超高性能混凝土連接裝配式橋墩設(shè)計(jì)理念與實(shí)踐

王瑞龍，馬 骉，黃 虹

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引 言

在當(dāng)前產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提升新型工業(yè)化發(fā)展水平的大背景下，橋梁行業(yè)從傳統(tǒng)的現(xiàn)澆逐漸向工業(yè)化裝配式施工發(fā)展。與現(xiàn)澆橋梁結(jié)構(gòu)相比，預(yù)制拼裝橋梁結(jié)構(gòu)具有施工便捷、質(zhì)量穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境和交通影響小等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的節(jié)能與環(huán)保特點(diǎn)，目前已成為世界橋梁結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。該技術(shù)將橋梁結(jié)構(gòu)分解成多個(gè)預(yù)制構(gòu)件，在工廠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化制作，并運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝[1]。

在裝配式橋梁結(jié)構(gòu)中，預(yù)制構(gòu)件的連接接縫為受力和施工的重點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)具有足夠的力學(xué)性能、良好的耐久性和穩(wěn)定性，且便于施工[2]。目前，橋梁上部結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件主要為空心板、小箱梁等，采用濕接縫連接成整體；下部結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的連接形式主要為灌漿套筒連接、灌漿金屬波紋管連接等。

灌漿套筒連接形式為在橋墩中預(yù)埋套筒，預(yù)制橋墩吊裝就位，承臺(tái)預(yù)埋鋼筋與套筒對(duì)插，然后灌注高強(qiáng)砂漿連接成整體。該連接方式施工快速，鋼筋定位精度要求高，不適用于束筋連接，對(duì)靜力性能要求高，抗震性能低于現(xiàn)澆，套筒灌漿飽滿度檢測(cè)較為困難。

灌漿金屬波紋管連接形式為在承臺(tái)中預(yù)埋金屬波紋管，預(yù)制橋墩吊裝就位，橋墩預(yù)埋鋼筋插入金屬波紋管，然后灌注高強(qiáng)砂漿連接成整體。該連接方式施工快速，鋼筋定位要求低于套筒連接，對(duì)于束筋連接較為困難。

目前，超高性能混凝土由于具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性、與鋼筋握裹力強(qiáng)、自流平便于施工等優(yōu)點(diǎn)，逐漸得到工程應(yīng)用，其具有的優(yōu)良性能有望在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中取代普通混凝土和高強(qiáng)混凝土，成為新一代結(jié)構(gòu)材料，在裝配式橋墩的連接處有很大應(yīng)用前景。

1 當(dāng)前超高性能混凝土裝配式橋墩連接形式和應(yīng)用

裝配式橋墩采用超高性能混凝土連接構(gòu)造鋼筋搭接連接，無需綁扎或焊接，現(xiàn)場(chǎng)工作量小，施工快速，鋼筋定位要求低，且適用于束筋布置，是一種較好的連接形式。

在此基礎(chǔ)上，上海市政總院開發(fā)出以下3 種超高性能混凝土裝配式橋墩連接形式，如圖1 所示。3種連接形式各有優(yōu)劣，如表1 所示。

隨著超高性能混凝土連接裝配式橋墩的出現(xiàn)，我國在一些工程中進(jìn)行了超高性能連接裝配式橋墩的應(yīng)用試點(diǎn)。其中，擴(kuò)頭式連接構(gòu)造已經(jīng)在上海嘉閔高架、上海南浦大橋W3 上匝道改建工程、新疆烏魯木齊城北主干道工程、寧波機(jī)場(chǎng)快速路南延工程等得到應(yīng)用，環(huán)縫式連接構(gòu)造預(yù)計(jì)在寧波西洪大橋連接線工程、上海G1503 工程等應(yīng)用。

2 超高性能混凝土特性與技術(shù)性能指標(biāo)要求

超高性能混凝土由預(yù)混料（包括水泥、細(xì)砂、硅灰、石英粉）、細(xì)鋼纖維等基本材料組成，配制過程中采用最大密實(shí)度理論，減小材料內(nèi)部空隙和微裂縫數(shù)量，控制材料內(nèi)部缺陷，提高材料的均質(zhì)性，并摻入小直徑短纖維空間橋接彌合微裂縫，從而達(dá)到高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性的目的[6]，如圖2 所示。其中，細(xì)砂的粒徑最大，為150～600 μm；水泥與石英粉粒徑次之，分別為15 μm 與10 μm；硅灰的粒徑最小，可填補(bǔ)水泥與石英粉之間的空隙；鋼纖維直徑0.2 mm，長(zhǎng)度12.7 mm，抗拉強(qiáng)度大于2000 MPa，體積摻量在2.0%左右。

圖1 超高性能混凝土連接形式

表1 超高性能混凝土連接形式比選

圖2 UHP C 材料示意圖

根據(jù)目前工程項(xiàng)目中超高性能混凝土的應(yīng)用情況，超高性能混凝土在立柱連接時(shí)技術(shù)性能指標(biāo)要求見表2。其中，超高性能混凝土采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，即環(huán)境溫度20±2℃，相對(duì)濕度大于95%。

表2 超高性能混凝土技術(shù)性能指標(biāo)要求

3 超高性能混凝土連接裝配式橋墩構(gòu)造研究

3.1 設(shè)計(jì)理念

超高性能混凝土連接的設(shè)計(jì)理念為：超高性能混凝土連接段的安全度大于預(yù)制段，即破壞發(fā)生在預(yù)制段。因此，這就涉及如何進(jìn)行合理的連接構(gòu)造設(shè)計(jì)，確保經(jīng)濟(jì)性與受力性能的統(tǒng)一。

