摘要：基于目前公路桥梁建设的绿色生态理念及工业化建造技术，阐述了装配式桥墩的设计要点和关键问题。分析了装配式桥墩墩身节段设计构造的标准化，以及墩身连接方式的标准化，通过同一规格的构件提高工厂预制及现场拼接效率。探讨了装配式桥墩与承台连接以及预制桥墩抗震两个关键设计问题，说明了目前的设计构造技术可以保证其连接与抗震的安全性。
关键词：装配式桥墩；设计要点；关键问题；工业化建造
引言：随着工业化4.0的发展，绿色生态公路建设的理念得到贯彻，公路桥梁建设需要将传统的粗放型建设方式向集约型发展。传统的公路建设往往在现场搭设支架进行现浇施工，这不仅需要较多的施工人员和机械设备在现场操作，还需要合理地调配各方面资源和进度，给施工管理带来很大的困难，使得施工质量和施工安全往往难以满足，同时现场施工给环境带来很大的影响。工业化4.0的发展要求充分利用机械设备和信息手段，具体在桥梁建设中的应用就是减少现场作业量，将梁体施工放在标准化的工厂流水线工艺上，既能够保证梁体预制质量又能够显著提高效率，现场仅需要大型吊装设备进行安装施工，极大地减少现场操作人员从而减少施工安全隐患并减少对环境影响。为了适应公路桥梁的工业化建设道路，往往采用“工厂预制+现场拼装”的装配式桥梁结构体系，以往的设计实践主要是装配式桥跨结构，目前装配式墩柱结构也在设计尝试和应用。装配式桥墩通过在工厂预制桥墩标准块段，现场通过机械进行桥墩标准件的连接与安装，可以显著提供现场施工效率和施工质量。桥墩的受力特性与桥跨结构显著不同，桥墩主要以承压为主，同时要求墩柱结构具有较好的延性和稳定性以抵抗突发地震荷载的作用。正是由于墩柱以受压为主的明确受力特点，开展桥墩结构的预制装配式建造工艺，更具有广阔的应用前景。本文详细分析了装配式桥墩的设计要点和关键问题，首先归纳了桥墩标准节段设计和节段连接标准化的设计要点，说明装配式桥墩与工业化建造的匹配性；其后研究了装配式桥墩设计的两个关键问题，即桥墩与墩台连接和装配式桥墩抗震，总结了设计需要考虑的事项。
1 装配式桥墩的设计要点
装配式桥墩的核心问题包含标准化设计、工厂化制造与现场机械化安装三个内容[3]。标准化设计要求将墩柱结构进行节段构造的标准化分块，以利于工厂流水线式的制造加工，通过少量模板系统就能够涵盖所有的墩柱节段；工厂化制造要求确定构件质量检验标准，确定模板系统和流水线加工流程，通过在预制厂将各种资源的有力配合提高制造加工的效率，同时提高生产的质量；现场机械化安装则应该制定明确的施工流程，以利于机械自动化操作，减少现场人工作业量，同时需要制定质量检验标准和质量管控措施，及时调整施工偏差，保证墩柱连接的完好。上述三个过程相互联系与影响，对于设计而言就是使得设计桥墩节段具有标准化规格，且墩身节段之间的连接可以标准化设计。
1.1 墩身节段的标准化设计。装配化的目的是实现工业化流水线式生产，这需要产品的高度统一和标准化。不仅尺寸外形需要统一，而且构造局部也要统一，这样可以通过少量的模板生产出成批的预制产品，不仅能够保证流水线式的生产制造效率，还能更方便地进行质量管控。桥墩结构也是一样，应该在充分掌握桥墩受力性能的要求上，考虑施工流程的便易性，将产品进行标准化设计，例如根据桥墩截面型式总体划分实心截面、空心截面和过渡截面，通过几个规格的截面与构造型式形成整个桥墩的设计，这是基于构件在满足受力要求的前提下尽可能进行标准化设计与构造，降低设计工作量，也提高了施工建设的效率。
1.2 连接构造的标准化设计。连接的标准化则可以很大程度降低现场的工作量。现场操作时只需要采用标准化的产品进行连接即可满足结构受力性能的要求。桥墩结构一般为钢筋混凝土类型，主要连接上下钢筋，实现钢筋受力的连续性，从而保证结构的整体性以及在突发地震或者冲击荷载作用下的延性和稳定性。预制墩节段之间的连接主要体现在钢筋连接方式上，需要定位钢筋的搭接，这种连接方式有多种，包括传统的焊接和螺栓连接，也有新型研发的套筒连接及后张预应力连接。如果连接方式能够设计成规格化，则现场工作难度降低施工质量和效率都大大提高。
