xiàn)澆”“非等同現(xiàn)澆”“混雜型”三大體系[3-6]?!暗韧F(xiàn)澆”結(jié)構(gòu)體系通過在預(yù)制橋墩節(jié)段之間的拼接部位采用強(qiáng)連接,使得拼接后的橋墩的受力性能達(dá)到或接近于整體現(xiàn)澆橋墩;“非等同現(xiàn)澆”結(jié)構(gòu)體系一般在預(yù)制橋墩節(jié)段之間的拼接縫處采用弱連接,使之具備開合或錯(cuò)動(dòng)能力,并通過在拼接后的橋墩施加預(yù)應(yīng)力,從而使得裝配式橋墩具備一定的耗能能力和自復(fù)位能力;而“混雜型”結(jié)構(gòu)體系是在“等同現(xiàn)澆”結(jié)構(gòu)體系相關(guān)構(gòu)造的基礎(chǔ)上,通過對裝配式橋墩采取施加預(yù)應(yīng)力等措施,進(jìn)一步提高“等同現(xiàn)澆”結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。裝配式RC橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是采用合適的連接構(gòu)造[7],并采用合適的施工方法,提高拼接部位的受力性能。

    學(xué)者們針對不同結(jié)構(gòu)體系的裝配式RC橋墩的受力性能開展大量試驗(yàn)研究和理論分析,相關(guān)單位在大量工程實(shí)踐和開展大量科研工作的基礎(chǔ)上,編制出一些技術(shù)規(guī)范、規(guī)程,如《公路裝配式混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3365-05—2022)[8] 、《公路裝配式混凝土橋梁施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3654—2022)[9]等。項(xiàng)貽強(qiáng)等[10]、Khan[11]等針對快速橋梁施工,在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工方法等方面進(jìn)行全盤考慮,通過構(gòu)件的工廠化預(yù)制,采用一些專門的運(yùn)輸設(shè)備將構(gòu)件運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行安裝,以加快橋梁現(xiàn)場建設(shè)速度。為此,筆者在收集不同類型裝配式橋墩工程案例的基礎(chǔ)上,結(jié)合相關(guān)科研成果,從裝配式橋墩的受力性能、施工便利性、耐久性等方面出發(fā),系統(tǒng)分析不同結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點(diǎn)、工程適用性。

    1 裝配式橋墩主要結(jié)構(gòu)體系

    1.1 等同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系

    1.1.1 現(xiàn)澆濕接縫連接

    現(xiàn)澆濕接縫連接通過在橋墩預(yù)制節(jié)段與承臺(tái)之間(或橋墩預(yù)制節(jié)段之間),預(yù)留一段現(xiàn)澆混凝土濕接縫,實(shí)現(xiàn)構(gòu)件之間的連接,如圖1所示。中國已建成的杭州灣跨海大橋、東海大橋、港珠澳大橋等工程的橋墩均采用這種連接方法。采用現(xiàn)澆濕接縫的連接方法將預(yù)制構(gòu)件連接后整體性與現(xiàn)澆方式基本相同,一般認(rèn)為受力性能可靠,針對這類的試驗(yàn)研究較少,文獻(xiàn)[12]進(jìn)行現(xiàn)澆濕接縫裝配式橋墩的擬靜力試驗(yàn),將現(xiàn)澆段布置在塑性鉸區(qū),試驗(yàn)結(jié)果表明:該柱抗震性能接近于整體現(xiàn)澆橋墩,具有良好的側(cè)向剛度、延性和等效耗能能力,是可靠的連接構(gòu)造。

    然而在海洋環(huán)境中,由于濕接縫的存在,橋墩施工周期較長,其后澆的濕接縫混凝土的施工質(zhì)量容易受到強(qiáng)風(fēng)、波浪等影響;施工期間,橋墩預(yù)制節(jié)段在強(qiáng)風(fēng)、波浪等作用下,需要采取一定的防側(cè)翻措施;橋墩預(yù)制節(jié)段、承臺(tái)之間也需要采用一些臨時(shí)鎖定的措施,避免二者間隙受到強(qiáng)風(fēng)、波浪等影響。中國較早對杭州灣跨海大橋[13]中部分橋墩采用了現(xiàn)澆濕接縫的連接方式,且橋墩采用的是整體吊裝,隨后又對港珠澳大橋[14]等工程的部分橋墩采用該連接方式。但是由于這種拼接方式的施工難度較大,目前已較少采用。

