论文部分内容阅读
摘 要：以昭乌达路哲里木路改造提升工程为实例进行研究，充分考虑在抗震设防烈度8度区域进行装配式桥梁施工的前提，以预制装配式桥梁墩柱为研究对象，认真研究了上海等其他国内城市在预制装配式结构施工工艺和经验做法，探索了在高寒、高烈度以及中心城区实施装配式桥梁工程的工艺研究，通过对连接件的钢筋母材进行拉拔试验、灌浆料的抗压试验，對装配式构件连接的力学特性进行研究;通过对比灌浆套筒连接的预制墩柱和传统现浇工艺的桥墩通过拟静力试验进行抗震性能对比。
关键词：装配式桥梁 预制墩柱 灌浆套筒连接 施工工艺 力学性能
中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）02（c）-0052-03
Analysis of Construction Technology and Mechanical Properties of Prefabricated Bridge Piers
CHEN Hong
（Hohhot Municipal Engineering Administration Bureau， Hohhot， Inner Mongolia Autonomous Region， 010000 China）
Abstract： This paper takes Zhelimu road reconstruction and upgrading project of Zhaowuda road as an example， fully considering the premise of prefabricated bridge construction in seismic fortification intensity 8 area， taking prefabricated bridge pier column as the research object， this paper seriously studies the construction technology and experience of prefabricated structure in Shanghai and other domestic cities， and explores the implementation in high cold， high intensity and central urban areas In the process research of prefabricated bridge engineering， the mechanical characteristics of prefabricated component connection are studied through the pull-out test of the steel base material of the connector and the compression test of the grouting material; the seismic performance of prefabricated pier connected by grouting sleeve is compared with that of the pier of traditional cast-in-place technology through the pseudo static test.
Key Words： Fabricated bridge; Prefabricated pier column; Grouting sleeve connection; Construction technology; Mechanical properties
本文以全国首例高寒高烈度地区实施的装配式高架桥梁工程、内蒙古自治区首例装配式高架桥梁工程——昭乌达路哲里木路改造提升工程为实例进行研究，充分考虑在抗震设防烈度8度区域进行装配式桥梁施工的前提，以预制装配式桥桥梁的预制墩柱连接构件灌浆套筒为主要研究对象，对预制装配式墩柱的施工工艺以及力学性能进行研究分析。
1 装配式墩柱连接工艺
