鋼筋套筒灌漿連接技術在高鐵裝配式橋墩的應用研究

柳州歐維姆結構檢測技術有限公司，廣西 柳州 545005

0 引言

隨著國內交通基礎建設的快速發展，橋梁建設傳統的現澆工藝因其存在現場工作量大、所需勞動力多、施工周期長、環境影響大等問題，已不能滿足發展需求。為解決這些問題，國內外研究人員對全預制拼裝橋梁進行了大量研究，YEE 等在二十世紀六十年代發明了鋼筋套筒灌漿連接技術，為預制拼裝的主筋連接提供了方案，使得預制拼裝可以按等同現澆來進行設計［1］。

Haber 等對采用鋼筋套筒灌漿連接的預制墩柱的低周期反復加載試驗研究，結果表明與現澆橋墩相比，采用套筒灌漿連接的預制墩柱，其水平承載力、耗能、延性等都相近，但破壞形式差異較大，因套筒區域剛度較大，預制墩柱的破壞出現在套筒頂部［2］［3］。

王志強等研究了不同套筒埋設位置對橋墩抗震性能的影響，與現澆橋墩對比，預制拼裝橋墩根據套筒預埋位置不同，損傷形式和塑性鉸有所不同，但抗震性能總體接近，預制橋墩的損傷小于現澆橋墩，其剛度、延性、耗能、滯回曲線等各項性能參數與現澆橋墩大體相近，均可滿足中高烈度地震區域的抗震要求［4］［5］［6］。

葛繼平等針對軌道交通預制拼裝橋墩的受力特點，提出采用灌漿套筒加預應力筋連接的拼裝方案并進行了試驗研究，試驗結果表明，采用灌漿套筒加預應力筋連接的橋墩具有良好的使用性能和抗震性能，可作為軌道交通橋墩的預制拼裝方案［7］。

套筒灌漿連接已得到眾多研究人員對其性能的驗證，并已在國內數十座市政橋梁工程中得到應用，本文結合國內首個采用橋梁全預制拼裝技術的鐵路工程，對各種拼裝方式進行比較，并介紹了采用套筒灌漿連接的裝配式鐵路橋墩的施工工藝，為鐵路橋下部結構拼裝施工提供參考。

1 工程概況

京雄城際鐵路北起北京西站，途經北京大興國際機場、河北省固安縣、霸州市，終到雄安新區雄縣，新建線路全長92.4公里，設計時速350km，大部分為無砟軌道，地震動峰值加速度Ag ≤0.1g，地震力反應譜特征周期Tg ≤0.55s，抗震設防烈度為7 度。為研究裝配式橋墩在鐵路工程的施工技術及應用效果，項目選用京雄城際鐵路固霸特大橋中的一段（約1公里左右）進行裝配式工藝施工。預制墩柱高度在6～9m，兩側相接橋墩采用分離式、圓端形實體橋墩。橋墩由頂帽和框架墩柱組成，頂帽采用圓端形截面，頂面橫向寬度7.8m，縱向寬度3m，底面橫向寬度6.7m，縱向寬度2.2m，高度2.5m，采用流線型過渡；框架墩柱采用圓端形截面，縱向寬度2.2m，橫向寬度2.6m，橫向凈距1.5m。

2 橋墩拼裝方案比選

項目在以下幾種目前國內外常用的預制橋墩拼裝方式中進行了對比選擇：

2.1 鋼筋套筒灌漿連接

鋼筋套筒灌漿連接的特點是拼裝速度快，造價略高，對精度控制要求高，國內外已經大量應用，連接關鍵在于套筒灌漿料的拌制及灌漿。該方式一般用于蓋梁和墩柱、墩柱和承臺的連接，用于蓋梁拼裝時，灌漿套筒的預制端安裝在蓋梁鋼筋籠縱向主筋底部，蓋梁預制拆模后，底面露出灌漿套筒的拼裝孔；當用于墩柱與承臺的拼裝時，根據工程情況，可分為套筒預埋在墩柱內和埋在承臺內兩種情況，目前國內外工程基本都是采用預埋在墩柱內的安裝方式，該方式墩柱預制完成后，整個底面為一平面，便于預制廠的養護及存放，墩柱側面外露灌漿孔和出漿孔，便于灌漿，相較于套筒預埋于承臺內的安裝方式，更具有施工操作便利性；當工程所在區域烈度較高時，灌漿套筒更適于安裝在具有高剛度的承臺內，但該安裝方式，存在墩柱底部外露鋼筋，預制廠養護、存放不便的問題。

