預制拼裝橋墩輕型化設計

李福鼎

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引 言

全預制拼裝橋梁是一種將橋梁上下部結構的主要構件在工廠預制、現場拼裝的橋梁。此類橋梁的主要特點是大量采用了裝配式構件，構件在預制廠完成，減少了現場作業量，是一種更環保、少干擾、更安全、高質量和低消耗[1]的橋梁建造方式，特別適應于城市橋梁建設，目前在國內一些城市正在進行試點和推廣。

目前，國內裝配式建筑發展的整體要求是“標準化設計、工廠化制造、裝配化施工、信息化管理、智能化應用”[8]。因此，對于全預制拼裝橋梁來說重要的一個環節就是標準化設計，而橋梁標準化設計可分為二個層面，一個是總體設計層面，包含規范規程和標準的統一、路線斷面和橋梁橫斷面的標準化、以及梁高和跨徑的標準化和模數化等方面；另一個層面就是裝配式橋梁構件設計層面，包含橋梁各部位的構件，如上部節段箱梁、組合梁、小箱梁；下部節段橋墩、蓋梁；附屬防撞欄桿、人行道板等。本文主要涉及構件標準化設計層面，以預制裝配式橋墩為對象，探討其在輕型化、模塊化設計方面的應用。

1 裝配式構件

裝配式橋梁構件既是全預制拼裝橋梁的主要組成部分，也是影響橋梁結構外觀、質量和耐久性等方面的關鍵部分，同時也是影響橋梁工程造價、施工措施、施工難度等方面的制約因素。橋梁構件工廠預制后需要運輸至現場再進行安裝，構件重量和尺寸受運輸和安裝條件所限，而為了施工速度和質量又需要構件盡量大，減少現場工作量，這兩方面的需求相互矛盾，因此需要拋開傳統現澆設計理念，不能簡單的將構件從現場澆筑變為工廠澆筑，而是要遵循構件預制的理念，對構件進行輕型化、模塊化設計，使之更能便于制造、運輸和安裝。

2 預制拼裝橋墩輕型化設計

橋墩輕型化的主要目的是降低重量、減小構件輪廓尺寸，方便構件預制、運輸和安裝，可通過以下二種方式實現：（1）截面空心化，將實心斷面優化為空心斷面，較小截面面積，降低自重；（2）節段模塊化，將節段縱向切分為二個或多個節段，降低單個構件重量和尺寸；兩種方式可單獨也可組合采用，組合采用時輕型化效果更為明顯。

2.1 截面空心化

實心斷面空心化，面積減少，自重降低，但同時內部空腔的施工增加了施工難度和費用，因此需要對空心斷面在工程造價、施工便宜性和結構受力等方面進行分析，判斷截面空心化的可行性和經濟性。

（1）工程造價

通過測算不同空心率、墩高、墩寬和墩厚下的橋梁造價，分析截面空心化的經濟性，給出合理的可截面空心化橋墩構造尺寸。

分析空心截面墩柱造價組成，其與實心截面柱造價的差異主要是材料費用、運輸費用、吊裝費用和安裝費用。在測算橋墩造價時，參考上海某預制拼裝橋墩項目，構件運輸和安裝經濟技術指標如下：（1）運輸費考慮40 km 運距，按258.5 元/m3計；（2）立柱拼裝費按350 元/m3計；（3）構件吊裝費按200 元/m3計；（4）混凝土和鋼筋綜合單價為800 元/m3和6 000 元/t。

以矩形橋墩為例，截面寬3 m、厚度為2 m，空心墩壁厚0.4 m，墩高5～15 m 時，橋墩的空心率、造價增減量以及造價增減量相對于實心截面造價比例等數據見表1。

表1 空心墩造價增減表

由上表可知：（1）截面空心化導致主要材料費增加，運輸、安裝費用減小；（2）橋墩空心率隨墩高增加逐漸增大；（3）造價增減比例隨墩高或空心率增大而增大。進一步分析不同墩厚和不同橋墩高度情況下，當空心率達到20%左右時，空心墩造價與實心墩相當，如圖1 所示。

圖1 空心墩造價增減比例隨空心率變化曲線

裝配式橋墩立柱尺寸由上部結構形式、墩高、結構受力等因素確定，尺寸差異較大。從工程造價角度，經過截面尺寸參數和墩高參數的分析，確定截面空心化合理構造尺寸，部分參數分析部分結果圖2和圖3 所示。

圖2 橋墩造價增減比例隨墩高變化曲線（B=1.5 m）

圖3 橋墩造價增減比例隨墩高變化曲線（B=1.8 m）

由圖2 可知，橋墩寬度B=1.5 m 時，截面空心化無明顯經濟優勢，圖3 可知，橋墩寬度B=1.8 m，墩厚1.8 m 且墩高大于8 m 時，截面空心化具有一定經濟性，因此，當截面尺寸小于1.8 m×1.8 m 時采用實心墩是合適的，超過此尺寸可以考慮空心截面，不同截面空心化最小尺寸分析結果見表2。

表2 橋墩空心化截面尺寸

表2 所列出的橋墩空心化最小尺寸僅僅考慮了工程造價，實際工程中需要綜合施工便宜性、結構受力等因素確定空心化構造。

（2）空心墩預制

橋墩空心化后，內部空心腔室施工是橋墩預制的重點和難點。目前，空心腔室施工常采用高速離心法和模板澆筑法。高速離心法適用于圓形或矩形等小尺寸空心腔室，其適用性有限；模板澆筑法可適用于任意形式的空心腔室，適應性較廣，也是運用最多的施工方式，澆筑時的模板常采用鋼模、木模、充氣橡膠膠囊或預埋PVC 管，如圖4 所示。

