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浅析桥梁预制墩特征及连接构造形式

发表时间：2020/12/23 来源：《基层建设》2020年第24期作者：王勇

[导读]

        安徽省公路桥梁工程有限公司安徽合肥 230031
        目前预制装配技术主要应用于桥梁上部结构中，并取得了明显成效，而下部结构逐渐成为制约桥梁快速施工的主要因素。相对于传统的现浇结构，预制装配墩柱具有如下优点：（1）施工快速、经济。预制装配墩柱的构件均采用工厂化施工，运至现场组拼安装，大量减少现场作业的规模与时间，对于建设规模较大的长线工程，厂化施工模式可显著降低施工成本。（2）环境影响小。预制装配施工可显著减小噪音污染、水污染及空气污染，并能降低混凝土泄漏对于环境影响的风险。另外，预制装配施工可以减少交通封闭，减少对车道的占用，降低社会影响。（3）结构抗震性能好。预制装配墩柱在地震作用下，塑性铰区的接缝首先张开，使得下部结构体系的刚度降低，减少地震时结构对于能量的吸收，达到耗能的目的。另外，预制装配墩柱在地震作用下的残余变形较小，纵向耗能钢筋基本处于弹性工作状态，震后修复工作量大大减小。
        墩柱作为桥梁的主要传力结构，其结构形式多种多样，但是绝大多数墩柱施工尤其是大型墩柱采用的是现场浇筑施工工艺。近几年，随着新技术、新工艺的不断发展，大型预制墩柱现场拼装施工工艺慢慢从国外被引进采用，替代了大型墩柱的现场浇筑工艺。大型预制墩柱拼装技术是将预制加工成型的大型墩柱运送到现场，再采用大型设备吊装。
        对于高桥墩来说，基础底面小、墩身高、重心高、墩身柔度大、施工精度要求高，是其显著的特点，施工时轴线很难准确控制。高桥一般设计都较新颖，技术复杂，其施工精度往往高于现行规范的规定，特别是钢筋混凝土桥墩，一般都设计成薄壁空心墩，使墩身的柔度更大，在施工过程中受到日照引起的温差、大气作用、机械振动及施工偏载等因素的影响，墩身的轴线就会发生弯曲和摆动。通常情况下，这种弯曲和摆动幅度常常大于墩身施工精度，所以，在高桥墩施工中对此不能掉以轻心，必须采取有力措施消除之，以确保达到桥墩轴线的施工精度要求。
        （1）影响高桥墩施工精度的因素
        1）环境温差
        在阳光照射下，高桥墩的朝阳面和背荫面温差较大，墩身因之产生不均匀膨胀，使其向背荫面弯曲。对于日光照射温差对高桥墩的影响，参照冶金系统对百米以上的钢筋混凝土烟囱测试结果，日光照射温差所引起的烟囱身的弯曲，对其施工精度影响很大，而且是随着温差增大而增大；日光照射温差使烟囱轴线向背荫面弯曲，形成一条弧线，而且，这条弧线随着太阳方位而改变。桥梁高桥墩施工时环境温差对施工精度的影响不容忽视。
        2）大气作用、机械振动和施工偏载
        高桥墩存在一定的柔度，在风力、施工作业面机械振动及施工偏载的作用下，墩身会在一定范围内摆动，而且这种摆动是随机的、无序的，故对墩轴线定位测量影响很大。
        （2）项目研发对行业的推动作用
        预制墩安装智能校正设备设计与应用及成套技术研究，有效减少由于外界条件引起墩身的弯曲和摆动，克服其轴线偏离了设计位置的情况，对消除弯曲、摆动对施工精度影响具有显著效果。
        桥梁预制墩柱连接构造形式
        承插式（member socket）连接构造类似于建筑上采用的杯形基础，主要应用于桥梁墩柱与承台的快速连接，可采用两种方式：一是承台浇筑时预留比立柱稍大的孔洞，待承台浇筑完成后将立柱安放在孔洞内，并填充高强度混凝土；二是立柱临时搁置在地坪上，待承台钢筋绑扎完成后一次性浇筑完成。
        对于承台预留孔洞的施工方式，桥梁墩柱上需设置剪力键，剪力键的形式可以是波浪形的齿口；对于承台钢筋后绑扎的方式，可以在墩柱身上预留钢筋后穿所需的孔洞。

