半裝配式RUHPC-RC組合橋墩設計與施工方法研究

胡玉庫, 周娉婷, 歐智菁, 黃俤俤

(1.福建省公路事業發展中心，福建 福州 350001； 2.福建工大巖土工程研究所有限公司，福建 福州 350014；3.福建工程學院 土木工程學院，福建 福州 350118)

0 引言

橋梁預制拼裝技術是我國橋梁工程領域的發展方向之一，其順應我國建筑工業化建設背景，具有構件標準化(模塊化)生產、質量易于控制、節省材料、外觀質量和耐久性好、施工快速等特點，符合國家提倡的低碳、綠色、環保理念，特別適用于救援工程、市政工程等[1-4]。與此同時，橋梁的耐久性已引起工程界的廣泛重視，當前大量傳統RC橋墩出現嚴重腐蝕、沖刷等病害，亟需能實現墩身有效防護的新結構。半裝配式RUHPC-RC新型組合橋墩，以預制的RUHPC(配筋的超高性能混凝土)為模板，內澆普通鋼筋混凝土，形成半裝配式的RUHPC-RC組合橋墩。與傳統的鋼筋混凝土橋墩相比，新型半裝配式RUHPC-RC組合橋墩采用強度高、耐腐蝕、抗裂能力強的預制RUHPC，能顯著提高橋墩的耐久性、抗裂能力等受力性能[5-7]，且預制RUHPC節段便于現場拼裝，無需拆模，施工快速，適合于中等跨度和墩高的市政橋梁和公路橋梁，尤其適用于跨海大橋或處于惡劣環境條件(陡坡、深水等)下的山區橋梁，預期可大幅度降低橋墩的養護成本和全壽命周期造價，綠色環保，具有較廣闊的工程應用前景。

近年來，國內外研究者結合實際工程對UHPC組合柱開展了受壓性能和抗震性能試驗研究。研究發現，未配筋的UHPC預制管混凝土組合柱，在軸壓作用下，其UHPC外套因裂縫擴大而撕裂導致與核心混凝土分離，不能充分發揮組合柱的整體受力優勢[8]。因此有部分學者提出對UHPC預制管進行適量配筋布置，東南大學彭振[9]進行了高強箍筋增強UHPC管組合圓柱的軸壓試驗研究，試驗結果表明，由于高強箍筋和UHPC管的共同作用，使得荷載-應變曲線得以再次發展，峰值荷載、延性等都有明顯提升。華南理工大學楊醫博等[10]為研究提升混凝土結構的耐久性，對配筋UHPC作為短柱的免拆外模開展軸壓試驗研究，結果表明配筋UHPC方柱和圓柱的開裂荷載均超過自身極限荷載的85%，抗裂性能較強，延性較好，剛度提升。從方柱和圓柱破壞形式對比分析可知，圓柱在受力性能方面更優，更適合于實際工程的應用。Ichikawal等[11]對節段UHPC預制殼壁加固RC組合墩開展了雙向擬靜力試驗，結果表明組合墩形式能明顯提高極限承載力、延性和耗能能力。福建工程學院顏建煌[12]針對配筋UHPC預制管混凝土組合墩柱，以UHPC預制管配箍率、偏心率、長細比等為試驗參數，進行了組合柱的軸壓和偏壓試驗研究，探討了組合柱的軸偏壓受力性能、套箍作用和破壞模式等，并結合有限元參數分析結果，研究了各參數對組合柱承載力的影響規律，建立了適合工程應用的配筋UHPC預制管混凝土組合柱極限承載力實用算法。

綜上所述，國內外學者對該類組合柱的靜動力性能和承載力算法等開展了一系列理論研究，并取得相應進展，但關于RUHPC-RC組合橋墩的施工方法和關鍵施工技術尚未有深入研究，未總結施工工法，這給實際工程應用帶來一定困難和風險，為此本文以某跨海大橋為依托工程，對其引橋墩柱結構進行試設計，并重點研究組合橋墩結構的材料選擇、施工流程和工藝要求，為今后同類工程施工提供有益參考。

1 工程概況與試設計

1.1 工程背景

某跨海大橋全長4976m，設計速度為80km/h，雙向四車道，采用公路I級設計荷載。本文以其引橋橋墩為背景，橋跨布置為8×(4×50)m+2×(5×50)m。橋墩形式為實體花瓶墩，尺寸為6.0 m×2.0m，采用現澆C40海工混凝土；橋墩基礎形式為鉆孔灌注樁，采用C35海工混凝土澆筑。

