中小跨徑橋梁裝配式模塊化墩柱設計研究

陳玉宏 王博

摘要：中小跨徑橋梁全裝配化有利于節約資源能源、減少施工污染、提升勞動生產效率以及質量安全水平，成為我國橋梁建造模式的主流趨勢。G3京臺高速方興大道至馬堰改擴建項目建設中，以模塊化理念開發了一種新型裝配式墩柱，提高了墩柱標準化程度，降低墩柱的制造與安裝難度，文章對模塊化墩柱的概念設計方法、技術要點等方法進行研究，為此類結構的裝配化設計提供參考。

關鍵詞：橋梁工程;下部結構;裝配式;預制墩柱;概念設計;結構設計

中圖分類號：U442.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0065-03

引言

在橋梁工程高速發展的時代，如何縮短施工周期、減少施工對既有交通的影響、控制現場施工質量及減少環境等因素對施工進度的影響成為主要面臨的難題。橋梁裝配式模塊是解決問題的有效手段，具有降低對交通的干擾、提高施工質量、縮短工程工期、綠色環保等優點。

裝配式墩柱應用探索開始的時間較早，1975年建造的蘭西大橋，使用砌塊式拼裝墩臺，節約了近四分之一的材料，同時加快了橋梁的建設速度。砌塊式墩臺的合理設計能夠具有一定自鎖功能，塊體內的鋼筋可以增強結構的抗震性及延性。接縫方面，Kvle P.Steuck等人研究了大直徑錨固鋼筋灌漿孔連接的相關性能，分析了結構的受力性能以及破壞模式。淮河特大引橋下部結構采用預制圓心空心截面墩，馬會天對該橋進行研究分析得出，通過設置定位墩實現預制墩柱準確定位，通過預制墩柱底側的剪力紋，加強了墩柱與承臺的整體連接，提高了墩柱的抗震能力。林信武指出，裝配式橋墩抗震性能的關鍵是連接處的易損性。灌漿套筒連接具有良好的延性破壞性態，并且可以保證施工精準度，材料強度是鋼筋的1.5倍，可以轉移連接的薄弱環節，在地震作用下提供良好的抗彎抗剪能力，但是弊端同樣明顯，抗延性有限，不適用于高地震帶橋墩建造。從應用現狀來看，預制橋墩一般針對某工程進行設計，構型與尺寸并不統一，不利于大規模建造推廣。

為提高標準化程度，G3京臺高速方興大道至馬堰改擴建項目建設中，以模塊化概念開展新型裝配式墩柱的設計。該墩柱體系可通過更換蓋梁模塊適應不同上部結構，增設橫梁模塊適應不同墩高尺寸，契合橋梁工程的工業化建造趨勢。本文對其概念設計以及性能分析方法進行研究，為此類結構型式的推廣提供助力，為裝配式墩柱的進一步發展提供借鑒。

1工程概況

本項目依托G3京臺高速方興大道至馬堰改擴建項目，該工程項目起點順接京臺高速公路方興大道互通立交，起點樁號為K1049+748，向南經嚴店、豐樂、杭埠、金牛、萬山至廬江，終點位于京臺高速與合安高速公路交叉的馬堰互通立交，終點樁為號K1102+872，全程53.124公里。

本工程橋梁以中小跨徑為主，由于為改擴建項目，應盡量減少對現狀道路的擾動，因此對建造效率要求較高。經研究采用全預制拼裝橋梁體系，上部結構采用了較為成熟的T梁、小箱梁以及雙工字鋼板組合梁，下部結構則開發一種便利拼裝的模塊化橋墩，該橋墩主體為PHC管樁，管端設置法蘭連接，并輔以預制蓋梁或者承臺等結構。

2概念設計

2.1構件的受力與拆分

樁柱式橋墩由整體式蓋梁、多墩柱體系、整體式承臺以及多樁基體系組成。

蓋梁的主要功能為傳力構件，其上布置支座可承擔主梁上部結構的自重以及各類活載效應;墩柱為主要受力構件，起到傳遞豎向荷載的作用;承臺作為橫向聯系，起到提高橋墩體系橫向剛度的作用;樁基為基層支撐構件，由土壤的摩擦力以及端部的支承力提供相應的支承力。

