淺談城市橋梁預制裝配技術的幾種連接構造形式

姜海西

（上海公路投資建設發展有限公司，上海市 201108）

0 引言

近年來隨著我國經濟的發展，社會大背景也發生了巨大的變化，如勞動力工資不斷上漲、技術型勞動力儲備嚴重不足、社會公眾對改善環境和交通影響訴求日益高漲，橋梁預制裝配技術在國內得到大力發展。然而以往跨海大橋橋墩預制拼裝技術中，通常采用的是濕接頭模式，即樁基、承臺（預制）、預制立柱之間采用預留一定長度的鋼筋在現場焊接并后澆混凝土的工藝形式。這種模式現場工作量仍然較大，占用的時間較長，并不能符合城市橋梁建設的實際情況，因此必須研發適應交通繁忙的建成區的快速連接構造。

1 灌漿套筒連接構造

灌漿套筒連接構造的力學機理是通過高強無收縮水泥灌漿料填充在鋼筋與連接套筒間隙，硬化后形成接頭，將一根鋼筋中的力傳遞至另一根鋼筋的連接構造[1]（見圖1），其組合體系橫剖面如圖2所示。

圖1 灌漿套筒連接示意圖

圖2 灌漿套筒橫剖面圖

1.1 套筒構造

灌漿連接套筒的作用是將一根鋼筋的力傳遞至另一根鋼筋，需要承受相應的荷載，因此在套筒構造設計時需要保證一定的壁厚和齒狀構造。其橫斷面圖如圖3所示。

圖3 灌漿套筒橫斷面示意圖

從筒身構造來講，整體灌漿連接型套筒一端為工廠預制安裝端，另一端為現場拼裝端，套筒中間應設置鋼筋限位擋板。同時由于考慮到地震時的抱箍作用，應保證在壓漿口下緣布置一道箍筋，因此壓漿口下緣與端部凈距應大于20 mm。

常見的灌漿套筒為兩端均為灌漿連接（整體灌漿連接），如圖4所示。另外考慮到機械連接的可靠性，在工廠預制安裝端可以采用機械套筒連接模式（一端灌漿連接一端機械連接型套筒），如圖5所示。

圖5 一端灌漿連接一端機械連接套筒

對于灌漿套筒材質，可以采用不銹鋼或者鑄鐵，但由于球墨鑄鐵具備良好的物理、力學、機械加工性能，同時強度成本比優勢非常明顯，因此建議采用球墨鑄鐵。

1.2 高強無收縮水泥灌漿料

高強無收縮水泥灌漿料套筒連接中需使用的填充料，其物理力學指標是保證結構安全、可靠、耐久和可施工性的重要因素，特別是要求其強度高、收縮小、工作度好等，以進一步減少鋼筋與高強砂漿的錨固長度，進一步縮短套筒的長度。

為保證上述性能，根據目前世界上高強混凝土及高強砂漿材料的應用和發展，高強無收縮水泥灌漿料的組分可以水泥作為結合劑，輔以高強骨料及高性能外加劑，如石英粉、微硅粉、納米硅、聚羧酸減水劑等，其控制的指標主要包括流動度、抗壓強度、豎向自由膨脹率、氯離子含量、泌水率等指標。

1.3 高強灌漿料-套筒組合體系控制指標

預制拼裝橋墩的高強灌漿料-套筒組合體系需滿足現行國家行業標準《鋼筋機械連接技術規程》（JGJ 107—2016）中對連接套筒性能的要求，同時考慮到塑性鉸區反復地震荷載下套筒內鋼筋存在拔出的風險，這會導致立柱承載力和延性能力降低，因此提出斷于母材，即組合體系的抗拉強度不小于被連接鋼筋的實際拉斷強度。

其中，對于高強無收縮水泥灌漿料，在參考國外和國內房屋建筑預制拼裝相應灌漿料技術指標的基礎上，該研究進行了大量的基礎試驗，得出了適用于灌漿套筒的具體技術指標，見表1。

表1 高強無收縮水泥灌漿料技術指標

同時對于套筒筒體而言，為保證鋼筋、灌漿料及套筒體系可靠，根據試驗得出：套筒內高強灌漿料與鋼筋錨固長度不能小于10 ds（ds為被連接縱向鋼筋直徑）；套筒下端應設置壓漿口，套筒上端應設置出漿口，安裝時套筒方向應正確放置。