1.2 組合墩試設計

以該跨海大橋為依托工程，進行引橋的組合橋墩試設計。根據文獻[12]軸壓和偏壓試驗研究結果，圓形截面RUHPC預制管混凝土組合橋墩在受壓過程中，預制管對核心混凝土發揮了較明顯的套箍作用，同時柱墩采用圓形截面，其水流特性最佳、受力性能最優，因此試設計采用圓形截面橋墩。

RUHPC-RC組合橋墩墩高為6 m，分為兩節段，采用上下錯縫接頭，外徑設計為300 cm，UHPC模板壁厚設計為10 cm，UHPC抗壓強度選取120 MPa，核心混凝土標號為C30。組合墩內(RUHPC預制管和RC柱)箍筋為C10@100，且兩端箍筋加密；縱筋為36C28，混凝土保護層厚度為20 mm，組合橋墩橫截面如圖1所示，設計參數建議取值范圍見表1。

圖1 組合橋墩試設計構造(單位：cm)

表1 組合橋墩試設計參數建議取值范圍參數類型UHPC強度等級/MPaRUHPC管厚度/cm縱向鋼筋直徑/mm箍筋直徑/mm配箍率/%建議范圍120～1608～1226～328～120.5～2.6試設計取值1201028100.5

1.3 組合橋墩受力機理

對RUHPC-RC組合橋墩試件軸偏壓試驗研究和理論分析成果進行梳理和總結，具體如下：

1)RUHPC-RC組合橋墩試件在軸壓作用下的破壞模式主要表現為中上部RUHPC保護層局部剝落、構造鋼筋屈服；從頂部觀察RUHPC預制管與核心混凝土之間的結合面完好，兩者共同受力，構件整體破壞且核心混凝土未出現明顯的壓碎現象。

2)RUHPC-RC組合橋墩試件在受壓前期，RUHPC預制管對管內核心混凝土的約束效應不明顯，隨著荷載增大至極限承載力的80%～90%時，組合材料的泊松比逐漸大于0.2且不斷提高，說明受力中后期RUHPC預制管對內部混凝土的緊箍效應開始發生作用，且不斷增大。組合橋墩的極限承載力大于RUHPC預制管受壓承載力與核心混凝土受壓承載力之和。

1.4 組合橋墩承載力驗算

福建工程學院陳瑋悅等[13]進行了半裝配式RUHPC-RC組合墩柱的承載力試驗研究，分析了組合柱的受壓性能和破壞機理，在試驗研究基礎上，結合有限元拓展參數分析結果，提出了適合工程應用的半裝配式RUHPC-RC組合墩柱承載力的計算方法，如式(1)～(6)。以1.2節中的試設計橋墩為計算對象，采用上述方法進行承載力驗算，組合橋墩的極限承載力高于受壓組合設計值，符合驗算要求。

軸壓柱極限承載力：

Nu=R(Nc+NUHPC)

(1)

Nc=0.9(cΑc+′yA′s)

(2)

NUHPC=Aufu

(3)

(4)

偏壓柱極限承載力:

Ne=φeNu

(5)

(6)

可得

Nu=R(Nc+NUHPC)=1.06×

(1.23×105+2.01×104)kN=

1.52×105kN

e0/rc=0.173<1.55

Ne=φeNu=0.757 5×1.52×105kN=

1.15×105kN>1.79×104kN

式中：Nu為組合墩柱極限承載力；Nc為鋼筋混凝土墩柱極限承載力；NUHPC為RUHPC預制管極限承載力；R為軸壓承載力提高系數；Ac為內部混凝土橫截面面積；fc為內部混凝土軸心抗壓強度設計值；A′s為鋼筋橫截面面積；f′y為鋼筋抗壓強度設計值；Au為RUHPC預制管橫截面面積；fu為UHPC軸心抗壓強度設計值；D/t為徑厚比；ρh為預制管配箍率；φε為偏壓折減系數；e0為截面偏心距；rc為鋼管內混凝土截面的半徑。

2 組合橋墩施工流程

半裝配式RUHPC-RC組合橋墩是由預制蓋梁、半裝配式墩柱、現澆混凝土承臺與樁基礎組成的橋梁下部主要承重構件。其中半裝配式墩柱以預制的RUHPC為永久模板，內澆普通鋼筋混凝土形成。

