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    灌漿套筒連接裝配式橋墩施工技術(shù)研究

    2024-12-10 00:00:00孫健
    四川建筑 2024年5期
    關(guān)鍵詞:蓋梁墩柱套筒

    裝配式橋墩在交通基礎(chǔ)建設(shè)得到較廣泛應(yīng)用,而預(yù)制構(gòu)件由灌漿套筒連接形成的裝配體系具有更高的剛度和強(qiáng)度,且其更適用于各種規(guī)格和形狀的預(yù)制構(gòu)件。以古神公路與古鎮(zhèn)快線互通立交工程背景,通過計(jì)算并分析灌漿套筒連接裝配式橋墩構(gòu)件可靠傳力方式,以及構(gòu)件預(yù)制、運(yùn)輸、安裝過程中的施工難點(diǎn),闡明了灌漿套筒連接裝配式橋墩施工工藝和技術(shù)要點(diǎn),為同類型工程提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

    裝配式; 墩柱; 蓋梁; 預(yù)制; 灌漿套筒連接

    U445.469A

    [定稿日期]2024-08-13

    [課題項(xiàng)目]中鐵二十三局集團(tuán)科研課題計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào):2023-01B)

    [作者簡(jiǎn)介]孫?。?984—),男,本科,工程師,從事道路、橋梁、隧道施工技術(shù)工作。

    0 引言

    隨著預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)和制造技術(shù)水平的提高,相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)橋梁,裝配式結(jié)構(gòu)橋梁具有造價(jià)低廉、建造效率高、污染低等優(yōu)點(diǎn),其建造過程也更符合綠色環(huán)保建造的理念及適應(yīng)工業(yè)化建設(shè)方向,有利于推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,因此近年來被廣泛應(yīng)用。裝配式結(jié)構(gòu)橋梁具體是將橋梁的結(jié)構(gòu)劃分為若干個(gè)單元,在預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行分片預(yù)制,再運(yùn)至橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝,形成整跨的結(jié)構(gòu)[1]。灌漿套筒連接適用于需要高強(qiáng)度和高抗震性能的橋墩結(jié)構(gòu),尤其在現(xiàn)代裝配式橋梁建設(shè)中被廣泛采用,對(duì)于結(jié)構(gòu)化互通立交橋梁,由于其空間幾何形態(tài)構(gòu)造復(fù)雜,導(dǎo)致裝配式橋墩預(yù)制、吊裝、拼接施工難度也相應(yīng)增加。

    為了提高裝配式結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)合理性及施工的安全性,國(guó)內(nèi)已有一些學(xué)者進(jìn)行過裝配式構(gòu)件力學(xué)特性和施工技術(shù)研究,主要集中在主梁、橋墩、蓋梁等構(gòu)件的研究。高速公路的橋梁通常是正交橋梁,而斜轉(zhuǎn)正橋梁有其空間形狀復(fù)雜,會(huì)受到復(fù)雜彎扭耦合作用,朱愛東[2]研究了裝配式斜轉(zhuǎn)正橋梁構(gòu)件的力學(xué)性能。肖堯等[3]以廣西某高速項(xiàng)目為背景,研究了預(yù)制梁拼裝技術(shù)。裝配式橋墩相比于現(xiàn)澆橋墩,其整體性略差,因此通常較少用在受高頻振動(dòng)的鐵路橋,而焦亞萌等[4]依托鄭濟(jì)高速鐵路工程,采用減隔震支座+雙柱空心墩的結(jié)構(gòu)體系,對(duì)裝配式橋墩進(jìn)行了有限元計(jì)算,結(jié)果表明該裝配式橋墩具有較好力學(xué)性能且可滿足抗震要求。曾湘黔[5]以上海S3公路橋梁施工為工程背景,研究了裝配式橋墩、蓋梁施工技術(shù)。高強(qiáng)鋁合金裝配式橋梁可用于應(yīng)急狀況下快速架橋方案,張立乾[6]研究了高強(qiáng)鋁合金裝配式橋梁的承載能力,并分析了其施工工藝?,F(xiàn)今高速橋其梁段形式多樣,主要有空心板、箱梁、T梁。T梁由于制作簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性較高經(jīng)常被應(yīng)用于中小跨徑公路橋梁,盧濤等[7]以深岑高速項(xiàng)目為背景,對(duì)不同跨徑裝配式T梁拼寬結(jié)構(gòu)的受力性能研究,并運(yùn)用有限元軟件建立計(jì)算模型,保證了施工拼接過程的安全性。曹彥青[8]研究了裝配式鋼筋混凝土T梁的快速拼接技術(shù)。而箱梁抗扭性能較好,也被廣泛應(yīng)用于中跨徑的公路橋梁,封吳秋等[9]分析了裝配式箱梁主梁的力學(xué)性能??招陌逋ǔ_m用于小跨徑公路橋梁,其抗剪性能較弱,王昊等[10]分析了裝配式空心板的抗剪性能。張瑞興等[11]總結(jié)了各種裝配式梁的施工安裝技術(shù)。劉四田等[12]人分析了一種倒T型大懸臂蓋梁的力學(xué)性能。而張奉春[13]研究了裝配式箱梁施工工藝。莫莉等[14]研究了大型裝配式混凝土蓋梁的施工工藝,實(shí)現(xiàn)了高精度安裝。劉志杭等[15]分析了裝配式橋梁構(gòu)件連接重難點(diǎn)。