    1.1.2 灌漿套筒連接和灌漿波紋管連接

    灌漿套筒連接采用環(huán)氧樹脂砂漿、普通砂漿、結(jié)構(gòu)膠等作為混凝土的界面粘結(jié)材料,其橋墩預(yù)制節(jié)段與承臺(tái)之間的鋼筋,則通過采用灌漿套筒或灌漿波紋管進(jìn)行連接。灌漿套筒連接構(gòu)造如圖2所示,通過將預(yù)埋在橋墩預(yù)制節(jié)段、承臺(tái)內(nèi)的預(yù)埋鋼筋,插入金屬套筒內(nèi),然后將灌漿料充填金屬套筒,依靠灌漿料與鋼筋、金屬套筒的筒壁間的粘結(jié)作用,實(shí)現(xiàn)橋墩預(yù)制節(jié)段受力鋼筋和承臺(tái)受力鋼筋的連接,鋼筋與灌漿料和灌漿料與套筒內(nèi)壁之間的粘結(jié)作用由材料粘附力、表面摩擦力和結(jié)合面之間的機(jī)械咬合力構(gòu)成,相對閉合的套筒可有效約束灌漿料,增強(qiáng)結(jié)合面處的粘結(jié)錨固作用,確保灌漿套筒的傳力能力[15]。灌漿套筒連接已經(jīng)在跨海大橋和城市高架橋得到廣泛的應(yīng)用,例如,美國佛羅里達(dá)州Edi-son海灣橋、佐治亞州Interstate 85 interchange橋梁、I-5 Grand Mount to Maytown I/C2-Span Precast Girder Bridge、上海S6高速公路、上海嘉閔北二段高架、上海S26高速公路延伸段、上海S3高速公路、上海S7高速公路等。

    與采用灌漿套筒連接的橋墩類似,灌漿金屬波紋管連接也采用環(huán)氧樹脂砂漿、普通砂漿、結(jié)構(gòu)膠等作為混凝土的界面粘結(jié)材料。通過預(yù)先在承臺(tái)或蓋梁內(nèi)埋置金屬波紋管,并在金屬波紋管內(nèi)灌注高強(qiáng)砂漿,然后將預(yù)制墩身節(jié)段的外露主筋植入金屬波紋管之中,從而使得預(yù)制墩身節(jié)段的外露主筋與承臺(tái)或蓋梁形成整體,如圖3所示。

    總體而言,灌漿金屬波紋管連接的工作原理和施工方式與灌漿套筒連接存在類似之處,不過灌漿金屬波紋管的長度比套筒增大較多,且承臺(tái)或蓋梁內(nèi)一般不設(shè)伸入灌漿金屬波紋管的預(yù)埋鋼筋。灌漿金屬波紋管連接已經(jīng)在國內(nèi)外得到較多應(yīng)用[16],如,美國得克薩斯州Lake Ray Hubbard橋、華盛頓州Lake Belton Hubbard橋和5號(hào)州際公路橋以及上海安波路匝道工程等。

    與采用濕接縫連接的橋墩相比,采用灌漿套筒或灌漿波紋管連接的裝配式RC橋墩,其橋墩預(yù)制節(jié)段與承臺(tái)之處可以實(shí)現(xiàn)直接接觸,二者之間不需要采用作為臨時(shí)支承的墊塊,施工相對較為便捷。但在灌漿套筒內(nèi)的灌漿料強(qiáng)度尚未形成之前,為防止橋墩預(yù)制節(jié)段在強(qiáng)風(fēng)等作用下出現(xiàn)側(cè)翻,施工時(shí)仍需要采取一些措施對橋墩預(yù)制節(jié)段進(jìn)行約束。從工程管理的角度,由于橋墩預(yù)制節(jié)段的每根受力主筋均需要配套的灌漿套筒或灌漿波紋管,其現(xiàn)場灌漿工作量較大,且套筒內(nèi)部的灌漿質(zhì)量的檢測手段仍不完善,這也成為限制其推廣應(yīng)用的主要原因之一。

    在結(jié)構(gòu)耐久性方面,采用灌漿套筒或灌漿波紋管連接的裝配式RC橋墩的拼接縫多采用平縫,且一般采用傳統(tǒng)的界面粘結(jié)材料進(jìn)行拼接面的粘結(jié),其水平抗剪能力不如整體現(xiàn)澆橋墩,因此,在水平地震、汽車制動(dòng)力、溫度變化等作用下,拼接縫將不可避免地出現(xiàn)開合和錯(cuò)動(dòng),導(dǎo)致空氣、雨水對橋墩鋼材進(jìn)行腐蝕,存在一定安全隱患。

    1.1.3 承插式連接

    承插式連接一般用于橋墩和蓋梁(或承臺(tái))間的連接(見圖4),具體連接構(gòu)造是在蓋梁(或承臺(tái))內(nèi)設(shè)置預(yù)留孔,施工時(shí)將預(yù)制墩身直接嵌入蓋梁(或承臺(tái))內(nèi),然后在二者間隙注入混凝土或砂漿,使之形成整體。為提高連接效果,一般對交界面處的預(yù)制構(gòu)件表面進(jìn)行粗糙處理。

    與濕接縫連接和漿錨連接不同,采用承插式連接的墩柱和蓋梁(或承臺(tái))之間,并沒有鋼筋連接。承插式連接已在美國華盛頓州5號(hào)州際公路橋、美國得克薩斯州Redfish Bay橋、美國愛荷華州Boone County IBRC Project橋、中國上海嘉閔高架北二段、中國淮河特大橋引橋等工程中得到應(yīng)用。承插式連接的優(yōu)點(diǎn)[17]在于對施工精度的要求較低,現(xiàn)場濕作業(yè)量少,施工速度較快;但要求設(shè)置預(yù)留孔的構(gòu)件在預(yù)留孔四周應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度,以便抵抗預(yù)制橋墩在地震作用下發(fā)生水平變形時(shí)所引起的撬起力。然而,采用在承臺(tái)進(jìn)行大范圍開孔進(jìn)行拼接的裝配式橋墩,難免對承臺(tái)的強(qiáng)度、完整性有一定的削弱,而且在拼接間隙的灌漿料強(qiáng)度未形成之前,還存在墩身和蓋梁(或承臺(tái))之間的臨時(shí)約束問題。

