灌漿套筒預制拼裝橋墩施工質量監督研究*

劉四德,甘 露,干繼紅,鄧朝友,陳天龍,葛繼平

(1.中鐵二十二局集團第三工程有限公司,福建 廈門 361000; 2.上海市城市建設設計研究總院,上海 200125; 3.紹興市建設工程質量安全管理中心,浙江 紹興 312000;4.上海應用技術大學城市建設與安全工程學院,上海 200235)

0 引言

灌漿套筒預制拼裝技術在建筑行業已經成功應用了約60年,在市政橋墩的大規模應用也約有10年歷史。關于灌漿套筒預制拼裝技術,國家專門制定了灌漿套筒、灌漿料和壓漿施工工藝的國家標準,鼓勵其在各行業中應用。紹興智慧快速路是紹興市重點工程,為保證工程建設質量,提升現場施工文明形象,采用了新型灌漿套筒預制拼裝橋墩建造工藝。該技術屬于漿錨連接方法,在高強度球磨鑄鐵灌漿套筒中,壓入高強度(抗壓強度≥100MPa)無收縮灌漿料,實現鋼筋連接。大量套筒拉伸件縮尺模型試驗證明,灌漿套筒技術很好地解決了裝配式結構中縱向鋼筋連接問題,可有效實現“裝配等同現澆”的設計要求。目前已提出了多種檢測方法,各有其優點和適用范圍,是保證施工質量的有效手段。在這些方法中,有的只能測試灌漿飽滿度而不能測試水灰比,如圖像法、芯片法、振弦法等,有的可測試強度但需要預埋,如拉拔鋼絲法。除了發展有效檢測方法外,加強從施工源頭上對工程質量進行監督和改進是最根本的手段。建筑工人對裝配式建筑施工要點容易產生理解偏差,達不到設計要求的理想狀態,也給質量監督工作帶來了挑戰。因此,需要加強研究和持續改進。

秦珩等[1]以房建中的剪力墻和柱施工過程為對象,通過對該連接施工工藝和材料特點的分析,闡明了影響連接質量的關鍵因素,針對接頭性能、定位精度、灌漿部位密封和構件保護措施等提出了一套技術措施。高潤東等[2]提到了2種適用的鋼筋套筒灌漿飽滿度檢測方法,包括預埋鋼絲拉拔法和預埋傳感器法。2種方法均能起到檢測飽滿度的效果,但前者不利于不飽滿鋼筋套筒的返工整改,后者則成本較高,難以普及。張樂[3]對施工面準備、灌漿料制備與測定、灌漿控制與量測記錄進行分析,重點介紹了灌漿料用量估算法的實用性。王智[4]認為裝配式建筑剪力墻和結構柱采用套筒灌漿連接技術雖已成為較成熟的施工工法,但在工程實踐中存在連通腔爆倉漏漿、出漿孔不出漿、套筒內漿體回流、灌漿料強度不足等質量問題,分析其原因并提出了針對性的應對和補救措施。黃又萍[5]提出一種運用圖像識別技術在灌漿施工過程中對工人的操作進行監管以實現對灌漿質量控制的方法,通過對現場套筒灌漿施工錄制的視頻進行處理,基于3D殘差網絡對關鍵控制工序的標志性動作進行網絡訓練,并將訓練結果與監管預警模型結合進行實例應用。張向禮等[6]從決定套筒灌漿質量的灌漿料密實度、錨固長度、鋼筋偏位等方面出發,提出套筒灌漿施工技術質量控制要點。孫振杰[7]結合濟陽路快速改建工程,對套筒灌漿式預制拼裝橋墩質量問題及控制措施進行分析,并提出改進方案。

由以上研究可知,已有預制拼裝橋墩施工質量監控主要是從施工和檢測角度提出的注意事項,對提高灌漿套筒施工質量起到積極意義。本文主要從力學要求角度對灌漿套筒預制拼裝橋墩的施工監督提出改進措施和建議,通過試驗現象對保障技術措施的重要作用進行分析,從根本上保證預制拼裝橋墩施工質量。

