高速公路大跨徑橋梁預制裝配式墩柱性能研究

摘 要：文章針對大跨徑橋梁建設的施工效率、工程質(zhì)量、環(huán)境保護以及可持續(xù)發(fā)展的不斷需求，對預制裝配式墩柱性能開展了系統(tǒng)性的研究工作。詳細闡述了預制裝配式墩柱的結(jié)構(gòu)體系、關(guān)鍵連接技術(shù)以及設計原理。隨后結(jié)合具體的工程案例或者典型設計，提出了墩柱在施工及運營期的監(jiān)測方案。重點圍繞施工階段的力學性能、耐久性以及運營期的地震穩(wěn)定性展開了深入的分析與評估。通過理論分析、數(shù)值模擬以及試驗研究（如適用）等手段，探討了預制節(jié)段吊裝、接縫連接、預應力施加等關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)對墩柱力學行為產(chǎn)生的影響，分析了預制構(gòu)件質(zhì)量控制、接縫處理對墩柱長期耐久性發(fā)揮的作用機制，并評估了不同連接方式下預制裝配式墩柱的抗震性能、損傷模式以及震后可恢復性。研究結(jié)果為大跨徑橋梁預制裝配式墩柱的工業(yè)化和智能化發(fā)展提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：大跨徑橋梁 預制裝配式墩柱 節(jié)段連接 力學性能 耐久性 地震穩(wěn)定性

隨著大跨徑橋梁建設數(shù)量不斷增長，傳統(tǒng)的現(xiàn)澆墩柱開始面臨諸多挑戰(zhàn)，預制裝配式技術(shù)具備高效優(yōu)質(zhì)環(huán)保等優(yōu)勢，在大跨徑橋梁墩柱中的應用前景十分廣闊，但其節(jié)段連接可靠性、整體力學性能、耐久性以及抗震穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)問題還需進一步研究，現(xiàn)有研究大多集中于橋梁的上部結(jié)構(gòu)，針對預制墩柱尤其是復雜受力環(huán)境下的綜合性能研究尚不充分；文章致力于系統(tǒng)研究大跨徑橋梁預制裝配式墩柱，重點探討其結(jié)構(gòu)體系、力學響應、監(jiān)測方案、施工期力學與耐久性以及地震穩(wěn)定性，為優(yōu)化設計施工和提升結(jié)構(gòu)安全耐久性提供理論與技術(shù)支持。

1 大跨徑橋梁預制裝配式墩柱

1.1 工程概況

文章以正在計劃建設的東海灣跨海特大橋工程作為背景，這座橋的主橋是一座主跨達到780米的雙塔雙索面混合梁斜拉橋，引橋采用的是預應力混凝土連續(xù)梁橋的形式，主橋索塔承臺以上的塔柱設計高度為185米，為滿足快速進行施工、減少海上作業(yè)風險、提升構(gòu)件質(zhì)量以及響應綠色建造的需求，塔柱中下部120米高度范圍內(nèi)的墩柱結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性采用預制裝配式節(jié)段施工方案，該預制墩柱截面是帶倒角的矩形空心截面，外輪廓尺寸為8.5米×6.0米且壁厚為0.8米，每個標準預制節(jié)段高度設計成4.5米，最大節(jié)段重量大約為165噸，全部預制節(jié)段在陸上專業(yè)預制廠內(nèi)使用高精度鋼模板配合先進的匹配預制工藝和蒸汽養(yǎng)護技術(shù)來生產(chǎn)，以此確保節(jié)段的幾何精度和混凝土質(zhì)量，現(xiàn)場安裝采用大型塔式起重機配合專用吊具進行垂直吊裝，節(jié)段之間采用干接縫連接并且通過高強度無粘結(jié)預應力筋進行豎向連接與錨固，從而形成整體受力結(jié)構(gòu)，該方案旨在大幅縮短海上高空作業(yè)的時間，降低施工對海洋環(huán)境所產(chǎn)生的影響，并且為后續(xù)類似工程提供寶貴的實踐經(jīng)驗與技術(shù)儲備[1]。