    1.1.4 鋼筋插槽式連接

    鋼筋插槽式連接用于墩柱與蓋梁、墩柱與承臺(tái)之間的連接(見圖5),其具體的連接構(gòu)造是在承臺(tái)(或蓋梁)內(nèi)設(shè)置預(yù)留槽孔,墩身節(jié)段預(yù)留外露鋼筋,連接時(shí)將預(yù)制節(jié)段插入槽孔,將粘結(jié)材料灌入槽孔,將預(yù)制節(jié)段和承臺(tái)(或蓋梁)連接形成整體。該連接方式已在美國Redfish Bay橋、美國愛荷華州Boone Country IBRC Project橋、浙江省寧波市機(jī)場快速路南延(鄞州大道—岳林東路)部分橋墩中得到應(yīng)用。

    1.1.5 混合式連接

    混合式連接是以“等同現(xiàn)澆”體系為基礎(chǔ),通過組合“等同現(xiàn)澆”體系多種的構(gòu)造措施形成新的連接方式(見圖6),以追求裝配式橋墩在抗震性能上等同或優(yōu)于現(xiàn)澆橋墩。

    為改善預(yù)制拼裝RC橋墩拼接縫的受力性能和耐久性,提高拼裝效率和施工安全性,文獻(xiàn)[18-21]提出了鋼管混凝土榫卯-灌漿套筒混合連接的新型連接方式。

    采用鋼管榫卯-灌漿套筒混合連接的裝配式RC橋墩,其預(yù)制橋墩與承臺(tái)之間的混凝土采用普通砂漿進(jìn)行粘結(jié),由于拼接縫處的砂漿強(qiáng)度遠(yuǎn)低于混凝土的強(qiáng)度,因此,在結(jié)構(gòu)后期受力過程中,拼接縫仍然是易損壞位置,橋墩結(jié)構(gòu)中的拼接縫處的鋼筋非常容易受到海洋性氣候的腐蝕,直接影響到橋墩整體結(jié)構(gòu)的耐久性。為此,文獻(xiàn)[22]進(jìn)一步提出采用現(xiàn)澆UHPC-RC凸榫的榫卯混合連接的新型裝配式橋墩接頭構(gòu)造,在橋墩的拼接位置采用現(xiàn)澆UHPC實(shí)現(xiàn)預(yù)制橋墩與承臺(tái)之間的拼接,現(xiàn)澆段的預(yù)制橋墩鋼筋與承臺(tái)預(yù)埋鋼筋采用焊接連接,如圖7所示。

    1.2 非等同現(xiàn)澆體系

    后張拉預(yù)應(yīng)力連接是通過鋼絞線穿過橋墩各節(jié)段、承臺(tái)和蓋梁,然后張拉預(yù)應(yīng)力筋形成整體的裝配連接方式(見圖8),預(yù)制構(gòu)件間接縫可以采用濕接縫、干接縫或環(huán)氧樹脂膠等方式處理,使得預(yù)制橋墩在地震作用下的非線性轉(zhuǎn)動(dòng)主要集中在搖擺節(jié)點(diǎn),從而保證預(yù)制構(gòu)件部分基本保持彈性[23]。該連接構(gòu)造可有效避免地震作用下橋墩墩底產(chǎn)生的非線性轉(zhuǎn)動(dòng),取而代之的是墩底的張開與閉合,預(yù)制橋墩墩底的受拉損傷能得到有效降低,而且后張預(yù)應(yīng)力筋為預(yù)制橋墩提供了較強(qiáng)的自復(fù)位能力,其殘余位移接近于零,但橋墩接縫在重復(fù)的張開與閉合作用下會(huì)產(chǎn)生混凝土的局部開裂、剝落以及在接縫位置附近的混凝土壓碎等現(xiàn)象。這種連接方式在國外較為常用,例如,美國科羅拉多州Vail Pass橋、美國佛羅里達(dá)州Sunshine Skyway橋、美國紐約州I-287高架橋置換工程等;中國也有一些工程應(yīng)用案例,例如,新澳氹大橋、港珠澳大橋、廈門二通道工程等。

