預制拼裝橋墩在深水領域的應用現狀及展望

王留鋒

（鄭州市水利建筑勘測設計院，河南 鄭州 450000）

1 引言

與陸地橋梁相比，深水橋梁所處施工環境更為復雜和惡劣，例如需要面臨波浪、波流等時變荷載和地震作用的威脅，且難以進行大量的混凝土澆筑工作，這均導致深水橋墩的施工難以采用傳統的現澆模式。預制拼裝橋墩可以很好地解決深水橋梁下部結構施工困難、全年有效施工時間短等問題。基于此，目前的跨海橋梁下部結構均選用預制拼裝橋墩，橋墩的墩身在工廠中預制，可將墩身分為一個或多個節段，方便施工運輸與吊裝，現場僅需澆筑少量混凝土即可將墩身拼裝成整體。

王景全等將預制橋墩按照其在地震作用下的受力特征劃分為等同現澆預制拼裝橋墩和非等同現澆預制拼裝橋墩。其中，等同現澆預制拼裝橋墩通過現場進行一定量的濕作業將橋墩拼裝成整體，該類橋墩在地震作用下表現為墩底出現塑性鉸，目前常用的等同現澆預制拼裝橋墩的接縫接頭施工方法有：現澆濕接縫、灌漿波紋管、灌漿套筒、承插式等。非等同現澆預制拼裝橋墩的接縫為干接縫，通過預應力筋將橋墩節段拼裝成整體，該類橋墩在地震作用下表現為底部接縫張口，且橋墩在預應力筋的拉力作用下能夠實現自動復原，該類橋墩也可稱為自復位預制拼裝橋墩（以下均稱為自復位預制拼裝橋墩）?，F有研究結果表明，自復位預制拼裝橋墩在地震作用下墩身損傷及震后殘余位移小，有利于實現橋梁結構的震后快速修復。

目前，深水橋墩接縫采用的施工方法均為等同現澆。然而，施工更為方便且抗震性能更好的非等同現澆預制拼裝橋墩在深水領域的應用卻鮮有報道。文章總結了深水領域預制拼裝橋墩的工程應用實例，對兩種橋墩在深水領域的應用前景進行了分析和展望。

2 工程應用實例

2005年，中國建造了首座跨海大橋，即中國東海大橋，如圖1（a）所示。該跨海大橋引橋部分的下部結構采用群樁高承臺的結構形式。受吊裝能力的約束，高度〈12m的橋墩采用整體預制，高度〉12m的橋墩分為兩部分，下部橋墩節段采用工廠預制，上部橋墩節段采用現澆的施工工藝。橋墩預制節段與承臺之間的連接采用現澆濕接縫，即受力縱筋焊接，并在外圍后澆混凝土。該種建造方式雖較為繁瑣，但該連接接頭的預制拼裝橋墩在地震作用下的性能表現與現澆橋墩差異較小。此外，由于該橋墩的接頭連接技術較為成熟，現澆濕接縫也在杭州灣大橋和上海長江大橋中有所應用，如圖1（b）～（c）。

圖1 等同現澆預制拼裝橋墩體系在跨海橋梁中的應用實例圖

港珠澳大橋非通航段所處區域泥沙含量較高，采用群樁基礎的阻水率過大。因此，在非通航區域橋梁的下部結構采用深水橋墩的方案。港珠澳大橋首次嘗試將干接縫接頭應用于預制拼裝橋墩中，橋梁下部結構的基礎、墩身以及蓋梁均于工廠預制，如圖2所示。其中，墩身的下部節段與基礎預制為一體，通過張拉精軋螺紋筋將各個節段預壓成整體。為提高橋墩整體的耐久性，將接縫設置于浪濺區以上，且橋墩置于水體部分的鋼筋均采用防腐鋼筋。值得說明的是，雖然港珠澳大橋墩身采用了干接縫的施工工藝，但其仍屬于等同現澆預制拼裝橋墩，即該橋墩在地震作用下仍然表現為墩底出現塑性鉸。

3 等同現澆預制拼裝橋墩在深水領域的應用展望

現澆濕接縫雖操作繁瑣，但因其工藝成熟、質量可控以及抗震性能與傳統固結橋墩相近等優勢而被多數設計者所采用。然而，該方法因施工工藝的限制在低承臺深水橋墩領域難以推廣，且大量的后澆混凝土會使新老混凝土結合的問題突出。此外，對于市政工程中采用的灌漿套筒、灌漿波紋管等施工工藝也難以應用于跨海大橋，主要原因為上述接縫的施工方法均為隱蔽工程，目前的技術手段難以對其可靠性進行檢測。另一方面，上述施工工藝雖能使橋墩的抗震性能表現較為良好，但由于節段需要預留較長的錨固鋼筋，使得墩身的預制長度有所限制。

基于此，對于等同現澆預制拼裝橋墩來說，提出一種連接可靠、施工步驟簡單、抗震性能與傳統固結橋墩類似的節點形式尤其重要。周興林結合濕接縫和干接縫的性能優勢，提出了直螺紋接頭和錐套緊鎖鋼筋接頭的濕接縫方案，上述兩種方法安全可靠、施工便捷，能有效降低鋼筋直徑，且在造價方面優于灌漿套筒。

4 自復位預制拼裝橋墩在深水領域的應用展望

中國是世界上地震頻發的國家之一，在橋梁結構正常運營的過程中很可能遭受地震的威脅。然而，等同現澆橋墩在地震作用下墩身損傷及殘余位移較大，震后修復花費代價高甚至難以修復。因此，對于重要性系數較高的深水橋梁應探索一種能夠實現震后快速修復或無須修復的橋墩結構。

自復位預制拼裝橋墩在地震作用下損傷及震后殘余位移較小，此外，采用高性能材料可進一步提高橋墩整體的融損能力，降低墩身質量，方便吊裝。例如王震提出一種自復位UHPC預制拼裝空心墩，通過擬靜力試驗發現橋墩的損傷主要集中于保護層，核心區基本沒有損傷。上述討論均表明自復位預制拼裝橋墩具有應用于深水橋梁等重要基礎設施的優勢，尤其是可以嘗試在低承臺深水橋墩領域應用。然而，將自復位預制拼裝橋墩體系應用于深水領域有以下三個問題亟須解決，后續有關自復位預制拼裝橋墩的研究建議在這三個方面進行開展：首先，自復位預制拼裝橋墩由預應力筋拼裝成整體，預應力錨固體系在橋梁整個生命周期內的可靠性及預應力筋預壓力的時變性目前尚無可以參考的相關依據；第二，由于橋墩在側向力作用下會出現剛體轉動，其側向剛度小于傳統的固結橋墩，深水環境下橋墩需要承受波浪和波流的作用，如何提高橋墩整體的抗側剛度以及其是否滿足深水橋墩正常使用極限狀態的要求還需進一步考察；第三，自復位預制拼裝橋墩在開啟搖擺后會改變其自振周期，以避免產生共振，從而控制地震響應。因此，自復位預制拼裝橋墩實際上屬于一種隔振體系，地震動水壓力對該橋墩體系地震響應的影響目前仍然屬于空白。

5 結語

由于深水施工環境的影響，預制拼裝橋墩在深水領域具有顯著的應用優勢。首先總結了目前中國實際工程中采用預制拼裝橋墩的跨海大橋，并對上述施工方法進行了分析和探討。然后，分別討論了等同現澆預制拼裝橋墩與非等同現澆預制拼裝橋墩在深水領域的應用前景，并對該領域值得進一步深入研究的方向進行了建議。