    從現(xiàn)今開放文獻(xiàn)來看,仍缺乏灌漿套筒連接裝配式橋墩施工技術(shù)研究。因此,依托古神公路古鎮(zhèn)快線互通立交項(xiàng)目,探討了本項(xiàng)目灌漿套筒連接裝配式橋墩施工工藝和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

    1 工程背景

    本項(xiàng)目位于中山市西部,涉及古鎮(zhèn)鎮(zhèn)和橫欄鎮(zhèn)。古神公路與古鎮(zhèn)快線互通部分分別由A、B、C、D、E、F、G、H 8條匝道組成。其中,下部結(jié)構(gòu)采用T型墩,蓋梁及墩柱采用灌漿套筒連接裝配式連接方式,承臺(tái)及樁基采用現(xiàn)澆施工。

    (1)蓋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),主要分4類,10.4 m×2.0 m×1.8 m、10.4 m×2.2 m×2.0 m、10.8 m×2.0 m×1.8 m、10.8 m×2.2 m×2.0 m。

    (2)墩柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),主要分2類,2.0 m×1.8 m、2.2 m×2.0 m,預(yù)制節(jié)段主要分為:2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m。

    (3)承臺(tái)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),主要分2類,5.9 m×2.3 m×2.1 m、6.6 m×2.6 m×2.4 m。

    (4)樁基礎(chǔ)形式采用端承樁,樁基直徑主要分2類,1.4 m、1.6 m。

    (5)橋臺(tái)采用座板臺(tái),樁基礎(chǔ),樁基直徑主要采用1.2 m。

    裝配式橋梁墩柱與蓋梁的連接采用灌漿套筒連接。預(yù)埋套筒在構(gòu)件預(yù)制過程中預(yù)留,構(gòu)件拼接時(shí)對(duì)套筒進(jìn)行灌漿,灌漿料的強(qiáng)度和注漿質(zhì)量對(duì)灌漿套筒的連接性能影響較大[14],因此灌漿時(shí)填充C60高強(qiáng)度混凝土,待灌漿材料在充分固化后,通過摩擦力將墩柱與蓋梁牢固地連接在一起。這種連接方式具有高承載能力,使鋼筋不容易產(chǎn)生滑移(圖1)。

    2 裝配式橋墩連接與構(gòu)造

    2.1 連接方式選取

    裝配橋墩與現(xiàn)澆橋墩最大的區(qū)別在于節(jié)點(diǎn)連接問題。由于裝配式橋墩的節(jié)點(diǎn)較為薄弱,其力學(xué)性能往往不如現(xiàn)澆橋墩。而判別裝配式橋墩力學(xué)性能好壞的重點(diǎn)在于連接橋墩構(gòu)件方法是否合理。蓋梁與墩柱的連接方式多種多樣。常見的方法包括使用灌漿套筒進(jìn)行連接、采用灌漿金屬波紋管實(shí)現(xiàn)連接、利用插槽式進(jìn)行固定,以及通過承插結(jié)構(gòu)來連接。這些方法各有特點(diǎn),能夠滿足不同施工需求。

    其中,灌漿金屬波紋管連接的抗震性能尚在研究中,因此較少被應(yīng)用,但國(guó)內(nèi)已有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)得到其部分力學(xué)特性[16]。此外,插槽式連接在裝配式構(gòu)件預(yù)留波紋管,將預(yù)留的鋼筋伸入波紋管,再灌漿形成整體,但其后期需要大量養(yǎng)護(hù)工作,不利于縮短工期。承插式連接主要依靠構(gòu)件上預(yù)留的凸耳和槽口結(jié)構(gòu),通過插入和嵌合的方式實(shí)現(xiàn)連接。在插入完成后,通過預(yù)留的灌漿口,將高強(qiáng)度灌漿材料注入槽口和凸耳之間的空隙,填充所有空隙,進(jìn)一步加固連接,但其延性較差,耗能能力低。