1 灌漿套筒拉伸件破壞模式

現澆橋墩鋼筋破壞模式只有1種,即鋼筋拉斷;預制橋墩套筒拉伸件破壞模式有3種:鋼筋拉斷、鋼筋拔出和套筒拉斷,如圖1所示。理想的情況為鋼筋拔出和套筒拉斷承載力必須不小于鋼筋拉斷,連接件破壞必須在連接件以外,套筒連接件承載力由連接鋼筋決定,如圖2所示。若能實現這種理想狀態,則套筒拉伸件承載力與鋼筋等同,如圖3所示。但在材料或施工環節質量控制不到位,可能出現鋼筋拔出和套筒拉斷情況。

圖1 套筒拉伸件與現澆橋墩鋼筋破壞模式對比

圖2 合格套筒連接承載力關系

圖3 現澆橋墩與鋼筋承載力關系

1.1 套筒抗拔試驗

為驗證套筒連接性能和對壓漿工人培訓考核,在現場進行1批套筒拉伸件抗拔試驗。套筒拉伸件在現場制作,澆筑在混凝土承臺中。采用錨桿抗拔儀對套筒拉伸件進行拔出試驗。對普通鋼筋和套筒拉伸件進行全過程破壞試驗(見圖4),可以看出,鋼筋最終破壞為鋼筋拉斷,而套筒拉伸件試驗最終破壞模式為套筒鋼筋拔出。套筒拉伸件試驗全過程曲線如圖5所示,可以看出套筒拉伸件最大應力能達到規范要求的621MPa。鋼筋錨固長度與鋼筋應力關系如圖6所示,隨著鋼筋錨固長度增加,鋼筋應力發揮越來越大,當鋼筋錨固長度達9d時,滿足規范要求。錨固長度達10d時,具有較高的保證率可以達到規范要求。

圖4 套筒拉伸件抗拔試驗

圖5 套筒拉伸件試驗全過程曲線

圖6 鋼筋錨固長度與鋼筋應力關系

從破壞模式來看,第1批試件在錨固長度為10d情況下,套筒拉伸件在單調加載下最終破壞模式為鋼筋拔出破壞,雖然強度滿足要求但不是理想破壞模式。事后查詢原因為:①試件壓漿時剛好下雨,工人未嚴格按水灰比配制漿料且混入雨水使水灰比增大,最終導致灌漿料強度下降;②實際橋墩自下而上豎向壓漿,而本批次套筒平放在地面進行壓漿,有可能出現灌漿不飽滿現象。此次對壓漿培訓工人壓漿后隨機測試的拉伸件表明:灌漿料嚴格按水灰比自下而上飽滿壓漿是最重要的施工工藝,需要有高度責任心的持證上崗人員才能保證拼裝橋墩施工質量。

1.2 套筒循環加載試驗

為模擬循環荷載下,套筒拉伸件性能,制作了第2批共10個鋼筋灌漿套筒循環加載連接件,試件分為2組,分別命名為A,B組,A組為高應力反復拉壓至破壞試件,含有8個灌漿套筒試件;B組為大變形拉壓至破壞試件,含有2個灌漿套筒連接件且鋼筋不車絲,采用錨具連接。10個套筒連接件共發生了3種破壞現象,分別為鋼筋拔出破壞、鋼筋拉斷破壞、套筒中部斷裂3種現象,如圖7所示。試驗結果如表1所示(Fbvk為鋼筋屈服強度標準值),可以看出,試件抗拉強度與連接鋼筋抗拉強度標準值比值Fu/Fbuk均≥1.10或接頭斷于鋼筋,滿足JGJ 107—2010《鋼筋機械連接技術規程》中Ⅰ級接頭強度要求及ACI 318—2011《結構混凝土建筑規范要求》規定的type2類接頭強度要求。

表1 套筒高應變和大變形測試結果

圖7 灌漿套筒破壞情況

10個試件在錨固長度不足的情況下出現了鋼筋拔出現象,表明施工過程中,控制施工誤差保證鋼筋有效握裹非常重要。在錨固長度為10d和灌漿料材料和施工工藝均合格的情況下,有1個拉伸件出現了套筒在中部拉斷現象,說明套筒中部也是灌漿套筒連接的潛在薄弱環節,需加強灌漿套筒生產和檢驗,保證灌漿套筒為合格產品。