由于各構件的形狀差異較大，墩柱的裝配化習慣上將各構件單獨拆解開，采用預埋套筒的方式進行連接，構件拆解如圖1所示。

構件拆解已經基本上完成了預制部件的劃分，然而部分寬幅蓋梁、超高墩的預制、運輸與安裝并不便利，在此基礎上需要對構件本身進行切分，對于橫向構件橫向分塊，對于豎向構件豎向分節;分塊或者分節接縫的設置則遵循受力最小原則，例如蓋梁、承臺在受彎相對較小的位置進行分塊，見圖2。本項目側重于對蓋梁、墩柱以及承臺設計結構的研究。

2.2 T型及方型模塊化橋墩概念設計

T型模塊化橋墩是一種通過提高墩柱本身強度，并采用鋼橫梁進行橫向連接以滿足橫向受力需求，這樣可以將蓋粱以及承臺中間的聯系節段予以取消.進一步提高裝配化施工的效率，減少預制種類與數量，見圖3所示。

對于布置雙主梁的橋梁，對蓋梁的需求并沒有那么顯著，此時可以將蓋梁的橫向尺寸進行削減，得到的方型模塊化橋墩構造，如圖4所示。

作為基本結構的管樁、承臺以及墩柱僅保持兩三種型號即可，對于不同的上部結構可以采用不同的蓋梁模塊，對于不同高度的墩柱，則可以增設鋼構件橫梁加強聯系。該新型體系具有非常高的標準化程度，無需根據具體工程更改構型或尺寸設計，在中小跨徑橋梁中具有廣泛的應用空間。

3構造設計

3.1墩柱設計

采用預制橋墩構造時，一方面需要增加墩柱的強度，另一方面需要減輕墩柱的質量，以提高裝配化，本研究提出采用高強混凝土大直徑空心墩柱的構造型式。

墩柱設計以PHC管樁為原型，選用管樁型號，材料為C70高強混凝土，標準段長度為8m。墩柱構件之間采用法蘭盤連接，可以顯著提高裝配效率，同時具有可檢、可修，便于更換的優勢。

法蘭由兩塊鋼板組成，鋼板之間采用沿徑向布置的加勁肋板焊接進行連接，一塊鋼板與混凝土之間進行連接，另外一塊鋼板則預留螺栓孔，負責與其它墩柱預留鋼板以高強螺栓型式連接，墩柱連接與法蘭構造見圖5所示。

3.2蓋梁設計

蓋梁起到支撐主梁以及傳遞荷載的作用，可盡量減少材料的用量，按照對稱型式進行設計。對于懸挑的裝配式蓋梁，其符合懸臂梁的受力特征，雙邊受力較小，中間受力較大，可采用傳統的削角處理，以進一步減輕結構自重，節約材料用量。對于支承單片梁的蓋梁來說，主要負責傳遞荷載的作用，需要滿足支座布置以及局部承壓的要求。通過綜合支座的布置需求，受力要求，確定了T型蓋梁與方形蓋梁型式，T型蓋梁接縫處預留孔見圖6所示。

3.3墩柱連接設計

承臺接縫采用了插槽式現澆混凝土接縫連接型式，在承臺內預留1m深的槽口，并在墩柱表面刻槽口，以提高墩柱與承臺的整體性。槽口采用梯形槽口，頂口大、底口小，且為了盡可能增加與預制管樁連接強度，在圓心處60cm高的榫頭，承臺連接見圖7所示。

施工時，只需要在底面找平后，將管樁安裝到位，然后采用C50混凝土灌注槽口，充分振搗養護后，完成接縫的施工。

3.4橫向連接設計

模塊化橋墩使用鋼橫梁的橫向連接方式增強了墩柱的自身強度，以滿足抗震和穩定性的要求，同時該構造方式非常簡潔，不需要對墩柱進行更改，提高了墩柱體系的標準化程度。

4結束語

提出了模塊化橋墩的概念，并完成了相應的原型設計，通過提高墩柱強度、刪去蓋梁及承臺的橫向聯系，實現更高程度的標準化。該墩柱型式在背景工程中取得了成功應用，可以為同類型工程提供參考借鑒。