    學(xué)者們對后張拉預(yù)應(yīng)力連接預(yù)制橋墩的抗震性能進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[24-26]通過試驗(yàn)研究了干接縫無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力獨(dú)柱墩的抗震性能及震后恢復(fù)性能,發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力裝配式RC橋墩具有較強(qiáng)的自復(fù)位能力、較小的殘余位移、墩身的損傷較小等優(yōu)點(diǎn),初始應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力配筋率都對自復(fù)位能力存在影響,采取這類連接方式的結(jié)構(gòu)對震后的墩柱采用補(bǔ)張預(yù)應(yīng)力筋、修復(fù)墩身混凝土的措施,就可以及時(shí)地在震后搶險(xiǎn)中使用。文獻(xiàn)[27-29]對采用有粘結(jié)和無粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行連接的裝配式RC橋墩進(jìn)行擬靜力試驗(yàn),相比于整體橋墩,采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的橋墩具有更高的水平極限承載能力、更小的水平滑移、更好的橋墩自復(fù)位能力;采用有粘結(jié)的橋墩,其耗能更好,橫向剛度大,但是在加載后期由于粘結(jié)部位鋼筋開裂,會(huì)出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力較大的損失,以至于產(chǎn)生較大的殘余位移。文獻(xiàn)[30]進(jìn)行了低周往復(fù)試驗(yàn),通過研究提出了水平力-位移骨架曲線解析計(jì)算方法;文獻(xiàn)[31]對預(yù)應(yīng)力連接預(yù)制空心墩進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一種計(jì)算水平力-位移骨架曲線的解析方法。文獻(xiàn)[32]根據(jù)集中塑性鉸理論和剛體摩擦變位分析方法,對預(yù)應(yīng)力裝配式橋墩的工作機(jī)制及結(jié)構(gòu)耗能進(jìn)行分析,建立預(yù)應(yīng)力裝配式橋墩在不同荷載作用下結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力關(guān)系式。

    與“等同現(xiàn)澆”結(jié)構(gòu)體系相比,“非等同現(xiàn)澆”結(jié)構(gòu)體系具有更強(qiáng)的自復(fù)位能力。其拼接縫雖然采用一些淺槽式凹凸剪力鍵加強(qiáng)接縫處的水平抗剪能力,但在水平荷載作用下仍不可避免地出現(xiàn)開合和錯(cuò)動(dòng),接縫處的材料破壞后,雨水、腐蝕氣體等會(huì)通過接縫進(jìn)入墩身,因此,其橋墩預(yù)應(yīng)力鋼材同樣容易受到腐蝕?!胺堑韧F(xiàn)澆”結(jié)構(gòu)體系在拼接縫處不采用灌漿套筒,省去了大量套筒的灌漿操作,然而,由于該橋墩體系在墩身設(shè)置預(yù)應(yīng)力,其工程造價(jià)明顯高于整體現(xiàn)澆RC橋墩和“等同現(xiàn)澆”裝配式RC橋墩。

    1.3 混雜型連接體系

    后張拉預(yù)應(yīng)力預(yù)制橋墩有很好的自復(fù)位能力,但是耗能能力較差,近年來大多數(shù)學(xué)者主要的研究方向?yàn)樘岣吆髲埨A(yù)應(yīng)力預(yù)制橋墩的耗能能力,期望得到的預(yù)制橋墩抗震性能能夠兼有良好的耗能能力和自復(fù)位能力,于是逐漸形成混雜型連接體系裝配式橋墩,如圖9所示。

    混雜型連接體系以預(yù)應(yīng)力連接為基礎(chǔ),再結(jié)合其他連接方式,期望裝配式橋墩兼具多種連接方式的優(yōu)點(diǎn),來提高裝配式橋墩的抗震性能。文獻(xiàn)[33-37]通過在預(yù)應(yīng)力連接的裝配式RC橋墩中添加耗能構(gòu)件,例如,鋼管、剪力鍵、耗能鋼筋等,可以有效地增加試件耗能能力,減少構(gòu)件的殘余位移,減小其地震響應(yīng),有利于控制接縫張開,并且減小墩底曲率。目前中國已有這類連接方式的工程運(yùn)用,如和若鐵路的部分橋墩、成都市羊犀立交的部分橋墩?;祀s型連接體系包含了預(yù)應(yīng)力和其他連接方式,在力學(xué)性能上有較大的優(yōu)勢,但由于存在多種連接方式,施工工藝較為復(fù)雜,施工周期相對較慢。

    在實(shí)際工程應(yīng)用中一般應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的自復(fù)位性能和耗能能力之間的平衡。文獻(xiàn)[38]在節(jié)段接縫處設(shè)置了凹凸剪力連接鍵或榫卯剪力鍵,同時(shí)對裝配式橋墩施加后張預(yù)應(yīng)力,通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)剪力鍵能顯著提高裝配式橋墩的水平抗剪能力、結(jié)構(gòu)整體性、自復(fù)位能力??梢娀祀s型連接體系的構(gòu)造細(xì)節(jié)與其他裝配式橋墩差異較大,研究主要在抗震性能上,對其抗壓、抗剪性能研究較少,不同連接構(gòu)造對橋墩整體力學(xué)性能的影響不夠明確,且尚未提出較系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

    2 裝配式RC橋墩受力性能研究

    2.1 等同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)受力性能

    2.1.1 灌漿套筒和灌漿波紋管連接性能

    文獻(xiàn)[39-40]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行灌漿波紋管連接裝配式橋墩擬靜力試驗(yàn),結(jié)果表明裝配式橋墩的抗震能力接近于整體現(xiàn)澆橋墩,灌漿波紋管連接安全可靠,為灌漿套筒連接裝配式橋墩在實(shí)際橋梁工程中得到推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

    文獻(xiàn)[41]基于裝配式橋墩的雙向擬靜力試驗(yàn),指出在雙向壓彎作用下的橋墩截面的P-MX-MY三維屈服面能夠較準(zhǔn)確地校核節(jié)段拼裝墩的極限承載能力;文獻(xiàn)[42-43]進(jìn)行了裝配式雙柱墩的單向、雙向擬靜力試驗(yàn),結(jié)果表明裝配式雙柱墩的極限承載能力小于現(xiàn)澆墩,且抗震性能略差于現(xiàn)澆墩,但兩者破壞模式較為接近。相關(guān)研究可為工程技術(shù)人員進(jìn)行裝配式橋墩的雙向受力分析提供參考借鑒。