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        插槽式连接构造
        插槽式（pocket）连接构造是在上一层桥梁构件中设置一个比下一层构件尺寸稍大的带有剪力键的孔洞，可应用于墩柱与承台或墩柱与盖梁的连接，考虑到浇筑混凝土需设置模板，可在构件中放置大型波纹管。
        灌浆套筒连接构造
        灌浆套筒连接构造的力学机理是通过高强无收缩水泥灌浆料填充在钢筋与连接套筒间隙，硬化后形成接头，将一根钢筋中的力传递至另一根钢筋的连接构造。
        （1）套筒构造
        灌浆连接套筒的作用是将一根钢筋的力传递至另一根钢筋，需要承受相应的荷载，因此在套筒构造设计时需要保证一定的壁厚和齿状构造。
        从筒身构造来讲，整体灌浆连接型套筒一端为工厂预制安装端，另一端为现场拼装端，套筒中间应设置钢筋限位挡板。同时由于考虑到地震时的抱箍作用，应保证在压浆口下缘布置一道箍筋，因此压浆口下缘与端部净距应大于 20 mm。
        常见的灌浆套筒为两端均为灌浆连接（整体灌浆连接）。另外考虑到机械连接的可靠性，在工厂预制安装端可以采用机械套筒连接模式（一端灌浆连接一端机械连接型套筒）。
        对于灌浆套筒材质，可以采用不锈钢或者铸铁，但由于球墨铸铁具备良好的物理、力学、机械加工性能，同时强度成本比优势非常明显，因此建议采用球墨铸铁。
        （2）高强无收缩水泥灌浆料。
        高强无收缩水泥灌浆料套筒连接中需使用的填充料，其物理力学指标是保证结构安全、可靠、耐久和可施工性的重要因素，特别是要求其强度高、收缩小、工作度好等，以进一步减少钢筋与高强砂浆的锚固长度，进一步缩短套筒的长度。
        为保证上述性能，根据目前世界上高强混凝土及高强砂浆材料的应用和发展，高强无收缩水泥灌浆料的组分可以水泥作为结合剂，辅以高强骨料及高性能外加剂，如石英粉、微硅粉、纳米硅、聚羧酸减水剂等，其控制的指标主要包括流动度、抗压强度、竖向自由膨胀率、氯离子含量、泌水率等指标。
        （3）高强灌浆料—套筒组合体系控制指标
        预制拼装桥墩的高强灌浆料 - 套筒组合体系需满足现行国家行业标准《钢筋机械连接技术规程》（JGJ 107—2016）中对连接套筒性能的要求，同时考虑到塑性铰区反复地震荷载下套筒内钢筋存在拔出的风险，这会导致立柱承载力和延性能力降低，因此提出断于母材，即组合体系的抗拉强度不小于被连接钢筋的实际拉断强度。其中，对于高强无收缩水泥灌浆料，在参考国外和国内房屋建筑预制拼装相应灌浆料技术指标的基础上，该研究进行了大量的基础试验，得出了适用于灌浆套筒的具体技术指标。
        同时对于套筒筒体而言，为保证钢筋、灌浆料及套筒体系可靠，根据试验得出：套筒内高强灌浆料与钢筋锚固长度不能小于 10ds（ds为被连接纵向钢筋直径）；套筒下端应设置压浆口，套筒上端应设置出浆口，安装时套筒方向应正确放置。
        （4）高强灌浆料—套筒组合体系配件
        为满足预制和拼装施工，灌浆连接套筒生产厂家应提供一整套配件，包括压浆管、出浆管、压浆后的止浆塞、厂内预制用的定位销等。其中压浆管、出浆管宜为非金属材料。
        灌浆金属波纹管连接构造
        灌浆金属波纹管连接构造的力学机理是通过高强无收缩水泥灌浆料填充在钢筋与金属波纹管间隙，硬化后形成对钢筋的锚固构造。
        为保证钢筋、波纹管与混凝土三者锚固可靠和耐久性，波纹管材质应为防腐性能较好的金属材质，形状应为圆形，因此建议金属波纹管采用圆形镀锌或者不锈钢波纹管。