1.4 高強灌漿料-套筒組合體系配件

為滿足預制和拼裝施工，灌漿連接套筒生產廠家應提供一整套配件，包括壓漿管、出漿管、壓漿后的止漿塞、廠內預制用的定位銷等。其中壓漿管、出漿管宜為非金屬材料，如圖6所示。

圖6 連接套筒及其整套配件

2 灌漿金屬波紋管連接構造

灌漿金屬波紋管連接構造的力學機理是通過高強無收縮水泥灌漿料填充在鋼筋與金屬波紋管間隙，硬化后形成對鋼筋的錨固構造（見圖7），其組合體系橫剖面示意圖如圖8所示。

圖7 灌漿金屬波紋管連接示意圖

圖8 灌漿金屬波紋管組合體系橫剖面示意圖

為保證鋼筋、波紋管與混凝土三者錨固可靠和耐久性，波紋管材質應為防腐性能較好的金屬材質，形狀應為圓形，因此建議金屬波紋管采用圓形鍍鋅或者不銹鋼波紋管，如圖9所示。

圖9 金屬波紋管實物圖

我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）及《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01—2008）對受拉直筋錨固于強度大于C40的混凝土，建議錨固長度大于30ds，考慮抗震影響，建議增加10ds。美國AASHTO建議的錨固長度計算見下式：

考慮到預制立柱中金屬波紋管灌漿料強度可達100 MPa，因此波紋管中鋼筋的錨固長度可適當縮短。根據試驗研究，為確保灌漿金屬波紋管連接可靠，金屬波紋管應符合國家現行標準《預應力混凝土用金屬波紋管》（JG 225—2007）的相關規定，全長不應小于24ds，且不得拼接；內徑不宜小于ds+40 mm，內徑尺寸允許偏差為±0.5 mm；對于內徑不大于10 cm的波紋管，其鋼帶厚度（壁厚）應不小于0.45 mm，波紋管肋高應不小于3.10 mm。

同時為保證壓漿質量，壓漿順序應由下至上，并保證在壓漿口下緣布置一道箍筋，因此壓漿口下緣與端部凈距應大于20 mm。

金屬波紋管管內填充的灌漿料性能要求同表1中所制定的高強無收縮水泥灌漿料相關指標。

3 承插式連接構造

承插式（member socket）連接構造類似于建筑上采用的杯形基礎，主要應用于橋梁立柱與承臺的快速連接，可采用兩種方式：一是承臺澆筑時預留比立柱稍大的孔洞，待承臺澆筑完成后將立柱安放在孔洞內，并填充高強度混凝土；二是立柱臨時擱置在地坪上，待承臺鋼筋綁扎完成后一次性澆筑完成。其結構示意圖如圖10所示。

圖10 承插式連接構造示意圖

對于承臺預留孔洞的施工方式，立柱上需設置剪力鍵，剪力鍵的形式可以是波浪形的齒口（見圖11）；對于承臺鋼筋后綁扎的方式，可以在立柱柱身上預留鋼筋后穿所需的孔洞（見圖12）。

4 插槽式連接構造

插槽式（pocket）連接構造是在上一層橋梁構件中設置一個比下一層構件尺寸稍大的帶有剪力鍵的孔洞，可應用于樁基與承臺或立柱與蓋梁的連接，考慮到澆筑混凝土需設置模板，可在構件中放置大型波紋管，如圖13所示。

圖11 承插式立柱剪力鍵構造示意圖（一）

圖12 承插式立柱剪力鍵構造示意圖（二）

圖13 插槽式連接構造示意圖

5 結語

近年來，橋梁行業各機構對預制拼裝橋墩各種連接構造的力學行為進行了大量研究，已經不僅限于以上四種形式，包括對預應力筋連接方式預制拼裝橋墩抗震性能試驗和數值分析研究[2]、節段拼裝混凝土橋墩抗震性能數值分析研究[3]等。

目前，灌漿套筒連接構造、灌漿金屬連接波紋管、插槽式連接構造已經大規模應用于承臺與橋墩、橋墩與蓋梁及橋臺的連接中，功能上與傳統的現澆模式并無差異。