    文獻(xiàn)[44-46]進(jìn)行了多組的灌漿波紋管的鋼筋拉拔試驗(yàn),分析了鋼筋錨固長度、孔徑比和螺旋箍筋約束等因素對灌漿連接錨固性能的影響,提出了可以反映粘結(jié)應(yīng)力分布變化的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系簡化模型。文獻(xiàn)[15,47]對裝配式橋墩的試驗(yàn)過程進(jìn)行損傷評(píng)估,發(fā)現(xiàn)灌漿波紋管連接的預(yù)制拼裝立柱的損傷主要集中在柱底接縫處及塑性鉸區(qū)域處。上述研究為今后開展裝配式橋墩的局部受力分析、損傷評(píng)估等奠定基礎(chǔ)。

    王志強(qiáng)等[47]、葛繼平等[23, 48]開展了2段式預(yù)應(yīng)力預(yù)制拼裝混凝土橋墩和整體現(xiàn)澆混凝土橋墩試件的擬靜力試驗(yàn),結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力拼裝橋墩的殘余位移只有整體現(xiàn)澆橋墩的44%,但耗能能力只有整體現(xiàn)澆橋墩的1/3,并進(jìn)行了整體現(xiàn)澆RC橋墩和采用灌漿波紋管連接的拼裝RC橋墩的單、雙向擬靜力試驗(yàn),研究了預(yù)制拼裝橋墩在雙向荷載作用下的耦合效應(yīng)。上述研究表明,預(yù)應(yīng)力連接裝配式橋墩的抗震性能低于灌漿套筒連接裝配式橋墩。

    2.1.2 承插連接性能

    文獻(xiàn)[49-51]所開展的擬靜力試驗(yàn)研究表明:采用承插式連接的裝配式RC橋墩在抗震性能上可以等同現(xiàn)澆橋墩,并基于試驗(yàn)結(jié)果對不同承插深度的裝配式RC橋墩給出了設(shè)計(jì)建議。文獻(xiàn)[52-55]推導(dǎo)了承插式連接受力計(jì)算模型,提出了較可行的OpenSEES數(shù)值模擬,并研究了承插的合理深度。文獻(xiàn)[56]提出在承插式連接裝配式RC橋墩的承臺(tái)設(shè)置U形抗沖切鋼筋,通過研究表明U形抗沖切鋼筋可有效地改善承臺(tái)受力,避免承臺(tái)發(fā)生局部的沖切破壞。目前承插式連接裝配式橋墩在實(shí)際工程應(yīng)用不多,其承臺(tái)預(yù)留凹槽的工作機(jī)理、預(yù)制橋墩與承臺(tái)之間的界面受力性能,以及承插構(gòu)造的設(shè)計(jì)方法等,還有待今后進(jìn)一步開展系統(tǒng)深入的研究。

    2.1.3 混合式連接性能

    文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)了整體現(xiàn)澆橋墩試件、傳統(tǒng)灌漿套筒連接試件、鋼管剪力鍵連接試件,進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)。結(jié)果表明:3類試件均具有良好的吸收和耗散地震能量的能力,同時(shí)試件無明顯的剛度退化,構(gòu)件損傷過程和最終的破壞形態(tài)相近。與整體現(xiàn)澆試件相比,采用鋼管剪力鍵的混合連接試件的極限承載力和位移延性系數(shù)有明顯的提高,其滯回曲線也呈現(xiàn)飽滿的紡錘形。

    文獻(xiàn)[21]設(shè)計(jì)了整體現(xiàn)澆構(gòu)件、CFST榫卯-灌漿套筒混合連接試件,開展了擬靜力試驗(yàn),研究結(jié)果表明,這兩類混凝土橋墩試件累積耗能能力接近,均無明顯的剛度退化,鋼管榫卯-灌漿套筒混合連接構(gòu)件與整體現(xiàn)澆構(gòu)件的水平峰值荷載接近,與整體現(xiàn)澆構(gòu)件和灌漿套筒構(gòu)件相比,鋼管榫卯-灌漿套筒混合連接構(gòu)件的極限位移和位移延性系數(shù)均有明顯的提高。

    文獻(xiàn)[57]對預(yù)埋位置灌漿套筒進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明:灌漿套筒預(yù)埋在基礎(chǔ)試件與現(xiàn)澆試件破壞形態(tài)、承載力相近;而灌漿套筒預(yù)埋在墩身的試件損傷集中在有無套筒的交接部位,主要是試件的剛度大于無套筒部位,導(dǎo)致塑性鉸位置上移,同時(shí)其承載力優(yōu)于預(yù)埋在基礎(chǔ)和現(xiàn)澆試件;3類試件的抗震性能相近,但預(yù)埋灌漿套筒的試件延性不如現(xiàn)澆試件。