装配式墩柱的连接方式主要有灌浆金属波纹管连接、灌浆套筒连接、插槽式连接、承插式接缝连接、预应力筋连接、混合式连接等连接方式[1-2]。其中，灌浆金属波纹管连接方式由于需外伸较长的钢筋，墩柱运输不方便，且只适用于在低地震烈度区域应用;灌浆套筒连接方式通过灌浆料的连接作用实现预制墩柱钢筋与预埋灌浆套筒有效连接，可提供较强的整体稳定性和抗地震能力，相对于灌浆金属波纹管连接方式因其只需较短的外伸钢筋，因此具有运输的便捷性;插槽式连接方式施工工艺的要求较低，可靠性较低，外伸钢筋的长度较长，不适用于进行长距离运输;承插式接缝连接方式施工技术和施工工艺较为简单，在施工过程中可以有较大的施工差异，施工的精度要求较低;预应力筋连接方式在施工过程中因需对预应力筋进行穿束、张拉、灌浆等操作，施工技术难度大，施工周期长;混合式连接方式的最大特点是抗震性能比较好，由于预应力筋提供了较强的自复位能力，大大减小了结构的震后残余变形。但预应力筋也增加了造价，且如果预应力筋采用后张法施工，则会使现场施工变得复杂，施工工期较长[3-4]。
2 装配式墩柱施工工艺选择
昭乌达路哲里木路改造提升工程位于呼和浩特市主城区，且呼和浩特市位于高寒、高烈度地区。实施装配式桥梁工程施工，主要应考虑以下几点因素。一是中心城区施工问题，呼和浩特目前交通拥堵严重，在中心城区施工需具备施工速度快、周期短、交通影响小、居民生活影响小;二是预制装配式构件的预制构件厂需要较大施工场地（占地约500亩），因此预制构件厂需安排在距离中心城区较远的郊区，预制构件厂距离施工现场的距离最长约20km，所有预制构件需进行长距离运输;三是呼和浩特市属于高寒、高烈度地区，具备施工的施工周期较短，结构抗震性能要求高[5-6]。 综合上述影响因素，昭乌达路哲里木路改造提升工预制装配式墩柱连接工艺采用目前国内采用较多、技术较成熟、可靠性高的灌浆套筒连接技术。
3 墩柱预埋件力学性能研究
3.1 钢筋套筒灌浆接头对中单向拉伸试验
为了确保昭乌达路哲里木路改造提升工程钢筋套筒灌浆连接接头的力学性能，对钢筋套筒灌浆连接接头进行抗拉强度试验。
本试验（见图1）采用的灌浆套筒为球墨铸铁全灌浆套筒，采用的钢材牌号为HRB400，钢筋公称直径为40mm，样品状态为端头切平、接头符合要求，试验检测依据为《钢筋机械连接技术规程》，检测设备为WEW-2000微机屏显示液压万能试验机（SFSB04-013）。
通过对灌浆套筒连接接头进行对中单向拉伸试验，试验结果（见图2）表明，试件屈服强度平均值为465MPa，满足标准要求的大于400MPa，符合要求;抗拉强度平均值为630MPa，满足标准要求的大于540MPa，符合要求。
3.2 桥梁抗震试验
为了能够对比现浇墩柱和预制墩柱的抗震力学性能，在实验室设计了现浇墩柱和预制墩柱两个试件进行加载试验。为了方便记录，将现浇墩柱作为基础墩柱，编号为1号，将预制墩柱作为研究和对比墩柱，编号为2号。
试验研究结构从试件的出现裂缝、发生屈服、开始形成塑性铰、完全形成塑性铰以及破坏等5种状态对试件的损伤进行描述。损伤级别分别对应为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。
图3为1号试件和2号试件为通过拟静力试验后得到的骨架曲线，通过曲线可发现，试件的初始刚度、承载力、延性变形等抗震性能可以较好的反映。骨架曲线可以表现出5种损伤状态的位移延性水平。
通过对比1号试件（现浇墩柱）和2号试件（预制墩柱）的骨架曲线以及抗震性能参数，从发生屈服时的位移和屈服力可知，现浇墩柱相对于预制墩柱的抗震性能仍有一定优势，但是从屈服位移的角度看几乎一致，但对应的屈服力却小25%左右。在试件的完全破坏时，反而出现了预制墩柱的破坏位移较现浇墩柱的破坏位移大，这主要时由于现浇墩柱的连接方式完全为刚接，而预制墩柱的连接属于半刚接状态，因此预制墩柱的破坏位移较大;同样，预制墩柱的破坏力要比现浇墩柱的小，说明从受力角度考虑，预制墩柱的抗震性能仍然要弱于现浇墩柱。但从总体分析考虑，预制墩柱的抗震性能与现浇墩柱较为接近。
4 结语
综上诉述，对灌浆套筒连接接头进行对中单向拉伸试验，试件屈服强度和抗拉强度试验结果均符合要求;对于采用灌浆套筒连接构造的预制墩柱和现浇钢筋混凝土墩柱进行对比试验，从位移延性及耗能能力等角度看，采用灌浆套筒连接构造的预制墩柱与现浇钢筋混凝土墩柱具有相近的抗震性能。
参考文献
[1] 王文炜，周畅，薛彦杰，等.外置耗能钢板预制拼装桥墩抗震性能研究[J].湖南大学学报：自然科学版，2020，47（9）：57-68.
[2] ZAFAR MUHAMMAD NAVEED， SALEEM， MUHAMMAD AZHAR， XIA JUN， et al. Experimental Characterization of Prefabricated Bridge Deck Panels Prepared with Prestressed and SustainableUltra-HighPerformanceConcrete[J].APPLIEDSCIENCES-BASEL，2020，10（15）：1-16.
[3] 陈雨阳.预制装配式铁路波形钢腹板连续梁桥标准化设计及力学性能研究[D].合肥：合肥工业大学，2020.