2.2 灌漿金屬波紋管連接

灌漿金屬波紋管連接一般用在蓋梁和墩柱、墩柱和承臺的連接，錨固長度不小于24 倍被連接鋼筋直徑。用于蓋梁拼裝時，金屬波紋管預埋在蓋梁內，拼裝時，通過墩柱頂面預留的鋼筋插入波紋管內，在蓋梁頂向金屬波紋管內倒滿套筒灌漿料進行連接；當用于墩柱與承臺的拼裝時，金屬波紋管埋設在承臺內，拼裝時，先向波紋管內灌滿套筒灌漿料，墩柱通過底部預留的鋼筋插入波紋管完成連接。灌漿金屬波紋管連接具有拼裝速度快，精度要求相對較低的特點，但因墩柱拼承臺需要在墩柱底部預留較長鋼筋，預制廠養護、存放不便，運輸吊裝也較困難，因此灌漿金屬波紋管連接一般用于蓋梁和墩柱的連接。

2.3 后張預應力筋連接

后張預應力筋連接是通過在蓋梁、墩柱、承臺內預留孔道，各構件間用環氧結構膠干接，拼裝完成后，用豎向預應力筋穿過孔道貫通連接。該方式特點是不需要進行鋼筋連接，無混凝土后澆帶，地震耗能能力較弱，震后自恢復性好，但墩柱造價相對較高，對預制的精度控制要求高，拼裝速度受預應力筋穿束及張拉的影響，比灌漿套筒和金屬波紋管連接慢，墩柱的安全性、耐久性依賴于預應力筋的可靠性。OVM 自鎖式預應力錨固體系相較一般豎向預應力錨固，其固定端錨具具有自鎖功能，預應力筋無需預埋，預應力穿束、張拉錨固方便可靠，灌漿方便，更適于預制橋墩的拼裝連接。

2.4 濕接縫連接

作為一種傳統的預制拼裝橋墩連接方式，濕接縫連接普遍應用在各跨海大橋工程，其是在拼裝構件端面預留一定長度及數量的鋼筋，與待拼接構件預留的鋼筋，通過焊接或各種機械連接的方式連接起來，再搭模板澆筑混凝土。該連接方式力學性能與現澆混凝土橋墩類似，缺點是后澆帶鋼筋連接工作量大，濕接縫澆筑混凝土后需要養護，還有可能出現收縮裂縫，拼裝所需時間較長，從橋梁的快速施工角度考慮，有所不足。

2.5 承插式連接

承插式連接一般是在承臺或蓋梁待拼接處預留孔洞，孔洞尺寸略大于預制墩柱尺寸，孔洞深度一般為墩柱截面尺寸的1.2～1.5 倍，將預制墩柱插入承臺或蓋梁的孔洞中，再灌入高強混凝土或高強無收縮灌漿料填充孔洞完成連接。該連接方式現場施工工藝較簡單，但現場墩柱需采取臨時措施固定，施工工期稍長，且接縫處的力學性能有待研究。

2.6 UHPC 連接

利用近年來出現的常溫養護型超高性能混凝土（UHPC）具有超高強、超早強、超高韌性及耐久性、自密實、免蒸養、對鋼筋握裹強度高的特點，在預制墩柱底部預留灌漿孔，UHPC 通過重力灌漿將墩柱與承臺預留鋼筋進行連接，施工工藝簡單快捷，但該連接方式出現時間短，各方面性能尚有待研究。

根據以上幾種拼裝方式各自優點及不足的對比，結合本項目地質情況及快速施工的需求，選擇采用鋼筋套筒灌漿連接作為拼裝方案。

3 橋墩拼裝施工工藝

裝配式橋墩由預制頂帽、預制墩柱采用鋼筋套筒灌漿連接技術拼裝，結構示意圖如圖1。

圖1 京雄城際鐵路裝配式橋墩拼裝示意圖

3.1 鋼筋套筒灌漿接頭

橋墩主筋連接所用的套筒及灌漿料為柳州歐維姆結構檢測技術有限公司生產的GTZQ4-32 灌漿套筒和TZH10.0 套筒灌漿料，灌漿套筒材質為高強度球墨鑄鐵，抗拉強度≥600 MPa，斷后伸長率≥ 5%，球化率≥ 85%，硬度180～250 HBW，鋼筋插入套筒深度為10 倍鋼筋直徑；套筒灌漿料的初始流動度≥330mm，夏季可工作時間超過一小時，使項目在夏季高溫環境仍有充足的灌漿操作時間；1d 強度≥50MPa，能在墩柱拼裝一天后進行頂帽拼裝，現場施工周期短，28d 抗壓強度≥100MPa，相較現行標準JG/T 408-2013 的套筒灌漿料，TZH10.0 套筒灌漿料的水膠比更低，強度更高，具有更高的安全系數，且更低的水膠比，也使漿體具有更高的抗凍、抗氯離子滲透性能，確保了連接接頭的耐久性。