    文獻(xiàn)[22]通過現(xiàn)澆UHPC-RC凸榫混合連接裝配式橋墩擬靜力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),采用現(xiàn)澆UHPC-RC凸榫混合連接的裝配式橋墩延性性能和耗能能力較強(qiáng),與整體現(xiàn)澆橋墩相比,二者的破壞特征一致,剛度退化率接近,水平承載能力稍大,但其自復(fù)位能力稍差一些。

    文獻(xiàn)[18]分別進(jìn)行整體現(xiàn)澆試件、灌漿套筒連接試件、CFST榫卯拼裝試件、灌漿套筒和CFST榫卯混合連接試件的受壓極限承載力試驗(yàn),結(jié)果表明:在大、小偏壓荷載作用下,試件的破壞模式和損傷過程與整體試件在總體上相近,小偏壓狀態(tài)下表現(xiàn)為受壓側(cè)混凝土壓碎破壞,在大偏壓狀態(tài)下表現(xiàn)為受拉側(cè)鋼筋屈服破壞;CFST榫卯拼裝試件的受壓極限承載力最低;灌漿套筒連接試件的極限承載力稍低于整體現(xiàn)澆試件;CFST榫卯混合連接試件的受壓極限承載力最高。

    上述研究表明:混合連接裝配式橋墩的抗震能力與抗壓性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的裝配式橋墩(含灌漿套筒連接、承插式連接、預(yù)應(yīng)力連接等)。與灌漿套筒連接裝配式橋墩相比,混合連接裝配式橋墩的榫卯構(gòu)造能夠?qū)︻A(yù)制橋墩進(jìn)行約束,可避免預(yù)制橋墩在施工過程中由于受到風(fēng)荷載等作用,可能出現(xiàn)的側(cè)翻事故;與承插式裝配式橋墩相比,混合連接裝配式橋墩不需要在承臺(tái)設(shè)置預(yù)留凹槽,因此,不會(huì)影響承臺(tái)的受力;與預(yù)應(yīng)力連接裝配式橋墩相比,混合連接裝配式橋墩不需要進(jìn)行張拉預(yù)應(yīng)力等施工步驟,在施工便利性方面具有明顯的優(yōu)勢?;旌线B接裝配式橋墩兼具施工便利、受力性能好等優(yōu)點(diǎn),有望在今后的橋梁工程中得到推廣應(yīng)用。

    2.2 非等同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)受力性能

    文獻(xiàn)[33]通過所開展的雙向擬動(dòng)力試驗(yàn)研究表明:“非等同現(xiàn)澆”裝配式RC橋墩在雙向地震作用下,橋墩混凝土開裂和壓碎集中在接縫區(qū)域,其骨架曲線沒有強(qiáng)度穩(wěn)定階段,預(yù)應(yīng)力束會(huì)出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象,破壞模式不夠理想,其受力性能不如“等同現(xiàn)澆”裝配式橋墩。因此,“非等同現(xiàn)澆”裝配式RC橋墩一般不宜用于地震烈度較高的地區(qū)。

    2.3 混雜型連接受力性能

    文獻(xiàn)[58]進(jìn)行采用無粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力和滑動(dòng)接縫的大尺寸混合搖擺-滑移(Rocking-Sliding)橋墩的準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)荷載試驗(yàn),結(jié)果表明:滑動(dòng)體系提供了一定的能量耗散能力,通過上部節(jié)段在接縫處的滑移來實(shí)現(xiàn)摩擦耗能。文獻(xiàn)[59-61]通過擬靜力試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),采用后張預(yù)應(yīng)力筋與灌漿套筒連接或后張預(yù)應(yīng)力筋與灌漿波紋管連接的混雜連接形式的預(yù)制橋墩具有較好的耗能能力,無粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力有利于減小殘余變形,使試件各方面性能更接近現(xiàn)澆墩。文獻(xiàn)[62-63]研究預(yù)應(yīng)力連接與承插式的混雜連接形式,提高初始預(yù)應(yīng)力能夠使橋墩屈服荷載和屈服后剛度提高,增大不銹鋼鋼筋配置率使水平承載力和耗能能力的提升較為明顯,但也造成殘余位移的增大。

    混雜型連接裝配式橋墩整合了“等同現(xiàn)澆”裝配式橋墩、“非等同現(xiàn)澆” 裝配式橋墩的連接構(gòu)造,通過進(jìn)行合理設(shè)計(jì),其在抗震性能上能接近于整體現(xiàn)澆橋墩,且具有更強(qiáng)的自復(fù)位能力。然而,混雜型連接裝配式橋墩的整體構(gòu)造較為復(fù)雜,與混合連接裝配式橋墩相比,其工程造價(jià)較高,且施工較為麻煩。

    3 裝配式RC橋墩標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)

    在實(shí)際工程中,橋梁建設(shè)者一般在參照相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上,以相關(guān)規(guī)范或技術(shù)規(guī)程作為工程設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量控制等實(shí)施依據(jù)。如果缺乏系統(tǒng)的規(guī)范或技術(shù)規(guī)程作為技術(shù)支撐,勢必影響到裝配式RC橋墩在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。因此,推動(dòng)裝配式RC橋墩的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè),是促進(jìn)橋梁工業(yè)化施工的關(guān)鍵[64]。裝配式RC橋墩和現(xiàn)澆橋墩在施工工藝、抗震設(shè)計(jì)方法存在根本性的差異,因此目前現(xiàn)澆橋墩的施工、設(shè)計(jì)規(guī)范不能直接套用到裝配式RC橋墩。