1.2 預制裝配式墩柱結(jié)構(gòu)體系與設計原理

大跨徑橋梁預制裝配式墩柱的結(jié)構(gòu)體系重點是把傳統(tǒng)現(xiàn)澆墩柱沿豎向劃分成若干標準或非標準節(jié)段，這些節(jié)段會在工廠化條件下完成預制工作，之后運輸?shù)綐蛭惶庍M行吊裝、定位以及連接操作，最終形成完整的墩柱結(jié)構(gòu)；其關(guān)鍵技術(shù)是保證節(jié)段間的連接方式以及整體受力性能，常見連接方式有干接縫連接、濕接縫（像環(huán)氧樹脂接縫或者微膨脹混凝土后澆帶）連接和套筒灌漿連接等，干接縫主要依靠節(jié)段接觸面間的摩擦力和剪力鍵來傳遞剪力，通過施加預應力提供壓應力保證接縫密閉性和抗彎能力，濕接縫則通過在節(jié)段間填充高性能連接材料形成整體，具備更好的傳力連續(xù)性和耐久性，在設計原理方面，預制裝配式墩柱首先遵循“等同現(xiàn)澆”原則，在承載能力、剛度、延性及耐久性等方面力求達到甚至超越傳統(tǒng)現(xiàn)澆墩柱的性能，節(jié)段劃分要綜合考慮預制、運輸、吊裝能力、結(jié)構(gòu)受力特點（例如避開高應力區(qū)或者對接縫進行特殊加強）以及施工效率，預應力設計是核心環(huán)節(jié)，通過合理布置和施加預應力確保在各種荷載工況下節(jié)段接縫處保持足夠壓應力，有效控制裂縫并提高結(jié)構(gòu)整體性和抗疲勞性能，此外還需重點關(guān)注接縫的細部構(gòu)造設計，比如剪力鍵的尺寸與數(shù)量、接縫的防水密封措施以及預應力錨固區(qū)的局部承壓能力，以此確保連接的可靠性和耐久性[2]。

1.3 大跨徑橋梁預制裝配式墩柱監(jiān)測方案設計

為了全面評估東海灣跨海特大橋預制裝配式墩柱在施工以及長期運營期間的性能表現(xiàn)，專門設計出一套詳盡的監(jiān)測方案。監(jiān)測方案在施工期的目的是驗證設計假定、控制施工質(zhì)量以及保障施工安全，同時為優(yōu)化施工工藝提供數(shù)據(jù)支持，在運營期可以綜合掌握結(jié)構(gòu)的健康狀況、評估長期服役性能以及預測潛在損傷發(fā)展趨勢，從而為養(yǎng)護維修決策提供科學依據(jù)。監(jiān)測內(nèi)容主要包含以下方面，首先是應力應變監(jiān)測，在墩柱關(guān)鍵截面如墩底、墩頂、典型節(jié)段接縫兩側(cè)及預應力錨固區(qū)的混凝土內(nèi)外表面以及內(nèi)部鋼筋、預應力筋上布設光纖光柵（FBG）應變傳感器和電阻應變片，以此實時獲取結(jié)構(gòu)在荷載作用下的應力分布和變化情況。其次是位移與變形監(jiān)測，采用GPS全球定位系統(tǒng)、高精度全站儀和激光測距儀來監(jiān)測墩頂?shù)慕^對位移和墩身側(cè)向撓度，同時在節(jié)段接縫處安裝FBG位移傳感器或高精度位移計（LVDT），用以監(jiān)測接縫的相對張開量與錯動量。再次是傾斜與轉(zhuǎn)角監(jiān)測，沿墩高不同位置布設高精度傾角傳感器，以此監(jiān)測墩身的整體傾斜和局部轉(zhuǎn)角。在預應力監(jiān)測方面，在部分預應力筋的張拉端和錨固端安裝壓力傳感器或FBG索力計，用于監(jiān)控預應力的施加過程和長期損失。溫度監(jiān)測是通過在墩柱內(nèi)外及混凝土內(nèi)部預埋溫度傳感器來實現(xiàn)，進而分析溫度效應對結(jié)構(gòu)的影響[3]。