現場用GTZQ4-32 灌漿套筒和TZH10.0 套筒灌漿料對直徑32mm 的HRB400 鋼筋進行鋼筋套筒灌漿連接接頭的制作，并測試接頭的力學性能。結果表明，接頭的抗拉強度達到鋼筋抗拉強度標準值的1.15 倍，屈服應力和極限應力與鋼筋母材相同，鋼筋套筒灌漿接頭連接性能良好，滿足設計要求。

3.2 拼裝工藝流程

其預制及拼裝施工的工藝流程為：

將灌漿套筒安裝在頂帽及墩柱的鋼筋籠內，澆筑混凝土完成頂帽及墩柱的預制→承臺拼接面處理→墩柱預拼裝→拌制并鋪設2cm 左右的墊層砂漿在承臺拼接面→吊裝墩柱，將承臺預留鋼筋插入墩柱灌漿套筒中→調整墩柱垂直度→24h 后拌制套筒灌漿料，對墩柱套筒灌漿→24h 后頂帽預拼裝→拌制并鋪設2cm 左右墊層砂漿在墩柱頂面→24h 后吊裝頂帽→24h 后拌制套筒灌漿料，對頂帽套筒灌漿，完成拼裝施工。

3.3 施工控制要點

（1）構件預制時，灌漿套筒與鋼筋籠按圖安裝，密封環與鋼筋、套筒的連接處如有縫隙，需涂抹膠黏劑密封，以防水泥漿從縫隙處滲入套筒內腔。

（2）構件拼裝前，各拼接面均需鑿毛、清洗干凈，拼接面需濕透，但拼裝前1 小時不得有積水，若拼接面干燥，將影響構件的粘結。

（3）灌漿施工前應使用現場施工用攪拌機進行墊層砂漿和套筒灌漿料的試拌，攪拌后，檢查攪拌倉內壁是否有干粉殘留，若有殘留，需在拌漿施工過程中，手動將邊壁干粉刮入漿液內，再繼續攪拌，以確保水灰比。試拌漿體成型的試塊與試驗室的一天、三天抗壓強度進行對比，無差別后方可確定使用該拌漿工藝。鋼筋套筒灌漿連接的關鍵在于套筒灌漿料的拌制與壓漿，該施工節點需特別重視。

圖2 京雄城際鐵路預制頂帽拼裝

（4）灌漿前，在套筒出漿口外接L 型PVC 管，可用于檢查灌漿效果，因套筒灌漿屬于隱蔽施工，無法觀察內部飽滿度，當外接L 型管口連續流出均勻漿液時，因L 型管口遠高于套筒內腔頂面，根據液面差可判斷內部飽滿，且在拔出灌漿管時，L型管內的漿體回流能補充拔灌漿管到堵住灌漿孔的時間內從套筒出漿口流出的漿體。

（5）墊層砂漿需達到30MPa 后方可拆除支撐，進行套筒灌漿；墩柱的套筒灌漿料需同條件養護達到35MPa 后方可進行頂帽的拼裝，若在強度達到前就產生擾動，可能會對灌漿接頭造成不可逆的損傷。

4 結語

鋼筋套筒灌漿連接技術作為橋梁下部結構預制拼裝的一種主要方式，已在上海地區的市政橋梁全面應用，其它地區也已開始推廣，但在高鐵工程中應用尚屬首次，本次在京雄城際鐵路成功應用，得到以下結論：

（1）經過各試驗研究及在本工程中應用，表明鋼筋套筒灌漿連接適用于抗震設防烈度7 度以下的鐵路橋墩的拼裝連接，相較傳統現澆橋墩施工工藝功效約提高三分之一，大幅縮短施工周期，減少環境污染，是一個高效、可靠、環保的方案。

（2）工廠標準化生產節省了墩柱和頂帽的現場搭模時間，預制場模板利用率高，生產效率高，質量可靠。