高强预制管墩结构设计方案施工技术

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摘要：文章结合国内外预制装配式桥梁发展的趋势，总结了国内外使用离心法预制高强管墩作为下部结构的装配式桥墩抗震性能研究进展，并探讨了目前投入工程使用的承插式连接、灌浆波纹管连接施工控制要点，以推动该形式结构的发展和推广应用。

关键词：离心法预制；承插式连接；灌浆波纹管；施工控制

引言

当前，新的高速铁路网、高速公路网、城市交通网、交通设施等一大批工程项目的开工兴建，为桥梁建设提供了巨大的市场和平台，也要求桥梁建设在保证施工质量的前提下能够缩短工期，提高建设速度，以回应市场对桥梁建设能力的迫切需求。预制装配式桥梁因其独特的技术优点，逐渐成为全球范围内土木工程师的研究热点，尤其是桥墩预制装配化更是其中的关键所在。目前由于受到车道宽度、抗震烈度、施工场地、设备及工艺的限制，下部结构研究相对上部结构要滞后许多，其中预制拼装接缝既要结构简单便于拼装，又要安全、耐久，尤其其抗震性能是设计和施工中的关键环节，随着工业化水平的不断提高，采用离心法预制的高强管墩的出现为上述问题提供了一种解决方法。

1国内外预制管墩结构研究概况

目前装配式下部桥墩新形式层出不穷，采用不同连接方式形成的预制桥墩在抗震方面的性能相差较大，因此给了工程师更多的空间，可以结合具体的抗震需求选择合适的预制桥墩体系以满足工程抗震需要。随着工厂预制技术的成熟，原有用于地基处理的PHC管桩逐渐应用了更大的直径，使得PHC用于桥梁墩柱成为可能，其生产工艺与PHC管桩基本相同，对于新建桥梁，不仅不需要建设墩柱的预制场地，还可以采用蒸汽养生、机械加工等各种工业化手段迅速大规模生产，质量得以有效控制。目前工程采用的管墩直径一般＞1m，混凝土强度采用C70。针对该种新型结构，目前国外未见类似的文献资料，国内代表性的研究有：合肥工业大学陈金彪等［1］提出了预制杯口连接的预制墩连接方式，并进行了现场原位测试试验，结果表明预制空心桥墩在墩底和桥台连接部位最终的破坏形态均为弯曲破坏，墩底杯口顶面上方连接区段受拉区混凝土开裂，试验墩柱因为杯口约束，出现了明显的塑性铰上移，与现场试验一致，采用梯形剪力齿连接方式的预制桥墩墩柱与承台的连接锚固性能更优，该方案已经成功在济祁高速公路淮合段淮河特大桥进行了工程应用。如图1所示。2019年丁怡宣等人提出了预制混凝土桥墩内嵌式法兰拼装方案（见图2）。通过研究法兰位于不同区域的性能，得出法兰位于墩柱塑性铰区以外时，墩柱力学性能与现浇墩柱性能较为一致的结论［2］。同济大学徐艳等［3］研究了离心管墩对于承插深度的影响，试验设计了5个构件，承插孔壁应力分布承插深度有0．7D、0．5D、1．0D、1．5D，研究结果表明承插深度对于桥墩抗震性能的影响不大，承插深度主要影响的是承插孔壁的应力分布，其中0．7D最接近现浇结构，同时可以参照嵌岩桩嵌入基岩的深度给出可参考的最小合理承插深度。上海应用技术大学岳文超等［4］研究了承插式离心管墩与承台承插式连接的力学性能，承插式连接示意图见图3。研究表明在承插深度［0．5D，1．5D］范围内，裂缝发生都是在墩身，与现浇墩类似。增大配箍率可以有效缓解塑性铰区的过早破坏。在设计竖向荷载作用下，水平承载力能全部发挥的最小临界深度是0．5D。设置了锯齿构造后，构件接缝处摩擦力越大，结构延性越好，其中锯齿构造对竖向承载力提供约40％，底板厚度对竖向承载力提供约60％，承台底板厚度增加5cm，构件竖向承载力提高5％左右。湖北交投的左光恒［5］设计了2个相似比为1∶2的试验试件，进行拟静力试验研究，结果表明，承插式管墩的损伤集中在桥墩与承台交界处，承插式结构抗震性能与现浇类似。该种承插式结构在湖北江北高速公路进行了实际的应用。河北荣乌高速张六庄大桥采用直径1m的离心法生产的管墩作为下部结构，预制管墩的混凝土强度采用C70，上部结构采用12m跨度π形梁结构，盖梁和承台与高强管墩的连接均采用了灌浆波纹管，为国内首创的结构形式。

2高强预制管墩施工控制要点

采用高强预制管墩的装配式桥梁一般采用现浇承台、预制盖梁的方式进行施工，为了达到设计意图，施工过程中常规的混凝土浇筑、养生等与传统结构基本一致，主要需要在以下几个方面重点关注。