    美國AASHTO發(fā)布的Guide Specifications for Design and Construction of Segmental Concrete Bridges對裝配式RC橋墩的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行了一些規(guī)定,但近年來中國裝配式橋墩的拼接構(gòu)造與以往存在較大差異,需要進(jìn)一步研究。在設(shè)計(jì)方面,《公路裝配或混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3365-05—2022)對不同連接方式(含鋼筋灌漿套筒、鋼筋灌漿波紋鋼管、構(gòu)件承插式、鋼筋插槽式、濕接縫式、預(yù)應(yīng)力鋼筋等)的裝配式混凝土橋墩的適用位置進(jìn)行規(guī)定[8],但尚未針對不同類型的裝配式橋墩的適用范圍進(jìn)行規(guī)定;對采用灌漿套筒連接和承插式連接的裝配式橋墩的構(gòu)造要求進(jìn)行規(guī)定,但未涉及其他類型的裝配式橋墩;提出了裝配式混凝土橋墩的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法,但尚未根據(jù)不同類型的裝配式橋墩的拼接構(gòu)造特征,提出相應(yīng)的局部構(gòu)造的極限承載力驗(yàn)算方法。在施工方面,《公路裝配式混凝土橋梁施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3654—2022)對采用灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接、預(yù)應(yīng)力連接、濕接縫連接的裝配式橋墩的施工工藝進(jìn)行規(guī)定,尚未涉及其他類型的裝配式橋墩。中國一些地區(qū)還發(fā)布了裝配式RC橋墩的地方標(biāo)準(zhǔn),如《四川省城市橋梁預(yù)制拼裝橋墩生產(chǎn)、施工與質(zhì)量驗(yàn)收技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ51/T 120—2019);內(nèi)蒙古《市政橋梁裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》(DBJ/T 03-86—2018)等標(biāo)準(zhǔn)對灌漿套筒、灌漿波紋管、預(yù)應(yīng)力等連接方式做了相應(yīng)的施工、驗(yàn)收要求;上海《預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ 08-2160—2015)、山東省《城市軌道交通橋墩預(yù)制拼裝技術(shù)規(guī)程》(DB37/T 5100—2017)、吉林省《裝配式混凝土橋墩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DB22/T 5013—2018)、廣東省《裝配式市政橋梁工程技術(shù)規(guī)范》(DBJ/T 15-169—2019)等標(biāo)準(zhǔn),對不同連接方式(含灌漿套筒、灌漿波紋管、預(yù)應(yīng)力等連接)提出裝配式RC橋墩的抗震設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等要求。相關(guān)研究可為裝配式橋墩在實(shí)際工程的推廣應(yīng)用提供參考借鑒,但其內(nèi)容尚未全面涉及在實(shí)際工程中已得到應(yīng)用的各種類型的裝配式橋墩,有待進(jìn)一步補(bǔ)充完善。

    4 存在問題與未來研究方向

    2020年7月3日,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》,為橋梁工程建造指明了方向。橋梁工業(yè)化及智能建造是建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要組成部分,加快橋梁工業(yè)化升級(jí)、裝配式構(gòu)造創(chuàng)新、BIM技術(shù)的全過程實(shí)施,有助于形成設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、服務(wù)一體的產(chǎn)業(yè)鏈體系。

    大量工程實(shí)踐證明,跨海橋梁、城市橋梁采用裝配式RC橋墩,可明顯縮短建造周期,減少現(xiàn)場作業(yè)和勞動(dòng)力數(shù)量,且對城市現(xiàn)狀交通、生態(tài)環(huán)境的影響較小,符合中國建筑行業(yè)目前提倡的建筑工業(yè)化、智能建造的發(fā)展方向。一般情況下,裝配式RC橋墩的造價(jià)會(huì)略高于現(xiàn)澆橋墩,但是當(dāng)橋梁長度達(dá)到5 km時(shí),裝配式RC橋墩和現(xiàn)澆橋墩兩者的造價(jià)相當(dāng)。

    目前常用的裝配式橋墩結(jié)構(gòu)體系的拼接構(gòu)造在結(jié)構(gòu)耐久性、施工便利性、經(jīng)濟(jì)性、方便質(zhì)量管控等方面均存在一定的提升空間。近年來隨著裝配式橋墩在實(shí)際工程的推廣應(yīng)用,大量工程建設(shè)者將進(jìn)一步探討在橋墩的拼接位置采用新型構(gòu)造和新材料,提高拼接構(gòu)造的受力性能和耐久性,并提升施工安全性和施工效率,現(xiàn)存的這些問題將隨著裝配式RC橋墩的持續(xù)性工程應(yīng)用,逐步得到解決。

