大直徑鍍鋅金屬波紋管在裝配式接口中的運用

陳文尹

(中鐵四局集團第七工程分公司，安徽 合肥 230022)

0 引 言

我國橋梁建造正在步入全裝配式時代[1]，即從上部主梁裝配式施工發展到下部橋墩裝配式施工。傳統的以人工綁扎、現場澆筑為主的橋梁建造方式主要存在以下一系列問題:現場施工作業需要大量勞動力，作業環境差，施工效率低；大型橋梁結構現場施工占用施工場地大，施工周期長，對周邊交通等影響大；現場施工容易產生粉塵、泥漿、噪聲和光污染，環境因素干擾大，難以滿足社會公眾對文明施工的要求;施工監控管理難度大，管理效率低;粗放型施工模式導致行業整體能耗高，浪費嚴重。

裝配式橋墩常用的連接方法有承插式后澆連接、灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接等連接等方法。裝配式橋墩關鍵技術難點在于節點連接構造的合理性和受力的可靠性。目前，橋梁上部結構的預制施工工藝相對成熟，在保證工程質量的前提下，尋求一種拼裝化、快速化、集約化的橋梁下部結構預制建造施工工藝尤為重要。

1 工程概況

京臺高速公路泰安至棗莊(魯蘇界)段改擴建工程沿既有公路加寬，起自京臺高速與青蘭高速交叉的泰山樞紐，向南經泰安市岱岳區、寧陽縣，濟寧市曲阜、鄒城，棗莊市滕州、薛城區，濟寧市微山縣，棗莊市嶧城區、臺兒莊區，止于魯蘇兩省交界的臺兒莊區張山子鎮南的省際收費站。該橋1-16、20-34號橋墩的下部(墩柱和蓋梁)采用預制拼裝的方案，其中墩柱為φ1 400 mm的圓形墩柱，每4根墩柱組合1榀預制蓋梁，預制墩柱頂部預留鋼筋與蓋梁采用承插預留孔連接，每根墩子端部與現澆承臺采用承插式連接。本文研究的15號墩預制墩柱與現澆承臺之間采用了應用大直徑鍍鋅金屬波紋管的承插式連接。結構示意圖如圖1所示。

圖1 裝配式橋墩三維模型

該擴建項目的實施，可極大地提高國家運輸主通道的通行能力，對于完善國家和山東省高速公路網絡，提升公路安全水平，適應交通量不斷增長，加快構建現代綜合交通運輸體系，促進區域經濟發展具有重要意義[2]。

2 大直徑鍍鋅金屬波紋管接口施工關鍵工藝流程

本工程中的ZK531+406.5兗南公鐵立交橋位于分離左線新建路段，分離加寬。該橋1-16、20-34號橋墩的下部(墩柱和蓋梁)采用預制拼裝的方案。預制拼裝施工的主要步驟如下：

(1)預制橋墩，底部設置148 cm高的金屬波紋管；在墩底預埋φ50 mm的PVC管(長度20 cm)，并在預制墩頂、底做好定位標記和定位措施。

(2)預制蓋梁，按照墩柱主筋位置預埋金屬波紋管。

(3)復測舊橋高程及平面位置，核實樁位后，進行鉆孔、就位鋼筋籠、澆筑樁基，環切破碎樁頭。

(4)綁扎系梁鋼筋，承臺內側設置大直徑金屬波紋管，澆筑系梁和部分承臺，在承臺中心處按高程設置墩底支座支撐面，設支撐鋼板；并在承臺上標記墩柱定位用十字線。

(5)吊裝預制橋墩，利用定位標記進行就位，并旋轉墩柱使墩柱主筋位置與設計位置一致；利用墩柱四周4個千斤頂臨時固定墩柱并微調豎直度。

(6)采用高強砂漿灌注承臺和墩柱之間的空隙，達到設計強度后拆除千斤頂等臨時支撐措施；灌縫或膠封墩柱下端預埋的PVC管孔。

(7)吊裝就位預制蓋梁并調整蓋梁位置至設計位置；安裝柱頂鋼圍擋，然后向墩頂與蓋梁間灌入高強無收縮灌漿料，直至從蓋梁頂排漿管道溢出。

(8)施工蓋梁頂支座墊石，橋墩施工完成。

施工工藝流程見表1。

表1 施工工藝流程

3 有限元分析

采用土木結構仿真分析軟件MIDAS FEA 建立蓋梁-橋墩-承臺-樁下部結構體系的實體單元空間計算模型。蓋梁及墩柱材料為C40混凝土，承臺及樁基材料為C30混凝土，預制墩柱與承臺間采用C50混凝土灌縫，波紋管材質為Q345鋼板，鋼板厚度2mm，墩柱鋼筋籠由縱筋HRB400和箍筋HPB300組成。

邊界條件為樁底固結，不考慮承臺及樁基側面土摩擦力，分別建立現澆體系和裝配體系下的有限元模型，有限元模型如下圖2和圖3所示。有限元模型中，單元類型和材料參數見表2所示。

圖2 現澆體系下部結構模型

圖3 裝配體系下部結構模型

表2 單元類型和材料參數

繪制荷載-位移曲線，橫坐標表示加載步驟(共分10步加載，每步施加荷載4 200 kN，最終施加荷載至42 000 kN)，縱坐標表示位移，如圖4所示。

圖4 荷載-位移曲線

由圖4可以看出，在不同荷載作用下，預制結構和現澆結構的最大位移值均較接近,隨著荷載增加，位移呈線性增長。

繪制荷載-應力曲線，如圖5所示。

圖5 荷載-應力曲線

由圖5可以看出，不同荷載作用下，預制結構和現澆結構的最大應力值均較接近，且隨著荷載增加，應力呈線性增長。

分別對預制結構和現澆結構進行應力分析(應力云圖如圖6和圖7所示)，結果表明，在不同等級豎向荷載下，采用大直徑鍍鋅金屬波紋管的裝配式結構的應力狀態與變形狀態均與現澆結構相似，可以認為其承受豎向荷載的能力等同于現澆結構。

圖6 預制結構混凝土應力云圖

圖7 現澆結構混凝土應力云圖

4 現場實施效果

墩柱安裝檢查指標見表3。采用大直徑鍍鋅金屬波紋管的承插式后澆連接方法，相對于傳統承插式連接方法，具有施工精度要求相對比較低、施工工序簡單、現場作業量少的優點，同時金屬波紋管的應用提高了界面結合強度，整體性好，概念清晰，操作方便。通過工程實踐可得出以下結論：

表3 墩柱安裝指標

(1)采用大直徑鍍鋅金屬波紋管的承插式連接方法可以滿足裝配式快速施工的需要。

(2)墩柱和承臺采用金屬波紋管連接可以提高界面結合強度，整體性好。

(3)現澆混凝土承臺和預制混凝土墩柱的承插式連接在恒定垂直荷載作用下有較好的受力性能。

5 結束語

本文結合京臺高速公路泰安至棗莊(魯蘇界)段改擴建工程，采用空間有限元軟件，分別建立了裝配式下部結構模型和現澆下部結構模型，對比了預制建造和現澆施工橋墩的位移和應力狀態。結果表明，采用大直徑鍍鋅金屬波紋管進行裝配式下部結構施工可以達到在豎向荷載下達到等同現澆的效果。本文介紹的采用大直徑鍍鋅金屬波紋管進行裝配式下部結構施工的主要步驟可供今后類似工程參考。