預制拼裝橋墩連接構造選擇的綜合評定方法

卓為頂 劉 釗

（1.南京工程學院建筑工程學院，南京211167；2.東南大學土木工程學院，南京211189）

0 引 言

21 世紀以來，以節段預制拼裝為代表的橋梁工業化技術已得到廣泛青睞與研究推廣，除了上部結構以外，下部結構的預制拼裝，同樣可以加快橋梁的現場施工速度，保證工程質量，減輕對橋位環境影響和交通干擾［1-2］。

連接構造是預制拼裝橋墩的關鍵部位，迄今為止，國內外學者已研發了多種多樣的預制拼裝橋墩接頭形式，諸如灌漿套筒連接、灌漿口連接、承插式連接、濕接縫連接、管漿管道連接、后張預應力連接以及混合連接等形式［3］。

然而，在特定的橋梁工程中，對于連接構造形式的選擇，還缺乏系統的評價方法，給設計帶來很大的困惑。為此，本文研究歸納了影響預制拼裝橋墩連接構造的主要因素，提出一種實用的綜合評價方法，結合實橋設計給出應用示例。

1 評價因素的定義和分值

在具體工程中如何結合橋位特點、環境、場地等條件，對預制拼裝橋墩連接構造形式進行選擇，是工程界十分關心的問題。本文提出的綜合評價方法是一個框架性方法，參考了國外文獻［4］，主要考慮技術成熟度、現場拼裝工效、施工成本、施工質量可控性、耐久性和抗震性能等因素，其評分項由上述多種因素及權重系數構成。這種評價方法必然存在很大的主觀性，但無論如何提供了一種評價選擇。

1.1 技術成熟度

技術成熟度（Technology Readiness，縮寫Tr），是指技術研發和應用的成熟程度，可以分為9 級，其定義及評分見表1。當一種連接構造同時達到表1 中的各分項，則以最高級別的分值計入，不累加計分。

考慮到技術成熟度在不同區域存在差異，比如，某種連接方式在美國已有抗震設計指南，而在使用區域暫時還沒有規范，可以把本項分值計入80%。

表1 預制拼裝橋墩連接構造的技術成熟度定義及評分Table 1 Definition and score of technology readiness of precast pier connection detail

1.2 現場拼裝工效

預制拼裝橋墩的現場拼裝工效（Effectiveness，縮寫Ef），主要是指橋墩預制節段在橋位現場的拼裝速度，關系到現場施工對交通及環境的干擾程度。現場拼裝工效的描述，見表2，它是一種簡單的衡量標準，實際上節省的時間取決于整個橋梁結構系統，因此評估必然是主觀的和近似的。

表2 連接構造的現場拼裝工效及評分Table 2 Site assembly efficiency and score of connection detail

1.3 施工成本

預制拼裝橋墩的施工成本項（Cost，縮寫Co），以現澆橋墩作為基本“參照項”。在預制拼裝橋墩中，需要使用一些專用連接件或材料，如灌漿套筒、灌漿波紋管、預應力材料、高強灌漿料等，還有大噸位吊裝設備及可能存在的吊裝場地加固，這些費用應計入施工成本；但是，在人口密集的居住區，若需對現澆施工采取降低環境污染、噪聲污染等措施會增加施工成本，而預制拼裝墩一般不考慮此項成本支出。與現澆橋墩相比，增加成本的扣分，減少成本的加分，具體評價標準見表3。

表3 連接構造的施工成本及評分Table 3 Construction cost and score of connection detail

1.4 施工質量可控性

施工質量（Quality，縮寫Qu），是影響工程壽命的主要因素之一。施工質量的可控性影響到工程的驗收，也是制約預制拼裝橋墩設計的因素之一。本項分為5 個等級進行評分，具體評定標準、描述及得分，見表4。

表4 施工質量可控性及評分Table 4 Construction quality controllability and score of connection detail

1.5 耐久性

耐久性（Durability，縮寫Du），是指在正常使用和維護條件下，橋墩隨時間的延續仍能滿足既定功能的能力，通俗地講也就是使用周期。評分標準，主要是與現澆橋墩進行同條件比較，見表5，主要考慮：①連接形式是否為其結構部件提供了足夠的保護；②是否避免污染物進入結構部件；③連接的耐久性是否受施工質量的影響；④在常規橋梁檢查中發現結構退化有多容易。

1.6 抗震性能

橋墩的抗震性能（Seismic performance，縮寫Sp），包括橋墩的側向推力、延性、滯回耗能及自恢復性等［5-6］，在中高烈度地震區尤為得到關注，橋墩的抗震性能及評分見表6。

表5 預制拼裝橋墩的耐久性及評分Table 5 Durability and score of precast pier connection detail

表6 預制拼裝橋墩的抗震性能及評分Table 6 Seismic performance and score of precast pier connection detail

2 綜合評分

2.1 基本公式

以技術成熟度作為基本項，同時，將上述另外5 項評價因素乘以各自的權重系數進行累加，給出綜合評分指標：

式中：Tr為技術成熟度；Ef為現場拼裝工效；Co為施工成本；Qu 為施工質量可控性；Du 為耐久性；Sp為抗震性能；αi分別為上述各項的權重系數。

2.2 權重選擇

為減小式（1）中權重系數取值的隨意性，以1為其均值，增加約束條件如下：

表7 給出對αi取值的考慮要點，當認為某項不重要以至于可以忽略時，權重系數可取0；當認為某項極其重要時，權重系數可取2.0；其他情況介于兩者之間。

表7 權重系數選擇的考慮因素Table 7 Weight coefficient selection related to the factors considered