3.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）靜力和E1 地震作用

采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論，即材料采用設(shè)計(jì)值，考慮墩高影響系數(shù)，確保超高性能混凝土連接段安全系數(shù)大于預(yù)制段，UHPC 應(yīng)變應(yīng)小于極限拉伸應(yīng)變（2000 με）。

（2）E2 地震作用

采用延性設(shè)計(jì)理論，即材料采用標(biāo)準(zhǔn)值，考慮墩高影響系數(shù)和抗彎超強(qiáng)系數(shù)1.2，確保超高性能混凝土連接段安全系數(shù)大于預(yù)制段，UHPC 應(yīng)變應(yīng)小于極限拉伸應(yīng)變（2000 με）。

3.3 設(shè)計(jì)案例

本節(jié)針對(duì)一典型市政匝道橋進(jìn)行分析，橋?qū)?.0 m，跨徑30 m ，如圖3 所示。下部結(jié)構(gòu)為單柱墩，橋墩尺寸為2.2 m（橫橋向）×1.5 m（順橋向），橋墩高度為10 m，蓋梁尺寸為1.9 m（順橋向）×7.5 m（橫橋向）×1.5 m（豎向）。立柱配筋為HRB400 鋼筋，共計(jì)66 根，配筋率為1.60%。主梁和蓋梁采用C50 混凝土，橋墩采用C40 混凝土。

圖3 典型匝道橋橫斷面（單位：mm）

其中，環(huán)縫式連接對(duì)設(shè)計(jì)的精細(xì)化要求最高，因此以下對(duì)環(huán)縫式連接形式的構(gòu)造設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

采用XTRACT 軟件進(jìn)行模擬分析。將截面離散為纖維單元，與截面信息（截面尺寸、保護(hù)層厚度和鋼筋配置情況）相對(duì)應(yīng)，每塊纖維單元被賦予鋼筋、混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系。用纖維截面進(jìn)行構(gòu)件受力和變形的全過程分析時(shí)，通常采用以下假定：（1）平截面假定；（2） 不考慮混凝土和鋼筋之間的相對(duì)滑移；（3）忽略剪應(yīng)力對(duì)構(gòu)件截面的彎矩-曲率關(guān)系的影響。纖維模型如圖4 所示。

圖4 XTRACT 纖維模型

表3 列出了超高性能混凝土連接裝配式橋墩計(jì)算結(jié)果。其中，超高性能混凝土連接段壁厚350 mm。從表中可看出，在靜力和E1 地震工況下，預(yù)制段彎矩為16920 kN·m，考慮墩高影響系數(shù)1.05，連接段彎矩為17811 kN·m，對(duì)應(yīng)超高性能混凝土的拉伸應(yīng)變?yōu)?009 με；在E2 地震工況下，預(yù)制段彎矩為26150 kN·m，考慮墩高影響系數(shù)1.05 和超強(qiáng)系數(shù)1.2，連接段彎矩為33032 kN·m，對(duì)應(yīng)超高性能混凝土的拉伸應(yīng)變?yōu)?815 με，滿足前述預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)要求，破壞發(fā)生在預(yù)制段，構(gòu)造合理。

表3 UHP C 連接裝配式橋墩計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

隨著超高性能混凝土的出現(xiàn)，裝配式橋墩采用超高性能混凝土連接。由于鋼筋無需綁扎或焊接、施工快速、鋼筋定位要求低，且適用于束筋布置，成為一種較好的連接形式。本文對(duì)該連接形式進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）該連接形式構(gòu)造包括擴(kuò)頭式、類承插式、環(huán)縫式。3 種連接形式各有優(yōu)劣，其中擴(kuò)頭式和環(huán)縫式目前在實(shí)際工程中均有所應(yīng)用。

（2）基于超高性能混凝土在連接形式中的受力和施工要求，列出了其性能指標(biāo)要求和相應(yīng)的測(cè)試依據(jù)。

（3）該連接形式的設(shè)計(jì)理念為超高性能混凝土連接段的安全度大于預(yù)制段，即破壞發(fā)生在預(yù)制段。基于該設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)目標(biāo)相應(yīng)為：在靜力和E1 地震作用下，采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論，即材料采用設(shè)計(jì)值，考慮墩高影響系數(shù)，確保超高性能混凝土連接段安全系數(shù)大于預(yù)制段，超高性能混凝土應(yīng)變應(yīng)小于極限拉伸應(yīng)變（2000 με）；在E2 地震作用下，采用延性設(shè)計(jì)理論。即材料采用標(biāo)準(zhǔn)值，考慮墩高影響系數(shù)和抗彎超強(qiáng)系數(shù)1.2，確保超高性能混凝土連接段安全系數(shù)大于預(yù)制段，超高性能混凝土應(yīng)變應(yīng)小于極限拉伸應(yīng)變（2000 με）。

（4）一典型市政匝道橋墩分析案例表明，橋墩采用環(huán)縫式連接設(shè)計(jì)，截面尺寸為2.2 m（橫橋向）×1.5 m（順橋向），墩高10 m，在超高性能混凝土壁厚350 mm 時(shí)，連接段安全系數(shù)大于預(yù)制段，在靜力、E1 地震作用和E2 地震作用下，超高性能混凝土拉伸應(yīng)變分別為1009 με 和1815 με，滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，構(gòu)造合理。