橋梁墩柱分節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)研究

1 研究背景

目前，隨著預(yù)制裝配技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)中的全面推廣，越來越多的新建工程開始推行全預(yù)制拼裝的建設(shè)理念。 這一過程中，大尺寸、大噸位預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、運輸、吊裝成為提高工程預(yù)制裝配率的一大技術(shù)瓶頸， 這其中上部結(jié)構(gòu)因為節(jié)段梁技術(shù)的發(fā)展已相對成熟， 但下部結(jié)構(gòu)， 尤其是針對一些超高立柱、超大蓋梁，如何輕量化、如何分段成為當(dāng)前研究的熱點和難點。 本文將主要探討超高立柱的分段預(yù)制拼裝技術(shù)。

2 研究的必要性

目前，超高立柱考慮采用分節(jié)預(yù)制拼裝的出發(fā)點主要有3個方面：

1）預(yù)制廠桁車允許吊裝高度（目前以13 m 左右常見）；

2）預(yù)制構(gòu)件的運輸控制質(zhì)量（各地因運輸條件和相關(guān)部門的管理規(guī)定有所差別，以200 t 左右常見）；

3）施工現(xiàn)場預(yù)制構(gòu)件翻轉(zhuǎn)、安裝空間（尤其在復(fù)雜立交改擴建中，因吊裝空間狹窄，往往限制了單個構(gòu)件的尺寸）。

為此，基于以上約束條件，為了提高橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配率，提高施工質(zhì)量和效率，有必要開展超高立柱的分段預(yù)制拼裝技術(shù)研究。 本文將通過梳理對比目前國內(nèi)外已采用的幾類立柱分節(jié)預(yù)制拼裝連接方式，結(jié)合相關(guān)對比試驗研究，重點研究分析現(xiàn)澆立柱和不同連接方式下分段預(yù)制拼裝立柱的受力性能差異。

3 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

立柱分節(jié)預(yù)制拼裝的關(guān)鍵在于節(jié)段間的連接方式， 連接的可靠性決定了結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。 目前，國內(nèi)外在預(yù)制立柱拼裝中主要采用以下幾種連接方式。

3.1 灌漿套筒連接

20 世紀60 年代，美國人Alfred A.Yee[1]發(fā)明了鋼筋套筒灌漿連接，很好地解決了裝配式結(jié)構(gòu)中的縱向鋼筋連接問題，可有效實現(xiàn)“裝配等同現(xiàn)澆”的設(shè)計要求[2]。兩段鋼筋依靠灌漿料的黏結(jié)作用實現(xiàn)連接錨固，當(dāng)鋼筋受拉時，拉力通過鋼筋和灌漿料結(jié)合面的黏結(jié)作用傳遞給灌漿料， 灌漿料再通過其與套筒內(nèi)壁結(jié)合面的黏結(jié)作用傳遞給套筒。

3.2 預(yù)應(yīng)力連接

1997 年，Mander 和Cheng 針對采用干接縫的預(yù)應(yīng)力橋墩抗震性能進行了試驗研究[3]。 試驗結(jié)果表明：側(cè)向承載力和抗剪能力主要由重力和預(yù)應(yīng)力筋中的預(yù)應(yīng)力決定， 搖擺墩柱試驗后無損傷，殘余位移為零，具有明顯的自復(fù)位能力。

3.3 機械套筒連接

我國在20 世紀80 年代后期引進了國外的先進技術(shù)，結(jié)合我國的實際情況，先后開發(fā)了多種機械連接技術(shù)，并不斷創(chuàng)新改善，開發(fā)的常見類型有墩粗套筒、直螺紋套筒等。 雖然這種基于鋼筋連接的預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)具有顯著的優(yōu)點， 但在破壞形式方面， 機械套筒的破壞形式有鋼筋母材頸縮產(chǎn)生的拉斷，鋼筋螺紋處截面削弱造成的脆斷，或者鋼筋端部墩粗造成的變截面處的脆斷。

基于以上技術(shù)現(xiàn)狀，本文通過試驗分析，對比3 種不同連接方式及其組合方式下預(yù)制拼裝立柱與現(xiàn)澆立柱的力學(xué)性能，為設(shè)計和應(yīng)用提供理論支撐。