2 施工研究及應用效果評估

2.1 預制裝配式墩柱施工力學性能分析

預制裝配式墩柱施工階段的力學性能對保證結(jié)構(gòu)安全和最終服役性能很關(guān)鍵。研究采用精細化有限元分析方法對節(jié)段吊裝、臨時固定、接縫匹配、預應力張拉等關(guān)鍵施工工況展開模擬。在節(jié)段吊裝分析里，重點關(guān)注吊點布置優(yōu)化以及吊裝過程中節(jié)段自身的應力狀態(tài)，確保最大拉應力不超過混凝土抗拉強度標準值的80%。例如對于C50混凝土，f_tk=2.65MPa，則控制拉應力小于2.12MPa，并且校核吊索與節(jié)段連接處的局部承壓。臨時支撐體系設計要考慮已拼裝節(jié)段的自重、風荷載以及后續(xù)節(jié)段安裝產(chǎn)生的偏心荷載，確保其穩(wěn)定性和變形處于允許范圍，如臨時支撐下已拼裝結(jié)構(gòu)頂部位移小于H/1500，H為已拼裝高度。接縫匹配與連接過程中，分析了干接縫在初始壓應力作用下的接觸應力分布以及濕接縫灌漿料早期強度發(fā)展對臨時固定的影響。預應力張拉是核心環(huán)節(jié)，通過模擬分批對稱張拉過程，分析預應力施加對墩柱截面應力重分布、軸向壓縮變形預計約3-5mm/10m墩高及預應力瞬時損失如錨具變形、鋼束回縮、摩阻損失等綜合估算約占總張拉力的6% - 10%的影響，確保接縫處獲得不小于1.5MPa的有效壓應力。同時對施工容差如節(jié)段端面不平整度控制在0.5mm以內(nèi)和垂直度偏差控制在1/3000以內(nèi)對結(jié)構(gòu)受力的敏感性進行評估[4]。

2.2 預制裝配式墩柱施工耐久性性能分析

預制裝配式墩柱的長期耐久性和它的施工質(zhì)量緊密相關(guān)，尤其是預制構(gòu)件自身的質(zhì)量控制以及接縫處理工藝，研究著重分析施工階段對耐久性產(chǎn)生影響的各類因素，預制構(gòu)件處于工廠化生產(chǎn)條件的時候，混凝土配合比會得到嚴格控制，像采用C50高性能海工混凝土，水膠比小于等于0.35，摻入適量粉煤灰和礦渣粉來提高抗氯離子滲透性，并且通過蒸汽養(yǎng)護，例如65℃恒溫養(yǎng)護8小時，以此確保早期強度和后期耐久性，鋼筋保護層厚度運用高精度定位技術(shù)，保證其能夠達到設計要求，如50mm±3mm，這樣可以有效延緩鋼筋銹蝕的情況，對于接縫耐久性而言，若采用干接縫，就會對剪力鍵槽的防積水和表面處理提出相應要求，若采用濕接縫，就會選用和母材混凝土性能相匹配的高性能無收縮灌漿料或環(huán)氧樹脂膠，如28天抗壓強度大于等于70MPa，粘接強度大于等于3.0MPa，同時對灌注/涂敷工藝、養(yǎng)護條件進行控制，確保接縫的密實性和抗?jié)B性，滲透系數(shù)小于10-12m/s，預應力系統(tǒng)的防腐是另外一個關(guān)鍵之處，采用HDPE材質(zhì)的預應力管道，并且確保管道接頭的密封性，預應力筋本身采用環(huán)氧涂層或者提供額外防腐措施，張拉后的孔道壓漿采用專用高流動性、微膨脹水泥漿，保證壓漿飽滿度達到98%以上，有效隔絕外部侵蝕介質(zhì)，施工過程中針對構(gòu)件的磕碰損傷、保護層缺陷等問題也需要及時進行修復，采用和原混凝土性能兼容的修補材料，避免形成耐久性薄弱點[5]。