3 應用舉例

江蘇省某公路干線界河特大橋，橋位處為平原地帶。汽車荷載為公路-Ⅰ級，抗震設防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.1 g。第11聯41#-46#橋墩采用預制拼裝構造，上部結構跨徑布置為5×30 m 預應力混凝土小箱梁，橋型布置見圖1（a）。雙柱墩間距為9.75 m，墩高6.52～7.67 m，墩柱直徑為1.60 m，蓋梁采用小懸臂設計，見圖1（b）。

本橋41#-46#橋墩擬采用預制拼裝橋墩建造技術，需進行預制拼裝橋墩連接構造的選擇。設計過程中，可能采用的連接方式有4 種：灌漿套筒連接、承插式連接、灌漿管道連接、灌漿套筒+芯榫組合連接。

3.1 采用灌漿套筒連接構造的評估

灌漿套筒連接構造已在華東地區較多采用，如上海S6 公路高架橋工程上應用，并有該連接構造的地方標準，技術成熟度Tr=+7 分；可以節約現場工期30%以上，現場拼裝工效Ef=+2分；增加橋墩的施工成本10%～20%，施工成本Co=-1 分；滿足施工質量驗收標準的可能性大，施工質量可控性Qu=0分；接縫面密封性好、無滲水風險，耐久性Du=+1分；“側向推力、延性、滯回耗能、自恢復性”這4 項指標中有2 項優于現澆墩，抗震性能Sp=+1分。

3.2 采用承插式連接構造的評估

承插式連接構造，在上海嘉閔高架北二段1座匝道橋上應用，該技術沒有出現在地方標準中，采用該連接構造的橋墩已有擬靜力試驗，技術成熟度Tr= +6 分；可以節約現場工期30%以上，現場拼裝工效Ef=+1 分；基本不增加橋墩的施工成本，施工成本Co=0 分；連接滿足質量標準的可能性較大，施工質量可控性Qu=+1 分；節點區的整體性好，不需要多余的維護，耐久性Du=+2 分；“側向推力、延性、滯回耗能、自恢復性”這4 項指標與現澆墩相同，抗震性能Sp=0分。

3.3 采用灌漿波紋管連接

灌漿波紋管連接構造［7］，在上海嘉閔高架北二段1 座匝道橋上應用，并已有該連接構造的地方標準，技術成熟度Tr=+7 分；可以節約現場工期10%～30%，現場拼裝工效Ef=+1分；增加橋墩的施工成本10%～20%，施工成本Co=-1 分；連接滿足質量標準的可能性較大，施工質量可控性Qu=+1分；接縫面密封性好、無滲水風險，耐久性Du=+1分；“側向推力、延性、滯回耗能、自恢復性”這4項指標中有2項優于現澆墩，抗震性能Sp=+1分。

圖1 某實橋的預制拼裝橋墩設計（單位：cm）Fig.1 Precast pier design of a practical bridge（Unit：cm）

3.4 采用“灌漿套筒+芯榫連接”構造的評估

灌漿套筒連接構造，在上海嘉閔高架北段二期工程上應用，并已有該連接構造的地方標準，但芯榫連接作為新型的連接構造［8］，僅有擬靜力試驗研究，技術成熟度Tr=+6.5 分；可以節約現場工期30%以上，現場拼裝工效Ef=+2分；增加橋墩的施工成本10%-20%，施工成本Co=-1 分；連接滿足質量標準的可能性較大，施工質量可控性Qu=0分；接縫面密封性好、無滲水風險，耐久性Du=+1分；“側向推力、延性、滯回耗能、自恢復性”這4項指標中有3項優于現澆墩，抗震性能Sp=+2分。

3.5 通過綜合評分進行設計比選

各項權重系數的選擇，見表8。

根據權重系數對4 種預制拼裝橋墩連接方式進行了評分，評分匯總表見表9。

表8 某實橋設計預制拼裝橋墩評價因素的權重系數Table 8 Weight coefficient of evaluation factors of precast pier design for a practical bridge

表9 四種預制拼裝橋墩連接方式的評分匯總Table 9 The score summary for four kinds of precast pier connection details

從表9 可以看出，該橋預制拼裝橋墩連接方式的設計方案比選，推薦的次序分別為灌漿套筒+芯榫組合連接、灌漿管道連接、灌漿套筒連接、承插式連接。該橋預制拼裝橋墩的連接構造，墩柱與承臺之間采用灌漿套筒+芯榫組合連接，墩柱與蓋梁之間采用灌漿管道連接。

4 結 語

（1）預制拼裝橋墩連接構造的合理選擇，始終困擾著設計人員。本文提出一種較為實用的綜合評價方法，盡管在分項評分中存在著一定的主觀性和經驗性，但無論如何為選擇決策提供了一種評價框架和思路。

（2）本文提出的多因素綜合評價方法，考慮了技術成熟度、現場拼裝工效、施工成本、施工質量可控性、耐久性和抗震性能等6 個評價指標。其中，技術成熟度為基本考慮項，分級為1～9；其余6個指標，分級為-2～+2。

（3）在綜合評價指標中，對應于各個評價項，引入權重系數，考慮到建設方或設計人員的選擇偏好，允許根據經驗進行選擇。

（4）結合某實橋預制拼裝橋墩設計，以4種典型預制拼裝橋墩的連接方式為例，示例了應用方法，給出了設計推薦的次序。