該類組合橋墩施工的工藝原理如下：①首先在工廠采用離心機進行RUHPC預制管(頂部和底部預留鋼筋)的制作，并利用定型鋼模進行混凝土蓋梁預制，墩頂蓋梁內預埋鍍鋅波紋管；②然后進行高強度預應力管樁樁基施工；③再進行混凝土承臺現澆施工，樁基與承臺間通過鋼筋連接；④將承臺預埋鋼筋和墩柱鋼筋相綁扎，承臺頂部預埋金屬波紋管與RUHPC預制管的延伸鋼筋進行連接；⑤金屬波紋管灌漿并澆筑預制管內核心混凝土，以實現承臺與半裝配式墩柱的連接；⑥最后墩柱的頂部預留鋼筋插入蓋梁內金屬波紋管一定長度，采用灌漿金屬波紋管連接。具體的工藝流程如圖2所示。

圖2 組合橋墩施工工藝流程

3 組合橋墩施工關鍵技術

3.1 RUHPC預制管澆筑

為了提高預制管制作的效率，在工程實際中采用離心法工藝生產預制管。離心法生產RUHPC預制管的工藝參考國家規范《環形混凝土電桿》(QB/T 4623-2006)，并根據UHPC的特性對其進行適當修改，以保證制作出來的預制管材性滿足工程要求。制作工藝分為以下步驟：鋼筋籠綁扎、UHPC攪拌、入模和澆筑、合模、離心成型、蒸汽養護、RUHPC預制管脫模等。

離心成型的方式為托輪式離心成型，其構造簡單、操作方便。離心制度包括離心速度和離心時間，確定合適的離心制度使UHPC達到一個均勻的分布狀態，同時保證UHPC表面光滑、細膩柔韌，且密實性良好，不產生流動或崩塌。建議采用4階段速度的離心制度。第1階段為慢速，由于存在離心力，因此UHPC混合料能夠在模具內均勻分布并形成RUHPC預制管的雛形，時間為2～3min；第2階段為中速，目的是使UHPC混合料更加分布均勻，時間為2～3min；第3階段為變速，是為了能事前防范轉變的過程中離心力的猛增，時間為1～1.5 min；第4階段為高速，主要作用是使UHPC能密實成型，是RUHPC預制管離心成型的關鍵，時間控制在7～8 min。

3.2 RUHPC預制管養護

RUHPC預制管蒸汽養護期間，應對其進行溫度監控，定時測定預制管內部、表面以及環境溫度和相對濕度等環境參數要求，并根據其參數的變化情況及時調整養護方案，嚴格控制RUHPC預制管的內外溫差以滿足要求。

采用蒸汽養護時，應分為4階段養護，即靜停、升溫、恒溫、降溫，并且監測人員每30 min監測一次。預制管成型后的靜停時間宜超過2 h，升溫速率宜低于25 ℃/h，降溫速率宜小于20 ℃/h，最高溫度與恒溫溫度宜控制在65 ℃左右；當表面溫度與外界溫度之差小于20 ℃時，預制管方可完成養護。

蒸汽養護的棚罩在整個養護過程中應保持封閉，不應出現大面積漏氣現象。降溫前應保持溫度恒定不變，如有變化，其幅度不宜超過±3 ℃。蒸養結束后應繼續對預制管表面進行覆蓋土工布保濕養護，短時間內應滿足預制管保濕養護的最低期限要求，待預制管達到設計強度后方可終止保濕養護。

3.3 RUHPC預制管運輸吊裝

RUHPC預制管在運輸過程中應確保其支承措施牢固可靠，并處于平穩狀態，在到達施工現場后，采用鋼絲繩對預制管綁扎固定后進行吊裝。RUHPC預制管吊裝前將接頭處的雜物清理干凈，將定位軸線和預制管的中心線畫上標志。采用鋼絲繩對其進行綁扎固定，并實施一點吊裝。在吊裝時應注意減少吊裝荷載作用下的變形(吊點的位置應驗算預制管本身的承載力和穩定性后確定)。吊裝預制管時應將其上口包封防止異物落入管內。預制管吊裝就位后應立即進行校正并采取臨時固定措施以保證構件的垂直度和穩定性。