    本項(xiàng)目采用的灌漿套筒連接方式是裝配式橋梁構(gòu)件最常見的連接方式,可分為全灌漿套筒連接和半灌漿套筒連接。半灌漿套筒連接是將一根螺紋鋼筋與套筒進(jìn)行連接,另一根鋼筋通過灌漿材料連接。全灌漿套筒連接則是將兩根鋼筋伸入套筒,并完全填充灌漿材料形成更堅(jiān)固的連接,具有更高的承載能力和抗震性能。因此,本工程采用全灌漿套筒連接,其連接方式如圖2所示。

    2.2 灌漿套筒連接構(gòu)造及計(jì)算

    灌漿套筒連接必須要保證鋼筋連接件有足夠的極限承載能力。根據(jù)文獻(xiàn)公式[17],可以算出全灌漿套筒連接件發(fā)生破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的極限承載力Pu,見式(1)~式(6)。

    Pb=-rs·(1+μg)·εE+N·MK·N-2rs·r2bEg,c·(r2s-r2b)(1)

    K=r2s+r2b+μg,c·(r2s-r2b)2r2s+Eg,c·(1-μb,c)·(r2s-r2b)2r2s·Eb,c(2)

    N=rs·(r2s+R2s)Es,c·(r2s+R2s)+rs·μs,cEs,c-rs·μs,cEg,c+

    rs·(r2s+r2b)Eg,c·(r2s-r2b)+r2s+r2b+μg,c·(r2s-r2b)2r2s(3)

    M=Eg,c·εE·(1+μg)·(r2s-r2b)2r2s(4)

    τ=(1.49+0.45Pb)·fm(5)

    Pu=τ·π·d·l(6)

    式中:rs、rb分別為套筒半徑、鋼筋半徑,灌漿料的泊松比記為μg,灌漿料膨脹率為εE,平面應(yīng)變換算后,灌漿料、鋼筋、鋼套筒的彈性模量分別記為Eg,c、Eb,c、Eg,c,相應(yīng)的泊松比分別為μg,c、μb,c、μs,c,τ表示粘結(jié)強(qiáng)度,Pb表示約束應(yīng)力,fm表示灌漿料軸心抗壓強(qiáng)度值,l表示錨固鋼筋直徑,鋼筋在套筒內(nèi)的錨固長(zhǎng)度記作l。

    通過上式可知,套筒連接件極限承載力跟錨固長(zhǎng)度相關(guān),錨固長(zhǎng)度越長(zhǎng),極限承載力越大,具體算例如表1所示,其中尺寸如圖2所示。

    王長(zhǎng)軍等[18]研究通過鋼筋為25 mm的拉伸實(shí)驗(yàn)也得到相同的結(jié)論,如圖3所示。根據(jù)不同鋼筋直徑錨固長(zhǎng)度的套筒試件單拉試驗(yàn)結(jié)果,其破壞形式可分為拔出和拉斷,拉斷代表試件達(dá)到了臨界極限承載力,而拔出則代表極限承載力未充分發(fā)揮,因此可引出臨界錨固長(zhǎng)度,對(duì)于不同的鋼筋直徑其臨界錨固長(zhǎng)度并不相同,隨著鋼筋直徑的增大,臨界錨固長(zhǎng)度越大,如圖3所示達(dá)到5d,即臨界錨固長(zhǎng)度。由于本工程鋼筋36 mm較大,為了有足夠的力學(xué)性能儲(chǔ)備,錨固長(zhǎng)度取10d。

    3 裝配式橋墩預(yù)制施工工藝

    3.1 墩柱構(gòu)件預(yù)制施工

    墩柱構(gòu)件預(yù)制關(guān)鍵在于灌漿套筒位置預(yù)留,灌漿套筒位置的準(zhǔn)確設(shè)置不僅關(guān)系到整個(gè)預(yù)制墩柱的施工質(zhì)量,還直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。因此,在預(yù)制和安裝過程中,每一個(gè)步驟都必須確保高精度和高質(zhì)量。

