裝配式鋼骨混凝土橋墩靜力計算及施工技術研究

謝玉萌, 王 倩

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來,裝配式橋墩的研究和使用比較廣泛,節段預制拼裝橋墩國內研究較多。同濟大學的葛繼平、王志強等人對裝配式預應力混凝土雙柱橋墩抗震性能進行了調研與分析,并提供了研究的方向和思路;魏紅一做過關于節段拼裝預應力混凝土橋墩的靜力試驗和分析研究,并得出一系列研究成果;臺灣交通大學周中哲對預制鋼管約束素混凝土節段橋墩進行了模擬靜力試驗研究,并在構件中加入了耗能裝置;蔡忠奎通過ABAQUS數值模擬研究了榫卯接縫節段拼裝橋墩的抗震性能,表明節段拼裝橋墩接縫破壞將晚于墩身破壞,榫卯結構有效限制了節段間的剪切錯動,同時結構有一定的自復位能力。

相較于節段預制拼裝橋墩,裝配式鋼骨混凝土橋墩由于具有較好的抗震性能,在日本得到了廣泛的研究和應用,而在國內應用較少。鋼骨混凝土構件是指鋼骨與鋼筋混凝土組合而成的共同承受荷載的構件。抗震性能較好的為實腹式鋼骨混凝土構件,而空腹式鋼骨混凝土構件的抗震性能與普通鋼筋混凝土構件基本相同。目前在抗震結構中多采用實腹式鋼骨混凝土構件。實腹式鋼骨通常采用軋制型鋼和各種截面形式的焊接型鋼,常見的鋼骨混凝土截面形式如圖1所示[1,2]。

圖1 常用鋼骨混凝土構件截面形式

裝配式鋼骨混凝土橋墩中鋼骨采用直接軋制而成的型鋼或鋼管,鋼骨和外包混凝土形成整體,共同承擔荷載作用[3-6]。鋼骨的存在可減小截面面積,減輕結構自重。相比較全鋼結構,可節約鋼材,同時鋼骨包裹在混凝土內部,可避免鋼材銹蝕,提高防火性能。鋼骨架承載能力高,可作為外層混凝土的模板,減少了支模板費用,也可縮短工期。鋼骨混凝土橋墩在國內還是一個新型結構,鑒于日本在鋼骨架高墩建設方面取得的成就,因而有必要引進這種新型結構形式橋墩的構造、設計和施工方法,并對其進行研究,為中國的高墩建設提供設計依據。

1 工程概況

上部結構為3×35 m鋼板組合梁,下部結構為裝配式鋼骨混凝土橋墩。3×35 m鋼板組合梁主梁采用雙工字鋼板組合梁,組合梁橋面半幅寬12.5 m,雙幅全寬25.5 m。本橋墩設計為鋼骨混凝土結構,墩高設計參數見表1。內模板與外模板均為預制混凝土板,板厚10 cm。標準節段高度為1.5 m,根據墩高選擇節段數量。承臺、蓋梁采用現澆形式。鋼骨構造圖如圖2所示。

表1 墩高設計參數表

圖2 裝配式鋼骨混凝土橋墩構造

2 墩柱設計

2.1 鋼骨設計

將原有結構縱向鋼筋的一部分換成鋼材,鋼材抗失穩性能優于鋼筋,可提高鋼骨混凝土柱的縱向抗失穩能力。H型鋼采用的尺寸為HW200×200×8×12,鋼材為Q355D采用H型鋼作為鋼骨,用螺旋筋環繞在鋼骨周圍,形成的鋼骨架鋼筋柱狀體,將它配置在中空斷面內。螺旋筋在橋墩發生大變形時具有抑制縱向鋼筋失穩,橫向約束混凝土試件的功能。為提高裝配效率,墩柱H型鋼翼緣和腹板均連接采用了高強螺栓連接。

鋼骨鋼筋柱采用工廠施工,可以避免高空拼裝鋼筋作業,改善了施工工序,提高了施工的機械化程度,節省勞力。

2.2 模板設計

模板采用預制混凝土板,預制板采用C40混凝土,在工廠進行預制,進行適當的分塊,可快速施工,在施工現場進行連接。相鄰混凝土板之間的連接,采用預埋鋼板和高強螺栓,通過連接鋼板成為整體。內外側混凝土板通過預埋套筒、連接鋼筋進行連接,形成整體。預制混凝土模板必須與二次澆筑混凝土成為一體,作為結構物的一部分發揮機能,二次澆筑采用C40混凝土。因此,預制混凝土模板的側面要進行打毛。

2.3 連接設計

蓋梁采用現澆形式,鋼骨混凝土墩柱內部H型鋼、箍筋、豎向鋼筋深入蓋梁1.5 m,蓋梁采用C40混凝土。承臺采用現澆混凝土形式,施工前須提前預埋型鋼、鋼筋等構件。承臺內埋置鋼框架底座,底座定位調整后,采用焊接進行連接,承臺采用C30的混凝土。

3 靜力性能分析

一些試驗表明實腹鋼骨混凝土柱在結構喪失承載能力后,鋼骨本身未全部屈服,鋼骨及箍筋對核心部分的混凝土有較好的約束作用,導致構件不會立即破壞,仍可以保持一定的承載力和變形能力,這點與鋼筋混凝土柱破壞形態不同。在達到最大荷載以前,實腹鋼骨混凝土柱中鋼骨與混凝土的變形基本上可以保持協調。通過試驗對構件混凝土與鋼骨的測量,發現混凝土部分與鋼骨兩者均基本符合平截面假定,只是曲率略有偏差。