3.4 RUHPC預制管拼裝連接

當RUHPC預制管長度較大時，應采用節段拼裝方式。預制管節段進行拼裝前，應確保斷面干凈無雜物，對表面進行處理后保持其接口干燥；對節段拼接縫進行測量，保證連接準確無誤；精準測量結果無誤后，在節段表面刷環氧黏結劑，通過金屬波紋管對RUHPC預制管節段進行拼裝；為確保拼接質量，精確調整垂直度和標高，通過波紋管內灌漿完成RUHPC預制管拼裝。

3.5 核心混凝土澆筑

用混凝土泵車進行預制管內混凝土的澆筑并進行振搗。當預制管直徑超過0.35 m時，采用內部振搗器振搗。每次振搗時間不少于30 s，單次澆灌高度不宜大于2 000 mm。

4 組合橋墩連接技術

RUHPC-RC組合橋墩施工質量主要取決于墩柱與承臺、墩柱與蓋梁的連接效果，以下從這兩方面具體介紹施工要點。

4.1 墩柱與承臺連接

承臺預埋鋼筋與墩柱鋼筋進行綁扎，承臺頂部預埋金屬波紋管與RUHPC預制管的延伸鋼筋進行連接；連接金屬波紋管灌漿并澆筑預制管內核心混凝土，以實現承臺與半裝配式墩柱的連接。圖3為墩柱與承臺連接示意圖。

圖3 墩柱與承臺連接示意

承臺施工時應嚴格控制墩柱與承臺連接面的精準度；坐標及標高偏差允許±2 mm，拼裝前應對其進行復測。承臺混凝土澆筑前后應對預留鋼筋、金屬波紋管定位進行檢查，偏差允許值為±2 mm。

RHUPC預制管與承臺拼裝前應對匹配度進行檢查，并對外露鋼筋進行除銹處理。在拼接縫位置，承臺上應布置砂漿墊層。RHUPC預制管拼裝就位后應設置臨時支承措施防止傾覆。管頂面與管內混凝土的接觸位置均勻涂刷環氧黏結劑，厚度宜為1～3 mm，涂刷時間不大于30 min，涂刷前后均應采取防雨雪措施。

4.2 墩柱與蓋梁連接

應在專用胎架上制作加工蓋梁鋼筋籠，為保證受力鋼筋不變形，應布置支撐定位體系。蓋梁模板宜采用鋼模板且應進行專項設計，鋼模板厚度大于10 mm。蓋梁混凝土應一次性澆筑完成，澆筑時宜先行澆筑金屬波紋管內灌漿料。圖4為墩柱與蓋梁連接示意。

圖4 墩柱與蓋梁連接示意

蓋梁吊裝前將蓋梁底部的超出部分切除并確保蓋梁底面平整，檢查墩柱頂面平整度，確保接觸面平整并在環面上涂刷環氧砂漿調平層，安裝過程中用兩臺經緯儀監控蓋梁的豎直度和水平度。豎直度與墩柱軸線重合，水平方向與豎向軸線垂直。預制蓋梁與組合墩柱頂面之間采用砂漿墊層調整。砂漿墊層應及時進行養護。墩柱的頂部預留鋼筋插入蓋梁內金屬波紋管一定長度，采用灌漿金屬波紋管連接。

5 結論

本文以某跨海大橋為背景工程，進行半裝配式RUHPC-RC組合橋墩試設計，分析了組合橋墩的受力機理、設計驗算方法、施工關鍵技術和質量控制要點，研究的主要結論如下：

1)介紹了半裝配式RUHPC-RC組合橋墩的主要設計參數取值及材料選擇，并對橋墩結構的極限承載力進行設計驗算，驗算結果滿足設計要求。

2)梳理了半裝配式RUHPC-RC組合橋墩的工藝原理和施工流程，詳細介紹了RUHPC預制管澆筑與養護、預制管運輸吊裝與拼接以及核心混凝土澆筑等施工關鍵技術。

3)探討了半裝配式RUHPC-RC組合橋墩的連接技術，可有效保障墩柱與承臺、墩柱與蓋梁的施工質量與連接效果。

4)本文較為系統地總結了半裝配式RUHPC-RC組合橋墩施工方法，可實現快速施工、質量可控和節約材料，對同類項目的施工可起到一定的參考作用，預期可產生良好的經濟、社會和環境效益。