2 装配式桥墩设计关键问题
2.1 桥墩与基础的连接。装配还是桥墩与基础承台的连接是该装配式工艺的重点和难点，目前有现场浇筑和承插连接两种方法，如图1所示。现场浇筑跟传统的浇筑工艺相同，通过在承台顶部和预制墩柱底部分别预留连接钢筋，带墩柱吊装到位进行浇筑，往往具有施工量大、人力要求多、连接质量难以保证等特点。承插式是近年来发展的墩柱与承台连接方式，基本思路是将预制墩柱插入承台预留孔内，并在底部铺设砂浆及四周细石混凝土填实，浇筑完成连接。
从抗震安全性角度而言，现浇湿接头的方式抗震性能较好，因为钢筋设计的连续性。承插式由于连接长度较小，早期这种连接方式的抗震和抗剪能力较差，但随着目前对于该区段浇筑混凝土品质的保证，以及采用后张预应力方式，使得混凝土浇筑密实、钢筋焊接牢固，能够保证抗震安全性。
(a)现浇湿接头 (a)承插式后张预应力接头
图1：桥墩与基础的连接构造方式
2.2 墩身连接构造的抗震安全性。装配式桥墩相对于传统的现浇方式，由于连接处没有完全的连续性，因此其抗震安全性往往是设计关注的重点。目前装配式墩身构件以及桥墩与盖梁的连接等，都是通过拼缝的方式进行连接，目前有诸多连接方式如表1所示，这些连接方式的抗震性能也不一样，对比了灌浆管道连接及灌浆口连接两种国外有一定应用的方式，可以看到后张预应力和灌浆套筒连接方式较优，且后张预应力方法具有较好的可恢复性。
表1 装配式桥墩不同连接方式的抗震性能对比
灌浆套筒的连接一般采用优质结构钢，一端为空腔结构通过灌注高强无收缩性水泥实现连接，另一端设置螺纹进行内外螺纹的连接。墩身上下的精轧螺纹钢筋通过套筒进行连接，在套筒内进行灌浆使得节段之间形成整体。灌浆套筒连接具有良好的延性破坏性态，且施工精度可以保证，且套筒的材料强度是钢筋强度的1.5倍以上，从而转移连接的薄弱环节。在地震作用下可以提供良好的抗弯和抗剪能力，相对而言该连接形式的抗震延性有限，因为在接缝张开后将引起钢筋连接器内部的应力集中，使得其耗能能力降低且延性折减，因此不适宜用于高地震地带的桥墩建设中。
后张预应力将的预制墩身节段串成一个整体，通过施加预应力提高接缝的连接刚度，从而提高结构的可复位能力。为了提高桥墩连接部位的耗能特性，一般在接缝面处布设一定数量的耗能钢筋，并保证接缝的耐久性能；为了保证接缝的结构性能，墩柱节段的接缝之间需要采用环氧树脂进行粘结，并在必要情况下提高连接界面的抗剪承载力。地震作用下，接缝首先发生张开，但因为连接处预应力钢筋具有很好的延性储备，在地震波完全作用后如果预应力没有屈服，则桥墩具有较好的可恢复性能够回到原来的位置，因此其抗震性能也能得到保证。
3 结论
随着我国绿色公路建设理念的贯彻与实施，需要发展预制装配式桥梁结构体系以适应“工厂预制+现场安装”的工业化建造技术，提高生产效率并保障施工质量，减少公路建设对环境的污染。本文详细分析了装配式桥墩的设计技术与关键问题，为了适应装配式桥墩的工业化建造，需要将桥墩节段和连接进行标准化设计，分析了这些标准化设计的方法和要点。装配式桥墩相对于传统现浇方式备受关注的是其抗震性能，分析了装配式桥墩墩身节段的连接设计方法，以及连接的抗震性能，说明目前的设计技术可以确保抗震安全性，促进装配式桥墩在公路桥梁工业化建设中的应用。
参考文献：
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[2]宋凯，张剑英.预制节段拼装桥墩研究进展[J].城市道桥与防洪，2014（6）：282-285.
[3]陈家勇.预制装配桥墩的构造设计及抗震性能研究[D].南京：东南大学，2014.
[4]苏波，陈占力.浅析预制装配式桥梁抗震设计及抗震措施[J]. 市政技术，2012，30（3）：65-67.
论文作者:叶植华
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/10
标签：桥墩论文; 方式论文; 现场论文; 钢筋论文; 预应力论文; 结构论文; 延性论文; 《基层建设》2018年第22期论文;