2.3 預制裝配式墩柱地震穩(wěn)定性分析

預制裝配式墩柱的節(jié)段接縫是其區(qū)別于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特征，對接縫處非線性行為的準確模擬是地震穩(wěn)定性分析的核心。研究采用非線性有限元時程分析方法，并結(jié)合擬靜力試驗結(jié)果（如適用）進行驗證。模型中，節(jié)段間的接縫采用精細化的接觸單元模擬，能夠考慮接縫的張開、閉合、滑移以及搖擺（rocking）行為。對于干接縫連接的墩柱，分析其在強震作用下通過節(jié)段間搖擺耗散地震能量的機制，以及預應力筋提供的自復位能力。重點關(guān)注接縫張開量（如控制在截面高度的1/20以內(nèi)）、殘余張開量，以及剪力鍵的抗剪性能和完整性，確保其在大震下不發(fā)生剪切破壞。對于濕接縫或套筒灌漿連接，則評估其在地震往復荷載下的滯回性能、損傷演化及延性。選取多條具有代表性的天然地震波（如El Centro波、Taft波、汶川波等）和人工合成地震波，調(diào)整其峰值加速度（PGA）以模擬不同地震烈度下的響應。分析的關(guān)鍵指標包括：墩頂位移、層間位移角（如罕遇地震下控制在1/50以內(nèi)）、基底剪力、塑性鉸發(fā)展情況、能量耗散分布以及殘余變形。研究還探討了不同預應力水平（如平均壓應力0.1f_c至0.2f_c）、有無耗能鋼筋穿過接縫等設計參數(shù)對墩柱抗震性能的影響，旨在提出能夠滿足“大震不倒、中震可修、小震不壞”抗震設防目標的優(yōu)化設計方案，例如通過合理設計使延性系數(shù)μ達到3.0以上，并控制殘余位移角在0.004rad以下。

3 結(jié)論

文章對大跨徑橋梁預制裝配式墩柱的關(guān)鍵技術(shù)與性能做了系統(tǒng)研究，研究結(jié)果顯示通過優(yōu)化節(jié)段設計、采用可靠的干/濕接縫等接縫技術(shù)以及精確控制預應力，能夠保證施工期力學性能與結(jié)構(gòu)整體性，通過工廠化預制再加上精細的現(xiàn)場接縫處理方式，可顯著提升構(gòu)件質(zhì)量和長期耐久性，在發(fā)生地震的情況下，合理設計的如利用搖擺機制的預制墩柱可表現(xiàn)出優(yōu)良耗能能力、損傷控制效果和震后可恢復性的功能，該技術(shù)在提升工效、保證質(zhì)量、減少環(huán)境影響方面具有顯著優(yōu)勢，同時為橋梁工業(yè)化發(fā)展提供了重要支撐，不過接縫的長期耐久性與全生命周期智能監(jiān)測仍是未來需要深化研究的關(guān)鍵問題。

參考文獻：

[1]匡翔.高速公路中小跨徑橋梁全預制方式方案[J].工程技術(shù)研究，2021，6（11）：206-207.

[2]詹建輝.提高大跨徑橋梁的安全性和耐久性[J].中國公路，2021（07）：48-56.

[3]許淵.大跨徑鋼管系桿拱橋施工技術(shù)的應用[J].安徽建筑，2020，27（06）：52-53.

[4]馮科科.關(guān)于橋梁施工中大跨徑連續(xù)橋梁施工技術(shù)[J].低碳世界，2016（34）：210-211.

[5]朱瑜，范朋剛，王鋒.小半徑大跨徑橋梁梁板預制與架設[J].公路交通科技（應用技術(shù)版），2014，10（11）：68-71.