2．1离心法预制高强管墩的工厂质量控制要点

离心法生产混凝土制品由来已久，但因为其工艺固有的缺点以致在生产高强管墩时必须高度重视，由于目前研究的管墩连接方式以灌浆波纹管和承插式为主，需要预留一定长度的钢筋，以防止混凝土离析，进而影响墩柱混凝土整体抗压强度，并保证钢筋定位的准确，防止钢筋笼在离心力作用下发生扭转变形，进而影响后期预留钢筋与灌浆波纹管的连接。为了避免上述问题，应做到：（1）离心速度采取前期匀速、中期中速、后期高速，高速旋转的转速不宜太大，成型即可，并需控制离心的转速和时间，这样混凝土分层现象就得到了解决，同时根据相应的厚度来制定相应的工艺，解决了管墩主筋不同轴、保护层合格率偏低、端头混凝土不密实等问题；（2）钢筋的相对位置控制必须采用特制的管模让钢筋穿过，保证内芯管模与外模固定装置不低于3个，从而保持管模相对位置固定，进而保证纵向钢筋不发生扭转变形。

2．2锚固波纹管施工控制要点

下部采用承插式连接、上部采用灌浆波纹管连接，但采用单独盖梁的设计方案（安徽方案）可以大幅降低施工难度，波纹管定位偏差可以通过承插口进行调节。相对复杂的是湖北和河北方案，需要同时定位不少于两个墩柱的40～60根波纹管，以保证施工正常进行。为了保证预留波纹管能够准确定位，不论盖梁还是承台都必须使用内衬式定位胎具保证其位置准确，盖梁波纹管定位时要在台座上设置波纹管定位卡具，在模板上设置内衬式波纹管定位胎具，利用经过匹配的加工胎、卡具确保波纹管位置准确。锚固金属波纹管的安装定位允许偏差为±2mm，同时应采取有效措施防止管道发生堵塞，在构件拆模完成后，应全数检查灌浆金属波纹管内腔是否干净通畅，如有漏浆或杂物应及时清理。金属波纹管应该与箍筋进行绑扎而不得采用焊接，并且在金属波纹管灌浆孔以下设置一道箍筋。定位完成后，要进行承台与墩柱接触面的处理，并进行机械凿毛，凿毛面凹凸深度≥6mm。

2．3预制墩柱的吊装就位控制

承台和盖梁达到混凝土龄期以后吊运安装高强预制管墩，由于高强管墩为空心结构，一个直径为1m、高度为6m的空心墩柱质量仅仅7．5t左右，采用50t以上的汽车吊均可以完成作业。需要注意的是在安装前由测量员放出墩柱中心点，在四周定出边缘线并采用墨线等措施标记，作为墩柱边缘控制点，允许误差控制在±10mm。然后采用定制的带操作台的钢托架起吊，采用合理措施保证侧壁混凝土不受损伤。将高强预制管墩吊起，墩柱放置于承插口中或者承台上，再根据测量放线放出的外部圈线使用小型千斤顶进行平面位置微调。垂直度控制采用2台交叉90°经纬仪或者全站仪双向控制。将经纬仪和全站仪沿垂直方向上下观测，使用小型千斤顶调整墩身，使墩身边线垂直，最后可以采用垂直仪进行垂直度校核，预制墩柱拼装垂直度误差一般控制在0．5％左右。

2．4预制盖梁的安装控制

结合上述的结构分析，预制盖梁一般分为两种，一种是独立盖梁，即一个墩柱一个盖梁，另外一种是传统盖梁，多柱共用。多柱共用的预制盖梁的安装难度较大，设备一般选用2台吨位较大的履带吊抬吊，以便于调节盖梁的横坡，盖梁从上往下穿导向管进行安装。安装工艺流程为：拼接面凿毛、清理→安装参数复测→铺设挡浆模板→拼接缝界面处理→铺设砂浆垫层→盖梁吊装就位→精确调节、盖梁就位→金属波纹管灌浆。盖梁的拼装精度与承台一致，也选择千斤顶来调整标高和垂直度，精度可以按下列指标进行控制：顶面高程允许偏差±5mm，轴线位置偏差≤10mm，高强管墩垂直度控制≤0．5％H且≤5mm。

3结语

离心法预制高强管墩是装配式桥梁中一种新型的下部结构形式，其生产方式完全地工厂化、预制化，不仅可实现对工程成本、质量以及工期的有效控制，还具有不错的生态效益，这也与我国提倡绿色工程的大趋势相符。本文梳理了国内外对于高强预制管墩结构的研究现状，结合目前已经实施的工程项目经验，对施工控制标准进行了一定深度的探讨，可为今后将离心法预制高强管墩应用于桥梁下部结构安装起到指导和借鉴作用，有利于推动该类型预制装配桥梁技术的发展。

参考文献

［1］陈金彪．装配式桥梁预制空心桥墩与承台连接性能的研究与应用［D］．合肥：合肥工业大学，2017．

［2］丁怡宣，曾玉昆，韩军峰，等．法兰连接预制装配桥墩力学性能分析［J］．自然灾害学报，2019，28（4）：40－51．

［3］徐艳，曾增，葛继平，等．承插式预制拼装桥墩的最小合理承插深度［J］．同济大学学报（自然科学版），2019，47（12）：1706－1711．

［4］岳文超．承插式离心管墩与承台连接力学特性研究［D］．上海：上海应用技术大学，2020．

［5］左光恒，黄遵义，曾玉昆，等．承插式连接离心预制管墩抗震性能试验研究［J］．结构工程师，2020，36（5）：95－100．

作者：李玉 单位：中电建冀交高速公路投资发展有限公司