公路預制拼裝橋墩試驗模型施工及加載方法研究

顏 暉

（安徽省舒城縣公路服務中心，安徽 六安 237000）

0 引言

橋梁在交通基礎設施建設及道路交通中是不可或缺的，早期城市橋梁抗震設計中，主要是基于結構承載能力的抗震設計，單純依靠強度進行抗震設防，但這種設計方法會導致橋梁在地震后整體倒塌。為了解決這個問題，人們提出了延性抗震設計理論以及能力保護設計方法，通過延性設計避免結構在強震下發生倒塌，一定程度地保證了橋梁安全。通過合理運用預制拼裝橋墩施工技術，不僅可以解決高寒高海拔地區難以澆筑養護等困難，還可對環境保護起到一定的積極作用。

美國20 世紀70 年代就引入了第一座節段拼裝橋梁——約翰·菲茨杰拉德·肯尼迪大橋，在此之后，預制構件被中低烈度地區廣泛應用[1-2]，學者通過試驗、有限元模擬等分析對預制構件進行了一系列研究。節段拼裝橋墩是通過在預制工廠預制構件運輸至現場進行拼接完成施工，預制橋墩的構件質量可以得到保障，但其存在抗震性能較差等問題[3-4]，由于試驗和理論的不完善，使得預制橋墩在高地震烈度設防地區使用較少[5]。

基于上述問題，各國學者對預制橋墩進行了一系列研究，例如為了增強橋墩的耗能能力在墩底增設鋼條支撐耗能裝置[6]；通過增設內置耗能鋼筋的方式以提高橋墩的耗能能力，雖然配筋率越高橋墩的耗能能力越強，但自復位能力會隨之減弱[7]；預應力筋的設置可以增強預制橋墩的自復位能力，但橋墩的耗能能力會相應減小[8]；半現澆半預制節段拼裝橋墩震后殘余位移較小，合理確定預制橋墩各參數可有效提高橋墩抗震性能[9]。預制構件的研究使得越來越多的問題得以解決[10-11]。綜上所述，在預制拼裝橋墩中，可通過預應力鋼絞線一定程度地減小預制橋墩殘余位移、增大預制橋墩的自復位能力；通過增加耗能鋼筋來彌補預制拼裝橋墩耗能不足的缺陷[12]；合理設置預制構件的參數對其設計及施工較為重要。

雖然已有試驗對預制拼裝橋墩進行了抗震性能分析，但學者并未對試件的施工過程、加載過程、注意事項以及加載方案等開展深入研究。由于試驗場地及試驗器材等限制，大多數試驗試件為縮尺模型，所以本文主要探討預制拼裝橋墩大比例縮尺試件施工要點，為學者對預制拼裝橋墩的進一步試驗研究提供參考。

1 試件概況

考慮到高寒高海拔地區公路橋梁的混凝土澆筑養護困難以及如今社會對快速施工的需求，本文對已經開展的試驗研究進行進一步深入討論，根據試驗中試件的施工過程展開闡述。試件由剛性基礎、墩身、加載端組成，該試驗墩身由四個節段組成。

2 預制拼裝橋墩的特點

2.1 周期短

預制拼裝橋墩各部件均可以在工廠預制生產，極大程度地減小了施工困難[13]，解決了高寒高海拔地區在冬季混凝土養護困難的問題，便于規格化施工。在城市中施工時，可以減少施工時長，從而減少施工帶來的交通阻塞及經濟損失?？傮w而言，與現澆橋墩相比，預制拼裝橋墩施工更加便捷，質量控制能夠更好地得到保證，能夠進一步滿足橋梁施工要求，并滿足社會的快速發展需求。

2.2 利于環保

預制拼裝橋墩各部件的生產均具有較高的自動化水平，生產條件較為穩定，并且每一個步驟都有細致的施工管理流程，可以減少工程廢料的產生；預制工廠大多遠離城市中心，有利于保護城鎮環境。

2.3 整體性好

預制拼裝橋墩中配置縱向耗能鋼筋，提高其耗能能力；配置預應力筋，增強其自復位能力；若為多節段拼裝，則在節段間合理設置剪力鍵，提高其節段間的抗剪承載能力。

綜上所述，由于剪力鍵、預應力筋、縱向耗能鋼筋等的存在，增強了預制拼裝橋墩的整體性，并且在各部件的配合作用下，預制橋墩的抗震性能大幅提升。

3 預制拼裝橋墩試件的施工過程

3.1 施工準備

在預制裝配式拼裝橋墩試件施工期間，負責人員要做好準備工作，研究人員提前對圖紙進行分析，做好有限元模型的模擬工作，給出可行性報告，并深入到施工作業中監督施工，直到運輸拼裝。主要步驟為：模板制作→鋼筋安裝→混凝土澆筑等。