[4] 張胜龙.铁路隧道预制装配式衬砌接头力学性能及选型研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2020.
[5] 唐政.预制装配式桥梁在城市公路中的应用[J].低温建筑技术，2019，41（3）：56-59.
[6] 向华.预制装配式钢筋混凝土涵洞的应用[J].交通世界，2018（16）：102-103.
关键词：装配式桥梁 预制墩柱 灌浆套筒连接 施工工艺 力学性能
中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）02（c）-0052-03
Analysis of Construction Technology and Mechanical Properties of Prefabricated Bridge Piers
CHEN Hong
（Hohhot Municipal Engineering Administration Bureau， Hohhot， Inner Mongolia Autonomous Region， 010000 China）
Abstract： This paper takes Zhelimu road reconstruction and upgrading project of Zhaowuda road as an example， fully considering the premise of prefabricated bridge construction in seismic fortification intensity 8 area， taking prefabricated bridge pier column as the research object， this paper seriously studies the construction technology and experience of prefabricated structure in Shanghai and other domestic cities， and explores the implementation in high cold， high intensity and central urban areas In the process research of prefabricated bridge engineering， the mechanical characteristics of prefabricated component connection are studied through the pull-out test of the steel base material of the connector and the compression test of the grouting material; the seismic performance of prefabricated pier connected by grouting sleeve is compared with that of the pier of traditional cast-in-place technology through the pseudo static test.
Key Words： Fabricated bridge; Prefabricated pier column; Grouting sleeve connection; Construction technology; Mechanical properties
本文以全国首例高寒高烈度地区实施的装配式高架桥梁工程、内蒙古自治区首例装配式高架桥梁工程——昭乌达路哲里木路改造提升工程为实例进行研究，充分考虑在抗震设防烈度8度区域进行装配式桥梁施工的前提，以预制装配式桥桥梁的预制墩柱连接构件灌浆套筒为主要研究对象，对预制装配式墩柱的施工工艺以及力学性能进行研究分析。
1 装配式墩柱连接工艺
装配式墩柱的连接方式主要有灌浆金属波纹管连接、灌浆套筒连接、插槽式连接、承插式接缝连接、预应力筋连接、混合式连接等连接方式[1-2]。其中，灌浆金属波纹管连接方式由于需外伸较长的钢筋，墩柱运输不方便，且只适用于在低地震烈度区域应用;灌浆套筒连接方式通过灌浆料的连接作用实现预制墩柱钢筋与预埋灌浆套筒有效连接，可提供较强的整体稳定性和抗地震能力，相对于灌浆金属波纹管连接方式因其只需较短的外伸钢筋，因此具有运输的便捷性;插槽式连接方式施工工艺的要求较低，可靠性较低，外伸钢筋的长度较长，不适用于进行长距离运输;承插式接缝连接方式施工技术和施工工艺较为简单，在施工过程中可以有较大的施工差异，施工的精度要求较低;预应力筋连接方式在施工过程中因需对预应力筋进行穿束、张拉、灌浆等操作，施工技术难度大，施工周期长;混合式连接方式的最大特点是抗震性能比较好，由于预应力筋提供了较强的自复位能力，大大减小了结构的震后残余变形。但预应力筋也增加了造价，且如果预应力筋采用后张法施工，则会使现场施工变得复杂，施工工期较长[3-4]。