3.1 靜力計算方法

計算鋼骨混凝土橋墩截面承載力可參照中國臺灣規范《鋼骨鋼筋混凝土構造設計規范》中第七章條文解說:該方法是將鋼骨視為等量的鋼筋來設計,并假設鋼骨和鋼筋之間無相對滑動發生,亦即屬于完全合成作用(Fully Composite)的狀況。其中鋼骨視為等量的鋼筋配置方式,將等量的鋼筋均勻的布置在H型鋼位置上,如圖3所示。

在存在全局自相關的前提下，我們可以運用局部自相關檢驗計算各區域具體的相關程度，局部Moran’I的具體計算公式如下：

圖3 型鋼等效鋼筋圖示

3.2 靜力計算模型

鋼骨混凝土橋墩靜力性能研究考慮自重與汽車偏載效應情況下,通過有限元軟件進行計算分析。以結構在荷載作用下的截面抗壓、抗彎與抗剪承載能力計算為驗算指標,來驗證結構的合理性。本次計算采用MIDAS Civil空間桿系程序,橋梁上部結構和下部結構同時建模,如圖4所示。橋墩采用矩形空心截面,鋼骨截面面積換算為等量的鋼筋,布置在型鋼周圍。

圖4 有限元模型

3.3 計算結果

橋墩中上部鋼筋直徑采用20 mm,墩底采用直徑為32 mm,布置在型鋼四周,型鋼周邊配置直徑為12 mm的螺旋箍筋,箍筋除在鋼筋混凝土斜截面抗剪中起重要作用外,還可以約束內部的混凝土,從而有效地防止縱向受力主筋屈服和鋼骨局部屈曲,如圖5所示。

圖5 鋼骨橋墩截面主筋示意圖

墩身持久狀況承載能力極限狀態下,最不利荷載組合為1.2倍恒載+1.0收縮徐變+1.4倍活載+1.05倍制動力+1.1倍W1風載。W1風荷載為《公路橋梁抗風設計規范》中規定的對應于重現期10年(即10年超越概率65.1%)的風作用水平。

該荷載組合下墩身縱向彎矩分布如圖6所示,橋墩抗壓承載力計算結果見表2所示。可見,墩底截面為控制性截面,最不利組合結果表明,鋼骨混凝土橋墩正截面抗彎、抗壓及斜截面抗剪受力性能均滿足承載力要求。

表2 橋墩抗壓承載力計算結果

圖6 基本組合墩身縱向彎矩分布(單位:kN·m)

4 施工技術研究

橋墩施工時要保證橋墩的位置、高程、尺寸、強度均符合設計規定,其中鋼筋綁扎是橋墩施工最為煩瑣的項目之一。本項目采用鋼骨混凝土橋墩以鋼骨取代部分主筋,同時鋼骨可作為綁扎鋼筋及施工模板的支撐結構,降低高空拼裝作業的風險,機械化程度高,節省人力成本;但同時起吊重量大,對起吊設備要求較高,需要性能較好的起重設備。鋼骨混凝土橋墩施工分為基座、墩身及上部墩身施工,施工步驟如圖7所示。

圖7 施工步驟

4.1 基座施工

(1) 將最下端的鋼骨固定在基座上,并保證基座定位及高程準確無誤。

(2) 吊裝基礎骨架,進行安裝固定,形成鋼骨基礎。

(3) 澆筑基座內混凝土,形成鋼骨混凝土組合結構基礎。

4.2 墩身施工

(1) 鋼骨柱螺旋鋼筋的綁扎。

(2) 起吊鋼骨柱。

(3) 連接節段間鋼骨柱。

(4) 起吊預制混凝土模板。

(5) 進行模板連接。

(6) 澆筑混凝土。

4.3 上部墩身施工

(1) 固定頂部臨時鋼框架。

(2) 架設上部模板。

(3) 澆筑最上部橋墩混凝土。

在施工方面,墩高較低的橋墩主筋通常不需要拼接,現場綁扎較為容易,因此對于墩高較低的橋墩,使用鋼骨混凝土橋墩不具有施工安裝上的優勢;而中高橋墩因主筋需要拼接,鋼骨可作為鋼筋綁扎的輔助固定措施,以減少鋼筋倒塌的風險,并可有效減少現場作業時間,縮短工期;橋墩越高,施工效益提高越顯著。在經濟性方面,橋墩越高,越具有經濟優勢。橋墩越高斷面尺寸越大,主筋需求量也較大,型鋼距離斷面中性軸的距離增加,替代主筋的比例可以提升,因此鋼骨混凝土橋墩特別適用于中高橋墩。

5 結 論

本文研究了裝配式鋼骨混凝土橋墩承載力計算方法,并通過空間桿系上下部聯合分析模型研究了其靜力性能,同時對其施工技術進行了研究。主要研究結論包括:

(1) 本文對鋼骨混凝土橋墩進行了設計,包括鋼骨、模板及連接設計等。

(2) 鋼骨混凝土橋墩的承載力計算可以采用等效鋼筋法,其具有計算簡單、應用靈活、實用性強的特點,計算結果偏于安全。分析結果表明,鋼骨混凝土橋墩正截面抗彎、抗壓及斜截面抗剪受力性能均滿足承載力要求。

(3) 鋼骨混凝土橋墩內外模板均為預制混凝土板,采用鋼骨替換原有結構部分縱筋,在鋼骨四周配置縱向鋼筋,采用螺旋箍筋將鋼骨纏繞形成鋼骨架鋼筋柱狀體,放置在中空斷面內再澆筑混凝土,同時鋼骨架可作為模板的支撐,有利于流水作業,避免在高空中綁扎鋼筋,既降低了施工風險,又改善了施工工序,且提高了施工效率。