    從工程設(shè)計(jì)角度,目前已經(jīng)有一些關(guān)于裝配式RC橋墩的技術(shù)手冊或地方標(biāo)準(zhǔn),對裝配式RC橋墩起到一定的參考借鑒作用。然而,學(xué)者們對不同連接方式裝配式RC橋墩的研究主要還聚焦在抗震性能上,且相關(guān)資料仍較為分散,缺乏系統(tǒng)的裝配式RC橋墩的抗震能力的分析和抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法,如將其用于強(qiáng)震區(qū),仍有很多關(guān)鍵性的技術(shù)問題有待解決?,F(xiàn)有的研究對裝配式RC橋墩的抗剪、抗壓性能關(guān)注不多,有待進(jìn)一步補(bǔ)充。為形成完整的裝配式RC橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系,從結(jié)構(gòu)的全壽命周期考慮裝配式橋墩的連接構(gòu)造的可靠度和抗震性能,今后需要根據(jù)工程設(shè)計(jì)需求進(jìn)一步開展系統(tǒng)性的研究。

    從工程管理的角度,采用灌漿套筒、灌漿波紋管進(jìn)行主要受力鋼筋連接的裝配式RC橋墩,其灌漿數(shù)量巨大,相應(yīng)的工程管理成本較大,目前灌漿套筒、灌漿波紋管等灌漿質(zhì)量的檢測方法主要有預(yù)埋傳感器法、預(yù)埋鋼絲拉拔法、超聲波法、X射線法[65-66],這些方法在實(shí)際運(yùn)用上存在一定的問題,有待提出較好的灌漿質(zhì)量的檢測和評(píng)估方法,以及較為完善的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和控制手段。因此,如何進(jìn)行灌漿套筒、灌漿波紋管的灌漿質(zhì)量管控,是今后采用灌漿套筒連接或灌漿波紋管連接等裝配式RC橋墩需要解決的一個(gè)關(guān)鍵性問題。

    此外,由于中國對基礎(chǔ)建設(shè)的大力投資所帶來的新的發(fā)展機(jī)遇,裝配式RC橋墩在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、施工設(shè)備、智能建造技術(shù)、施工管理水平等方面均有望得到提升,相關(guān)產(chǎn)業(yè)配套也將進(jìn)一步得到完善。已有研究表明:采用BIM技術(shù)可以有效提高橋梁的建造、養(yǎng)護(hù)、管理等一體化水平,無人機(jī)、機(jī)器人等智能檢測技術(shù)也可以提高橋墩檢測精度和效率,人工智能和5G技術(shù)的發(fā)展也為結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)帶來新的思路[67]。從結(jié)構(gòu)的全壽命角度,裝配式RC橋墩的建造成本和運(yùn)營成本有望得到大幅下降,從而使得裝配式RC橋墩的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化成為現(xiàn)實(shí)。

    5 結(jié)論

    1)灌漿套筒或灌漿波紋管連接的裝配式RC橋墩屬于“等同現(xiàn)澆”體系,在中國城市橋梁應(yīng)用較多;后張預(yù)應(yīng)力連接裝配式RC橋墩屬于“非等同現(xiàn)澆”體系,具有自復(fù)位能力較強(qiáng)、殘余位移較小等優(yōu)點(diǎn),但是耗能能力相對較差,施工較復(fù)雜,在其他國家應(yīng)用較多,在中國較為少見;“混雜型體系”已經(jīng)在中國的一些跨海大橋得到應(yīng)用。

    2)采用榫卯和灌漿套筒混合連接的裝配式RC橋墩,與采用灌漿套筒或灌漿波紋管連接的裝配式RC橋墩相比,其施工便利性、受壓性能、抗震性能均有所提升,但如何提高接縫的耐久性仍有待進(jìn)一步研究;而采用榫卯和現(xiàn)澆UHPC混合連接的裝配式RC橋墩,與采用榫卯和灌漿套筒混合連接的裝配式RC橋墩相比,雖然在受力性能方面較為接近且可改善接縫的耐久性,但其接縫處的現(xiàn)澆UHPC養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長,在施工便利性方面不占優(yōu)勢。

    3)在裝配式橋墩的受力性能研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,既有研究大多集中于橋墩的抗震性能的研究,但涉及橋墩的抗壓、抗剪承載力等試驗(yàn)研究較為少見;《公路裝配式混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3365-05—2022)等規(guī)范對裝配式橋墩的結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)造要求進(jìn)行規(guī)定,但尚未根據(jù)不同類型的裝配式橋墩的拼接構(gòu)造特征,提出相應(yīng)的局部構(gòu)造的極限承載力驗(yàn)算方法、構(gòu)造要求、適用范圍,有待進(jìn)一步補(bǔ)充完善。

    4)在施工與質(zhì)量管控方面,裝配式RC橋墩的連接構(gòu)造復(fù)雜,套筒或波紋管的灌漿質(zhì)量直接影響橋墩的受力性能。在進(jìn)行橋墩的拼接施工時(shí),橋墩拼接面的密貼程度、粘結(jié)劑的飽滿程度以及橋墩的垂直度等,對橋墩的承載力也有一定的影響?!豆费b配式混凝土橋梁施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3654—2022)僅針對部分類型的裝配式橋墩的施工和質(zhì)量驗(yàn)收要求進(jìn)行規(guī)定,有待進(jìn)一步補(bǔ)充完善。隨著建筑信息化、智能化的技術(shù)發(fā)展,將BIM技術(shù)、機(jī)器人智能檢測、人工智能、5G技術(shù)等合理運(yùn)用到裝配式RC橋墩的施工,實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量的有效管控,是今后重要的發(fā)展方向。

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