    預(yù)制墩柱鋼筋籠在專用胎架上制作成型,為確保支撐穩(wěn)定和主要受力鋼筋不變形,定位系統(tǒng)布置需精確。在結(jié)構(gòu)的末端,裝配了通過車床精細(xì)加工的定位鋼板,其加工精度控制在±1 mm以內(nèi)。在正確預(yù)埋灌漿套筒時(shí),套筒需在預(yù)制過程中準(zhǔn)確定位,確保灌漿完全覆蓋連接鋼筋。安裝套筒端定位板,精度控制在±1 mm內(nèi)。使用套筒固定端結(jié)合墩柱底模,保證套筒位置正確,并在澆筑前檢查套筒與連接鋼筋的對(duì)齊情況,確保連接強(qiáng)度。墩柱鋼筋籠胎架尾部的套筒定位板,結(jié)合墩柱底模的形式固定套筒。這種設(shè)計(jì)不僅確保套筒的精確定位,還充當(dāng)澆筑過程中的底模板。

    拼裝前,鋼筋端和套筒端定位板的位置要精確再測(cè)量。在組裝過程中,胎架基座必須保持水平,支架安裝要位置精準(zhǔn)且垂直,精度控制都要在±2 mm以內(nèi)。胎架安裝完成后,對(duì)支架整體測(cè)量,確保在同一直線,防止主鋼筋安裝中產(chǎn)生扭曲。其具體制作流程如圖4所示。

    本項(xiàng)目所使用的墩柱模板由側(cè)模、底模、底架、吊架、臺(tái)車、翻轉(zhuǎn)架及操作平臺(tái)等七個(gè)部分組成。檢測(cè)內(nèi)容包括模板尺寸、拼接縫隙、平整度、垂直度和表面光潔度。,確保模板合格后才能投入使用。尤其是灌漿套筒的位置設(shè)置至關(guān)重要,在模板安裝過程中需要精確定位,以確保灌漿時(shí)能夠完全覆蓋連接鋼筋,并保證套筒與鋼筋的對(duì)齊,從而確保連接強(qiáng)度和施工質(zhì)量。具體如圖5所示。

    與預(yù)制墩柱思路一致,為確保蓋梁鋼筋籠支撐穩(wěn)定,鋼筋籠在專用支架上制作。定位體系的布置保證受力鋼筋不變形,精度控制在±2 mm。為精確定位灌漿連接套筒,在支架底部增加套筒定位鋼板,精度控制在±1 mm內(nèi)。蓋梁鋼筋籠支架包括底座、支撐、吊梁及定位平臺(tái)。其中15個(gè)定位框架中有13個(gè)焊接在底架上,其它兩個(gè)移動(dòng)框架安裝時(shí)用螺栓固定在底架上。在蓋梁鋼筋籠支架拼裝前,對(duì)各部件復(fù)測(cè),特別是套筒定位板、定位框架及掛片開槽位置,需要精確測(cè)量。在拼裝過程中,支架底座安裝要水平,精度控制在+2 mm內(nèi)。完成胎架安裝后,對(duì)每個(gè)支架整體測(cè)量,避免主筋安裝時(shí)產(chǎn)生扭曲。為保證預(yù)制拼裝的灌漿連接套筒的精確定位,使用套筒定位鋼板。先在支架外制作套筒模塊,包括套筒、主筋及箍筋,全部制作完成后再吊入鋼筋籠支架。蓋梁構(gòu)件預(yù)制共分成多個(gè)步驟,整個(gè)過程中進(jìn)行測(cè)量,確保精度得到控制(圖6、圖7)。

    鋼筋籠安裝完成后,采用龍門吊進(jìn)行吊裝入模,如圖8(a)所示。蓋梁側(cè)模板安裝。模板安裝采用龍門吊施工。側(cè)模的兩側(cè)需要預(yù)留壓漿孔洞,方便壓漿管穿出模板。模板安裝完成后,測(cè)量人員需檢查,確保模板的安裝位置精確。此外,必須嚴(yán)格控制錯(cuò)臺(tái),接縫位置應(yīng)貼膠條,以防止漏漿。蓋梁側(cè)模板安裝完成后,在模板外5 cm處割斷壓漿管,如圖8(b)所示。

    預(yù)制蓋梁混凝土等級(jí)C50,高性能混凝土一次性澆筑完成,澆筑完成后,進(jìn)行規(guī)范養(yǎng)護(hù),拆模時(shí)采用人工配合龍門吊進(jìn)行,確?;炷羶?nèi)部溫度適宜,避免溫度變化導(dǎo)致混凝土開裂,拆模后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉。

