預(yù)制裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)方案研究

張浩，楊洋 ，方正東

（1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088 2.交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088）

1 項(xiàng)目背景

預(yù)制裝配式橋梁，是將混凝土橋梁上、下部主要構(gòu)件在預(yù)制場(chǎng)或工廠預(yù)制，然后現(xiàn)場(chǎng)拼裝的一種橋梁。相對(duì)傳統(tǒng)施工工藝，裝配式橋梁的優(yōu)點(diǎn)是可以降低施工干擾、縮短工期、降低成本、提高工程質(zhì)量。相對(duì)于橋梁上部結(jié)構(gòu)工業(yè)化，安徽省高速公路下部結(jié)構(gòu)工業(yè)化預(yù)制技術(shù)尚處實(shí)踐階段。

G3W德州至上饒高速公路合肥至樅陽(yáng)段裝配化橋梁上部結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案采用15m、20m、25m跨徑簡(jiǎn)支預(yù)制工字梁橋和4x35m跨徑連續(xù)鋼板組合梁橋。本文以上部結(jié)構(gòu)采用25m跨徑簡(jiǎn)支預(yù)制工字梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，提出相應(yīng)的預(yù)制裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

圖1 跨中橫斷面圖（mm）

2 裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)外調(diào)研情況

2.1 預(yù)制裝配式蓋梁

橋梁墩臺(tái)蓋梁的預(yù)制拼裝是整體預(yù)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也起著承上啟下的關(guān)鍵作用。

國(guó)內(nèi)目前主要在市政工程中應(yīng)用了預(yù)制蓋梁技術(shù)，如上海S6、虹梅南路、北橫通道及嘉閔高架（北段）等工程。上海S6公路上部30m先簡(jiǎn)支后連續(xù)小箱梁，墩柱與蓋梁間連接方式采用灌漿金屬波紋管，墩身與蓋梁接觸面采用砂漿墊層。

美國(guó)加州（Ca）對(duì)預(yù)制蓋梁體系的不同連接方式的結(jié)構(gòu)性能和長(zhǎng)期性能進(jìn)行了研究。影響預(yù)制蓋梁體系性能和安全的關(guān)鍵因素是連接型式。對(duì)預(yù)制蓋梁體系，目前研究的重點(diǎn)主要集中在連接型式的結(jié)構(gòu)性能和長(zhǎng)期性能以及施工研究等。常用的連接型式包括：①灌漿槽（grouted pocket）；②灌漿管 (groutduct)；③灌漿套筒聯(lián)軸器(grouted sleeve coupler)；④螺栓連接 (bolted connection)。

2.2 預(yù)制裝配式橋墩

裝配式橋墩施工方便，施工周期短，同時(shí)降低了橋梁施工對(duì)周圍居民生活和環(huán)境影響等諸多有利因素，在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家被廣泛使用，并形成了設(shè)計(jì)和施工相應(yīng)的準(zhǔn)則。

國(guó)外對(duì)裝配式預(yù)制橋墩進(jìn)行過很多試驗(yàn)研究，如在1997年Mander和Chen試驗(yàn)和研究了節(jié)段裝配式橋墩。節(jié)段間的連接方式采用干接縫，研究的結(jié)果顯示：在強(qiáng)震作用下橋墩，能夠迅速地恢復(fù)變形，但在地震后采用該連接方式的橋墩應(yīng)檢查墩中預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力大小，根據(jù)需要對(duì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行更換或重新張拉。

我國(guó)裝配式橋墩研究和使用較晚，近年來裝配式橋墩得到了廣泛的研究和使用。國(guó)內(nèi)主要針對(duì)大橋及特大橋進(jìn)行過研究，但主要是進(jìn)行靜力研究，抗震方面的研究較少。蘇強(qiáng)等 (2013)從研究背景、材料性能、連接構(gòu)造、粘結(jié)應(yīng)力研究及預(yù)制拼裝立柱抗震試驗(yàn)等方面介紹了在預(yù)制橋墩中灌漿套筒式鋼筋連接技術(shù)的試驗(yàn)研究情況。我國(guó)首次采用預(yù)制承臺(tái)和橋墩連接的項(xiàng)目-新澳凼大橋。杭州灣跨海大橋首次使用預(yù)制矩形空心墩，分為墩帽和墩身兩部分進(jìn)行預(yù)制。

2.3 預(yù)制裝配式承臺(tái)

預(yù)制裝配式承臺(tái)能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)大量的水上澆筑工作改為工廠預(yù)制，減小了施工難度，加快施工進(jìn)度同時(shí)可以提高基礎(chǔ)的耐久性。國(guó)外對(duì)于預(yù)制基礎(chǔ)的研究主要用于跨海大橋中，日本、加拿大、挪威等國(guó)家的跨海大橋項(xiàng)目中均得到了應(yīng)用。其中加拿大1993年動(dòng)工，1997年完工通車的諾森伯蘭海峽大橋，支承在巖層的重力式基礎(chǔ)，墩身及預(yù)應(yīng)力混凝土主梁均采用預(yù)制構(gòu)件施工。基礎(chǔ)及橋墩分為開預(yù)制，吊裝重量在3000～5500t之間，為便于基礎(chǔ)和墩身密合，基礎(chǔ)頂制作成錐形平臺(tái)。墩身與墩座間的連接部分設(shè)置剪力鍵、U形預(yù)應(yīng)力鋼索及高強(qiáng)度壓漿。美國(guó)紐約The NEW NY Bridge大橋大量采用預(yù)制構(gòu)件，引橋采用長(zhǎng)跨鋼板梁，主橋采用組合結(jié)構(gòu)斜拉橋，采用預(yù)制承臺(tái)，樁基礎(chǔ)選用鋼開口樁。