3.2 現場安裝過程

預制拼裝橋墩運送到現場安裝，在安裝前應進行全面檢查，之后開始拆模、拼裝，構造圖如圖1 所示。加載端、墩身均留有豎向貫通耗能縱筋孔道及預應力筋孔道，基礎內置耗能縱筋，以便于墩身與基礎之間的拼接對位以及耗能縱筋連接；墩底節段底部無預留卯洞，通過預留耗能縱筋的孔道直接與基礎預留縱筋對墩身進行對位；墩身上一節段的底部預留卯洞與下一節段頂部的剪力鍵定位相連；墩頂節段與加載端并非研究的主要部分，所以大多數試驗研究中墩頂節段與加載端為整體澆筑而成；試件頂部與底部均留有預應力筋錨具槽，為張拉預應力筋及其錨具的放置提供足夠空間；加載端在加載方向留有孔距及尺寸與作動器連接件相對應的加載連接孔，以通過連接件與作動器相連；為施工便捷、增強耗能能力與整體性，各節段間耗能鋼筋可以用灌漿套筒或錐套筒的方式進行連接。

圖1 試件拼裝構造

試件配筋率及配箍率均滿足《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01—2020）[14]要求。試件的各節段設置貫通通道，目的是拼裝時配設縱向耗能鋼筋。

試驗所用試件制作及拼裝過程如圖2 所示，拼裝過程為：將各節段按照對位剪力鍵依次拼裝，拼裝完成后放置縱向耗能鋼筋，之后在預應力孔道放置鋼絞線并對其進行張拉，用錨具錨固在預留的鋼絞線錨具槽中，對耗能鋼筋預留孔填充高強砂漿。

圖2 試件制作與拼裝

3.3 注意要點

（1）節段間有剪力鍵和卯洞的存在，各部件對位時應注意，以免吊裝時對剪力鍵造成損傷。

（2）灌漿套筒與縱向耗能鋼筋應按照節段順序逐個對其進行施工，以提高其整體性與耗能能力。

（3）在預制拼裝橋墩構件施工過程中，若構件對位精度控制不準確，容易出現較大的誤差，研究人員在每一步施工過程中應及時對橋墩水平向位置進行調整，以免產生較大的水平扭轉偏移量。

4 加載方案研究

4.1 試驗裝置

試驗加載裝置如圖3 所示，墩柱豎向施加恒載。根據已有大量研究表明，軸壓比一般控制為10%～40%，水平作動器的選擇則是由有限元模型做相應的模擬來預估橋墩最大水平承載能力來確定，大多數試驗對于作動器的選擇為500kN 或1000kN。

圖3 擬靜力試驗加載設置

4.2 加載制度

試驗的豎向荷載一般由上部荷載和預應力兩項提供。豎向荷載一般由油壓泵控制，誤差一般需要控制在5%以內，以免出現承載力發生滑移增大的現象，導致數據錯誤。預制橋墩中由預應力筋施加的軸壓比一般宜在7%～10%之間[15]。

本文闡述的預制拼裝橋墩低周往復試驗方案水平向加載全程均采用位移控制的加載方式，如圖4 所示。加載初期的水平漂移比（即加載位移與加載縱向高度之比）為0.125%、0.25%、0.5%，考慮到加載初期的加載位移比較小，加載速率為慢速加載，每級循環加載兩次；漂移比從1%開始，每級增長0.5%且每級循環加載改為三次。在每級循環加載的最后一次循環時，進行裂縫、現象記錄與拍照等工作，然后繼續加載，直至水平承載力下降到最大水平承載力的85%[16]時結束加載。

圖4 水平加載制度

4.3 數據采集方案

用于采集、測量的儀器主要包括采集箱、位移計、應變片等。應變片在縱向耗能鋼筋上布置，每根鋼筋均布置應變片，檢測試驗過程中縱向耗能鋼筋是否屈服。在底部基礎水平方向布置位移計，以測量基礎與地面發生相對滑移；在節段接縫處布置水平向拉線式位移計，以測量接縫處的水平位移；在兩側豎向布置千分表，布置千分表的目的是測量各節段間接縫的張開程度以及墩底塑性鉸區裂縫的開裂程度，并求得曲率變化。

5 結語

綜上所述，本文對公路預制拼裝橋墩試件施工方法、注意事項及試驗加載方案進行闡述和分析，例如合理控制拼裝時的誤差、注意事項、灌漿套筒或錐套筒的放置、水平及豎向加載制度等，以有效提高公路預制拼裝橋墩試件的施工質量，并為各學者的試驗研究提供參考。