2 預制拼裝橋墩足尺橋墩破壞特點

為對灌漿套筒預制拼裝橋墩力學性能進行探索,在施工現場進行足尺橋墩加載試驗。試驗橋墩材料、施工過程、施工人員等與主線橋墩完全相同。試驗加載過程如圖8所示。

圖8 試驗加載過程

試件破壞最終情況如圖9所示?，F澆橋墩破壞模式為鋼筋屈服,混凝土壓碎剝落,最終因為墩底受拉側縱筋拉斷,承載力出現下降。預制橋墩受拉區變形集中在墩底與承臺(套筒底部)和套筒頂部。因套筒頂部存在止漿塞,套筒底部存在鑿毛后的坐漿墊層,相當于受拉側鋼筋存在一段無黏結區段,緩解了鋼筋應力集中,從而延緩了套筒頂部和底部縱筋拉斷。最終破壞模式為受壓區混凝土壓碎嚴重,受壓區縱筋出現壓屈變形,受壓區套筒與周圍混凝土出現剝離,封閉箍筋受拉分開,彎鉤由彎變直,而受拉區縱筋并未拉斷,如圖10所示。

圖9 試驗受拉側最終破壞情況

3 質量監督關鍵技術

3.1 鋼筋籠驗收

隨機檢測的預制廠鋼筋籠如圖11所示。預制廠環節監督要點為:①在套筒頂部需增設1道箍筋;②加強套筒質量驗收,套筒上部縱筋要插入套筒中間卡扣;③塞緊止漿塞,防止混凝土水泥漿漏至套筒內部阻塞灌漿套筒及造成套筒上方混凝土內部蜂窩。

圖11 套筒頂部增設1圈箍筋

3.2 拼裝過程

拼裝前,采用水性除銹劑對承臺外露鋼筋進行除銹。拼接面需鑿毛,上表面鑿毛深度≤3mm;下表面鑿毛深度≥6mm,直至露出新鮮骨料并沖洗干凈。拼裝過程除了滿足施工規范中對中調平和垂直度等要求外,還有2點需注意:①承臺預留縱筋需注意防銹措施,如套PVC管防銹或利用除銹劑除銹,避免縱筋銹渣影響灌漿料與縱筋之間的黏結效果;②承臺預留縱筋長度要充分保證鋼筋插入套筒內長度滿足10倍鋼筋直徑的要求,承臺外露鋼筋長度=10倍鋼筋直徑+坐漿層厚度,保證鋼筋錨固。

3.3 壓漿過程

預制橋墩壓漿如圖12所示。設計要點為:①灌漿料采用高強度無收縮合格產品。②水灰比符合要求。水灰比越大,漿料硬化后的空隙就會增多,導致強度下降,需要提供可靠的防雨水措施,避免雨水混入漿料中造成水灰比增大導致強度下降。③要從壓漿口壓漿,出漿口出漿。嚴禁再從出漿口補漿,造成“灌滿”的假象。

圖12 預制橋墩壓漿

4 結語

灌漿套筒預制拼裝橋墩技術全過程跟蹤表明,灌漿料能否完全握裹承臺外露鋼筋是灌漿套筒技術成敗的決定因素。在施工管理方面需關注以下方面。

1)嚴格套筒壓漿持證上崗制度,嚴格按產品說明控制灌漿料水灰比,防止雨水混入灌漿料而改變水灰比。同時灌漿料需高速充分攪拌均勻,保證灌漿料抗壓強度≥100MPa。

2)承臺預留縱筋需注意防銹措施,如套PVC管防銹或利用除銹劑除銹,避免縱筋銹渣影響灌漿料與縱筋之間黏結效果。

3)承臺預留縱筋長度要充分保證鋼筋插入套筒內的長度滿足10倍鋼筋直徑的要求,承臺外露鋼筋長度=10倍鋼筋直徑+坐漿層厚度,保證鋼筋錨固。需要注意的是套筒有效握裹長度與承臺表面鑿毛深度無關。

綜上所述,灌漿套筒預制拼裝橋墩技術是一種技術上安全可行的裝配式橋梁技術方案,但也存在施工管理精細化、灌漿料制漿壓漿要求嚴、鋼筋定位和長度誤差控制高等特點,在所有裝配式技術中具有綜合性能最優的技術性能,能夠滿足等同現澆的設計預期。