2 装配式墩柱施工工艺选择
昭乌达路哲里木路改造提升工程位于呼和浩特市主城区，且呼和浩特市位于高寒、高烈度地区。实施装配式桥梁工程施工，主要应考虑以下几点因素。一是中心城区施工问题，呼和浩特目前交通拥堵严重，在中心城区施工需具备施工速度快、周期短、交通影响小、居民生活影响小;二是预制装配式构件的预制构件厂需要较大施工场地（占地约500亩），因此预制构件厂需安排在距离中心城区较远的郊区，预制构件厂距离施工现场的距离最长约20km，所有预制构件需进行长距离运输;三是呼和浩特市属于高寒、高烈度地区，具备施工的施工周期较短，结构抗震性能要求高[5-6]。 综合上述影响因素，昭乌达路哲里木路改造提升工预制装配式墩柱连接工艺采用目前国内采用较多、技术较成熟、可靠性高的灌浆套筒连接技术。
3 墩柱预埋件力学性能研究
3.1 钢筋套筒灌浆接头对中单向拉伸试验
为了确保昭乌达路哲里木路改造提升工程钢筋套筒灌浆连接接头的力学性能，对钢筋套筒灌浆连接接头进行抗拉强度试验。
本试验（见图1）采用的灌浆套筒为球墨铸铁全灌浆套筒，采用的钢材牌号为HRB400，钢筋公称直径为40mm，样品状态为端头切平、接头符合要求，试验检测依据为《钢筋机械连接技术规程》，检测设备为WEW-2000微机屏显示液压万能试验机（SFSB04-013）。
通过对灌浆套筒连接接头进行对中单向拉伸试验，试验结果（见图2）表明，试件屈服强度平均值为465MPa，满足标准要求的大于400MPa，符合要求;抗拉强度平均值为630MPa，满足标准要求的大于540MPa，符合要求。
3.2 桥梁抗震试验
为了能够对比现浇墩柱和预制墩柱的抗震力学性能，在实验室设计了现浇墩柱和预制墩柱两个试件进行加载试验。为了方便记录，将现浇墩柱作为基础墩柱，编号为1号，将预制墩柱作为研究和对比墩柱，编号为2号。
试验研究结构从试件的出现裂缝、发生屈服、开始形成塑性铰、完全形成塑性铰以及破坏等5种状态对试件的损伤进行描述。损伤级别分别对应为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。
图3为1号试件和2号试件为通过拟静力试验后得到的骨架曲线，通过曲线可发现，试件的初始刚度、承载力、延性变形等抗震性能可以较好的反映。骨架曲线可以表现出5种损伤状态的位移延性水平。
通过对比1号试件（现浇墩柱）和2号试件（预制墩柱）的骨架曲线以及抗震性能参数，从发生屈服时的位移和屈服力可知，现浇墩柱相对于预制墩柱的抗震性能仍有一定优势，但是从屈服位移的角度看几乎一致，但对应的屈服力却小25%左右。在试件的完全破坏时，反而出现了预制墩柱的破坏位移较现浇墩柱的破坏位移大，这主要时由于现浇墩柱的连接方式完全为刚接，而预制墩柱的连接属于半刚接状态，因此预制墩柱的破坏位移较大;同样，预制墩柱的破坏力要比现浇墩柱的小，说明从受力角度考虑，预制墩柱的抗震性能仍然要弱于现浇墩柱。但从总体分析考虑，预制墩柱的抗震性能与现浇墩柱较为接近。
4 结语
综上诉述，对灌浆套筒连接接头进行对中单向拉伸试验，试件屈服强度和抗拉强度试验结果均符合要求;对于采用灌浆套筒连接构造的预制墩柱和现浇钢筋混凝土墩柱进行对比试验，从位移延性及耗能能力等角度看，采用灌浆套筒连接构造的预制墩柱与现浇钢筋混凝土墩柱具有相近的抗震性能。
参考文献
[1] 王文炜，周畅，薛彦杰，等.外置耗能钢板预制拼装桥墩抗震性能研究[J].湖南大学学报：自然科学版，2020，47（9）：57-68.
[2] ZAFAR MUHAMMAD NAVEED， SALEEM， MUHAMMAD AZHAR， XIA JUN， et al. Experimental Characterization of Prefabricated Bridge Deck Panels Prepared with Prestressed and SustainableUltra-HighPerformanceConcrete[J].APPLIEDSCIENCES-BASEL，2020，10（15）：1-16.
[3] 陈雨阳.预制装配式铁路波形钢腹板连续梁桥标准化设计及力学性能研究[D].合肥：合肥工业大学，2020.
[4] 張胜龙.铁路隧道预制装配式衬砌接头力学性能及选型研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2020.
[5] 唐政.预制装配式桥梁在城市公路中的应用[J].低温建筑技术，2019，41（3）：56-59.
[6] 向华.预制装配式钢筋混凝土涵洞的应用[J].交通世界，2018（16）：102-103.