4 分節(jié)立柱不同連接方式試驗分析研究

4.1 試件設(shè)計

原型立柱截面尺寸是2.5 m×1.7 m，截面配84 根φ28 mm鋼筋，配筋率1.23%。

按照相似比1∶3 縮尺后的試件截面尺寸是0.83 m×0.56 m，截面面積為0.416 5 m2。 縮尺過程根據(jù)主要抗震指標進行，以首次屈服為控制指標，試驗?zāi)Ｐ偷膹澗睾妥愠吣Ｐ偷氖状吻笜俗畲笳`差2%，極限彎矩最大誤差8%，可以滿足近似縮尺要求。 縮尺試件截面配20 根φ20 mm 鋼筋， 采用HRB400 熱軋帶肋鋼筋，配筋率1.32%。拉筋都采用直徑8 mm的熱軋光圓鋼筋，配箍率1.94%。原型墩高12 m，縮尺后為4 m。試件所用混凝土的強度等級均為C40。

4.2 不同連接方式組合

試驗研究的6 個獨柱墩試件包括了前文中提到的灌漿套筒連接、預(yù)應(yīng)力筋連接、機械連接等不同類型連接構(gòu)造及其組合，如表1 所示。 試件配筋設(shè)計如表2 所示。

表1 不同連接方式組合

表2 試件的主要配筋指標

4.3 試驗測試與分析內(nèi)容

試驗通過觀測預(yù)應(yīng)力筋、普通鋼筋和混凝土的變化規(guī)律、塑性鉸區(qū)的變形、塑性鉸的長度、預(yù)應(yīng)力筋錨固情況以及拼裝接縫處的非線性力學(xué)行為等， 以分析各種構(gòu)造類型橋墩的破壞現(xiàn)象及機理、滯回特性、耗能機理和延性等。 主要對以下力學(xué)反應(yīng)進行觀測：

1）觀察試件破壞現(xiàn)象，如裂縫出現(xiàn)、開展及分布情況；

2）測量試件頂部、中部、墩身底部區(qū)域和接縫處的相對位移（采用位移計）；

3）測量墩柱塑性區(qū)域曲率；

4）測量墩柱塑性區(qū)域縱筋、箍筋、混凝土應(yīng)變；

5）測量預(yù)應(yīng)力筋的拉、壓應(yīng)變及預(yù)壓力變化規(guī)律；

6）觀察預(yù)制拼裝試件接縫處的相對位移。

實測項目主要有4 項：塑性鉸區(qū)域的曲率分布、塑性鉸區(qū)域的鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變、 墩身關(guān)鍵位置位移及水平荷載和豎向壓力等。

4.4 試驗結(jié)果分析及結(jié)論

通過采用擬靜力試驗方法對6 種不同類型橋墩（其中4 種為節(jié)段拼裝橋墩）的抗震性能進行了分析，討論了每種橋墩的各種擬靜力評價指標結(jié)果，同時對各種橋墩進行了比較分析。其中，按照基于構(gòu)件層次的性能水平（五水準損傷水平：開裂、屈服、塑性鉸開始形成、塑性鉸完全形成、強度退化）來評價，6個試件的試驗結(jié)果如圖1 所示。

圖1 各個試件的五水準損傷水平

通過對比分析，可以得出以下結(jié)論。

1）無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力可以大幅提高試件的開裂荷載，提高了試件在運營階段的使用性能。

2）比較有預(yù)應(yīng)力的灌漿套筒S2 和S3，兩者的抗震性能非常接近。兩種節(jié)段拼裝橋墩都顯示了較好的自復(fù)位性能。經(jīng)過精心設(shè)計，預(yù)應(yīng)力在整個受力過程中不會進入屈服階段。

3）通過比較整體現(xiàn)澆橋墩S1 和全預(yù)應(yīng)力預(yù)制拼裝橋墩S4發(fā)現(xiàn)，有黏結(jié)全預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝橋墩的特性是優(yōu)良的自復(fù)位能力和極小的殘余變形，具有良好的震后使用功能，但是耗能較差。

4）比較剪切試件S5 和S1，灌漿套筒的存在，對提高構(gòu)件的抗剪能力是非常有利的，剪切試件具有很高的抗剪能力。

5）無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋和灌漿套筒拼接的橋墩試件具有正常使用性能和抗震性能最佳，施工實踐經(jīng)驗豐富的優(yōu)點，具有對工人的技術(shù)水平要求高，造價高，施工難度增大等不足，可作為分階段預(yù)制拼裝立柱的推薦方案。

5 結(jié)語