確定最佳瀝青用量。取目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)的最佳瀝青用量OAC和OAC±0.3%，取以上計(jì)算的礦質(zhì)混合料，用試驗(yàn)室的小型拌和機(jī)拌制瀝青混合料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)，檢驗(yàn)瀝青混合料體積性質(zhì)，確定最佳瀝青用量。由生產(chǎn)配合比確定的最佳瀝青使用量與由目標(biāo)配合比確定的最佳瀝青使用量，兩者之間的差異應(yīng)在0.2個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)。

2.4 預(yù)制管樁

混凝土樁的研究、生產(chǎn)及使用較多的國(guó)家主要有美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、日本、加拿大、荷蘭、新西蘭等國(guó)家。從80年代末起，中國(guó)、馬來西亞、菲律賓等發(fā)展中國(guó)家對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的應(yīng)用也開始普及。

廣東省是我國(guó)管樁廠最多、使用管樁最多也最為普遍的省份，廣東省建委早在1991年便組織制定了省標(biāo)并將預(yù)應(yīng)力混凝土管樁編入在《建筑地基基礎(chǔ)施工及驗(yàn)收規(guī)程》（DBJ15-201-91）內(nèi)。我國(guó)安徽省PHC管樁在高速公路上已有了較為廣泛的應(yīng)用，從徐明高速開始進(jìn)行了PHC管樁的試驗(yàn)性應(yīng)用，并開展了《橋梁預(yù)制管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用技術(shù)研究》的研究。濟(jì)祁高速淮南至合肥段淮河特大橋引橋鋼板組合梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)均采用了打入式PHC管樁，管樁總長(zhǎng)度約84000m。

3 裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提出兩種針對(duì)不同橋墩高度的裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。本文所提出的裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案核心關(guān)鍵技術(shù)在于：

①預(yù)制橋墩與預(yù)制蓋梁連接裝置受力安全性和考慮施工的冗余度；

②預(yù)制橋墩和預(yù)制承臺(tái)連接裝置受力安全性和考慮施工的冗余度；

③對(duì)于墩高大于15m的預(yù)制橋墩，需要通過特有連接裝置拼接，拼接裝置的靜力性能和抗震性能尤為關(guān)鍵；

3.1 方案介紹

方案一：該方案適用于采用預(yù)制承臺(tái)、墩高小于14m，上部結(jié)構(gòu)為25m簡(jiǎn)支工字梁的下部結(jié)構(gòu)。

方案二：該方案適用于采用預(yù)制承臺(tái)、墩高為14m～25m，上部結(jié)構(gòu)為25m簡(jiǎn)支工字梁的下部結(jié)構(gòu)。

方案一與方案二所采用預(yù)制結(jié)構(gòu)尺寸及適用范圍見表1。

裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)參數(shù) 表1

方案一與方案二結(jié)構(gòu)采用主要材料見表2。

結(jié)構(gòu)主要材料參數(shù) 表2

3.2 關(guān)鍵連接設(shè)計(jì)

3.2.1 預(yù)制墩與蓋梁之間連接

在預(yù)制蓋梁內(nèi)鍍鋅波紋管，直徑為60mm，橋墩主筋伸入預(yù)埋波紋管內(nèi)55cm，波紋管內(nèi)灌注高強(qiáng)砂漿形成連接。

3.2.2 預(yù)制墩之間連接

預(yù)制墩之間通過法蘭連接（如圖2所示）。

圖2 法蘭裝置示意圖

3.2.3 預(yù)制墩與承臺(tái)之間連接

完成預(yù)制管樁施工后，澆筑C30混凝土墊層，完成承臺(tái)預(yù)制部分與預(yù)制管樁精確對(duì)孔安裝后，將預(yù)制橋墩準(zhǔn)確安放在預(yù)制承臺(tái)上，在澆筑C40混凝土完成連接。

3.2.4 預(yù)制墩之間橫向連接

預(yù)制墩橫向通過直徑為30cm，壁厚為10mm的鋼管連接。

4 結(jié)構(gòu)靜力驗(yàn)算

針對(duì)方案一進(jìn)行靜力驗(yàn)算，計(jì)算荷載主要考慮了自重、二期鋪裝、溫度荷載作用以及汽車荷載等作用。其中，整體升、降溫按±20℃考慮；梯度溫度及制動(dòng)力根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）規(guī)定取值；汽車荷載則考慮3車道下的車道荷載。計(jì)算結(jié)果見表3。

方案一靜力驗(yàn)算 表3

5 結(jié)論

本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)研究情況進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)合G3W德州至上饒高速公路合肥至樅陽(yáng)段裝配化橋梁上部結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案，提出適應(yīng)于不同墩高的兩種預(yù)制裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析。