圖4 立柱空腔模板示意圖

對于模板澆筑法，應根據預制構件的構造特點選擇合理的模板形式來克服拆模困難和模板利用率低的問題。對于整體式預制橋墩，應充分考慮內膜拆除的便宜性，而空氣膠囊拆模方便，預埋PVC 管無需拆模，都是較為合理的內膜方案；對于分段預制橋墩，內膜采用鋼膜較為合適，這是由于分段預制的節段兩端或單端是開口的，拆模非常方便，采用組合式液壓鋼模可以充分發揮其剛度大，澆筑質量好、拆模方便、施工效率高等特點。

（3）結構受力

橋墩空心化后，截面面積減小，軸壓應力增大，但抗彎慣性矩減小導致彎矩產生的拉應力增加，因此，橋墩空心對結構的承載力和抗裂性能的影響需深入分析。以一聯寬10 m，3×35 m 連續箱梁橋的下部結構為例，假定截面外輪廓尺寸3 m×2 m、墩高12 m 和主筋數量均不變，分析空心墩和實心墩受力差異以及不同空心率對結構受力的影響，結果詳見表3。

表3 空心墩截面承載力和抗裂性能

由表3 可知，（1）空心墩和實心墩相比，截面承載力能力下降，但截面裂縫寬度減小；（2）隨著空心截面壁厚增加，截面承載力提高，截面裂縫寬度增加，截面裂縫寬度增大的速度比承載力大。綜上所述，橋墩空心化后對截面承載力是不利的，對抗裂性是有利的，但總的影響十分有限。

2.2 節段模塊化

受運輸和吊裝條件的限制，大尺寸和大噸位預制橋墩需縱向節段切分、化整為零，滿足預制拼裝要求。切分后的節段還應進行模塊化和參數化設計，以適應設計標準化和施工裝配化的要求。圖5 所示為一種模塊化設計橋墩分段示意圖，共包含墩底基準段、標準段和墩頂標準段和節段間連接四大部分。

圖5 一種模塊化設計橋墩示意圖

（1）墩底基準段：該節段是橋墩的基準節段，可與承臺一同現澆施工，主要功能是調節墩高，并將節段縫遠離墩底塑性鉸區域，提高橋墩的抗震性能。

（2）標準段：該節段是橋墩的標準節段，標準節段劃分應兼顧運輸吊裝能力和全橋橋墩適用性，既要單個節段輕型化，也要考慮節段的通用性。

（3）墩頂標準段：該節段是橋墩的墩頂節段，滿足墩頂造型和承受上部結構荷載的要求，其高度和構件尺寸應標準化，適用于各種墩高的橋墩。該節段也可與標準段合并減少節段數量。

（4）節段間連接：各個節段間可采用灌漿套筒、鋼棒或是預應力鋼絞線等連接形式，節段間主筋連接數量可根據橋墩受力自下往上逐級優化，提高橋墩經濟性。

橋墩模塊化設計后，各節段上下端至少有一端是開口，十分便于空心橋墩的預制和拆模。此外，各節段長度、構造尺寸、重量、主筋數量也可以參數化設計，提高設計效率。

3 工程案例

某立交工程上部結構采用預制節段箱梁，下部結構采用預制拼裝獨柱花瓶墩，墩高3～23 m，根據受力，橋墩斷面尺寸為2.6 m×1.7 m 和2.6 m×2.0 m，如圖6 和圖7 所示。

圖6 橋墩立面圖（單位：cm）

圖7 斷面配筋示意圖（單位：cm）

預制橋墩采用模塊化和參數化設計，根據花瓶墩墩頂弧線的高度，確定墩頂標準段模塊高3 m，墩底基準段模塊高1～2.5 m，標準段模塊分別高2 m、4 m、8 m 三個種類。墩底基準段采用現澆，其余各節段間采用自鎖式預應力鋼絞線連接[9]。

選取截面3 m×1.7 m，壁厚35 cm 橋墩進行空心墩和實心墩的對比，對比的結果見表4。

表4 空心和實心模塊對比表

通過以上對比，相比于實心墩，空心墩的自重降低15.5～39.5%，墩頂段和標準段工程造價降低4～22%，墩底基準段價格略有增加。

控制單個節段重量不大于55 t，各墩高橋墩節段模塊組合參數見表5。

表5 橋墩節段模塊組合參數表

當墩高大于12 m 后，節段一和節段二主筋配置不變，優化節段三和節段四主筋配置，降低橋墩造價。

節段預制橋墩空心化和模塊化后，各個節段模塊相互組合，實現了4～23 m 不同墩高的預制和拼裝，單個節段重量均不大于55 t，大大降低了節段運輸、吊裝要求和成本，也提高了施工的便宜性。

4 結 語

（1）橋梁結構大量采用預制裝配式構件是橋梁建設的一個發展方向，構件設計應拋開傳統現澆設計理念，不能簡單的將構件從現場澆筑變為工廠澆筑，而是要遵循構件預制的理念，對構件進行輕型化、模塊化設計，使之更能便于制造、運輸和安裝。

（2）橋墩空心化應考慮工程造價、施工便宜性和結構受力等因素，判斷其可實施性和經濟性。當截面尺寸大于1.8 m，且墩高大于10 m 時，截面空心化具有一定的經濟優勢。

（3）預制橋墩采用模塊化和參數化設計，節段高度和自重靈活設置，可滿足不同墩高、不同尺寸橋墩預制；主筋在不同模塊間可差異化配置，提高了預制橋墩的經濟性。