    3.2 裝配式墩柱、蓋梁安裝施工工藝

    裝配式墩柱和蓋梁的安裝施工工藝具體如圖9所示。首先,對(duì)預(yù)制構(gòu)件的連接部位進(jìn)行鑿毛和清理。然后,在墩柱和蓋梁的拼接面安裝圍堰模板,鋪設(shè)厚度為20 mm的C60高強(qiáng)無收縮水泥砂漿。在鋪設(shè)前,注意調(diào)節(jié)找平,并充分澆濕拼接縫表面。接著,進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的吊裝和安放,將預(yù)留主筋精準(zhǔn)地拼接至套筒內(nèi),測(cè)量標(biāo)高并控制調(diào)節(jié)墩柱和蓋梁的垂直度,采用臨時(shí)支撐措施進(jìn)行固定。最后,清洗注漿套筒,使用高強(qiáng)無收縮水泥灌漿料向套筒內(nèi)壁注漿。注漿工序需結(jié)合橋墩墩柱鋼筋圖和套筒大樣進(jìn)行。當(dāng)有多個(gè)預(yù)制節(jié)段拼接時(shí),下部預(yù)制段拼接完成后,待接縫及灌漿材料達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度和彈性模量,再按相同方法進(jìn)行下一墩柱拼接段施工,直到墩頂連接段施工完成。

    4 經(jīng)濟(jì)效益分析

    裝配式構(gòu)件技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)施工方法帶來了諸多經(jīng)濟(jì)效益,其影響不僅體現(xiàn)在施工周期和成本上的顯著改善,還體現(xiàn)在質(zhì)量控制、能源資源利用和循環(huán)經(jīng)濟(jì)方面的積極促進(jìn)。

    本項(xiàng)目中的許多構(gòu)件在工廠內(nèi)預(yù)制完成,減少了現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間,并且通過在工廠內(nèi)進(jìn)行大部分構(gòu)件的預(yù)制,實(shí)現(xiàn)了工程規(guī)模化生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化工藝,大幅提高了施工效率和降低總體施工成本。其次相對(duì)傳統(tǒng)建筑施工需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的工序,本工程采用模塊化設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化了整個(gè)施工過程,提高了施工效率。同時(shí),實(shí)現(xiàn)了工序的并行化進(jìn)行,避免了傳統(tǒng)施工中的線性工序排隊(duì)等待的情況,進(jìn)一步提高了施工效率。此外,大部分工作在工廠內(nèi)進(jìn)行,減少了現(xiàn)場(chǎng)施工風(fēng)險(xiǎn)和相關(guān)的人工浪費(fèi)和成本。預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量更易控制,減少了因質(zhì)量問題導(dǎo)致的廢料和重新施工的情況。

    5 結(jié)束語

    本工程對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的蓋梁和墩柱進(jìn)行了預(yù)制與安裝。與傳統(tǒng)橋梁施工方法相比,本工程裝配式橋墩有以下優(yōu)勢(shì)。

    (1)本工程裝配式橋墩規(guī)?;A(yù)制生產(chǎn),相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆,可以極大保證構(gòu)件表觀質(zhì)量和力學(xué)性能。本項(xiàng)目采用C60高性能自密實(shí)混凝土和M100濕縫高性能砂漿,保證預(yù)制構(gòu)件的強(qiáng)度。本工程鋼筋36 mm較大,根據(jù)算例分析,其具備足夠的力學(xué)性能儲(chǔ)備。

    (2)采用裝配式預(yù)制構(gòu)件不僅提高了改變施工效率,而且減少了周圍交通的影響,在交通網(wǎng)比較發(fā)達(dá)的地方,可以充分利用夜間交通干擾小的時(shí)間段進(jìn)行施工,減少交通封閉時(shí)間。在進(jìn)行下部基礎(chǔ)施工的同時(shí),可進(jìn)行墩柱、橋臺(tái)、梁板的預(yù)制,可邊施工邊安裝,即使在雨天也可進(jìn)行構(gòu)件預(yù)制。

    (3)本工程項(xiàng)目完成一梁段組裝只需要五六個(gè)固定的裝配工人和機(jī)器,大大降低了施工的危險(xiǎn)系數(shù),無較高的支撐胎架,降低了工人的作業(yè)高度,減少了安全隱患,進(jìn)一步保障了生產(chǎn)安全。同時(shí),對(duì)連接材料和結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了大量的模擬試驗(yàn)和驗(yàn)證,也保證了橋梁結(jié)構(gòu)本身的安全性。

    (4)大規(guī)模生產(chǎn)后,會(huì)進(jìn)一步降低構(gòu)件制造成本,同時(shí)裝配式橋梁節(jié)省了交通疏導(dǎo)成本、安全文明措施成本、時(shí)間成本,還進(jìn)一步節(jié)省了大量的人工成本和縮短工期的管理成本,帶來了減少交通擁堵、粉塵污染、噪音污染和木材消耗等社會(huì)效益。

    參考文獻(xiàn)

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