中小跨径桥梁装配式模块化墩柱设计研究

陈玉宏 王博

摘要：中小跨径桥梁全装配化有利于节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率以及质量安全水平，成为我国桥梁建造模式的主流趋势。G3京台高速方兴大道至马堰改扩建项目建设中，以模块化理念开发了一种新型装配式墩柱，提高了墩柱标准化程度，降低墩柱的制造与安装难度，文章对模块化墩柱的概念设计方法、技术要点等方法进行研究，为此类结构的装配化设计提供参考。

关键词：桥梁工程;下部结构;装配式;预制墩柱;概念设计;结构设计

中图分类号：U442.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）12-0065-03

引言

在桥梁工程高速发展的时代，如何缩短施工周期、减少施工对既有交通的影响、控制现场施工质量及减少环境等因素对施工进度的影响成为主要面临的难题。桥梁装配式模块是解决问题的有效手段，具有降低对交通的干扰、提高施工质量、缩短工程工期、绿色环保等优点。

装配式墩柱应用探索开始的时间较早，1975年建造的兰西大桥，使用砌块式拼装墩台，节约了近四分之一的材料，同时加快了桥梁的建设速度。砌块式墩台的合理设计能够具有一定自锁功能，块体内的钢筋可以增强结构的抗震性及延性。接缝方面，Kvle P.Steuck等人研究了大直径锚固钢筋灌浆孔连接的相关性能，分析了结构的受力性能以及破坏模式。淮河特大引桥下部结构采用预制圆心空心截面墩，马会天对该桥进行研究分析得出，通过设置定位墩实现预制墩柱准确定位，通过预制墩柱底侧的剪力纹，加强了墩柱与承台的整体连接，提高了墩柱的抗震能力。林信武指出，装配式桥墩抗震性能的关键是连接处的易损性。灌浆套筒连接具有良好的延性破坏性态，并且可以保证施工精准度，材料强度是钢筋的1.5倍，可以转移连接的薄弱环节，在地震作用下提供良好的抗弯抗剪能力，但是弊端同样明显，抗延性有限，不适用于高地震带桥墩建造。从应用现状来看，预制桥墩一般针对某工程进行设计，构型与尺寸并不统一，不利于大规模建造推广。

为提高标准化程度，G3京台高速方兴大道至马堰改扩建项目建设中，以模块化概念开展新型装配式墩柱的设计。该墩柱体系可通过更换盖梁模块适应不同上部结构，增设横梁模块适应不同墩高尺寸，契合桥梁工程的工业化建造趋势。本文对其概念设计以及性能分析方法进行研究，为此类结构型式的推广提供助力，为装配式墩柱的进一步发展提供借鉴。

1工程概况

本项目依托G3京台高速方兴大道至马堰改扩建项目，该工程项目起点顺接京台高速公路方兴大道互通立交，起点桩号为K1049+748，向南经严店、丰乐、杭埠、金牛、万山至庐江，终点位于京台高速与合安高速公路交叉的马堰互通立交，终点桩为号K1102+872，全程53.124公里。

本工程桥梁以中小跨径为主，由于为改扩建项目，应尽量减少对现状道路的扰动，因此对建造效率要求较高。经研究采用全预制拼装桥梁体系，上部结构采用了较为成熟的T梁、小箱梁以及双工字钢板组合梁，下部结构则开发一种便利拼装的模块化桥墩，该桥墩主体为PHC管桩，管端设置法兰连接，并辅以预制盖梁或者承台等结构。

2概念设计

2.1构件的受力与拆分

桩柱式桥墩由整体式盖梁、多墩柱体系、整体式承台以及多桩基体系组成。

盖梁的主要功能为传力构件，其上布置支座可承担主梁上部结构的自重以及各类活载效应;墩柱为主要受力构件，起到传递竖向荷载的作用;承台作为横向联系，起到提高桥墩体系横向刚度的作用;桩基为基层支撑构件，由土壤的摩擦力以及端部的支承力提供相应的支承力。

由于各构件的形状差异较大，墩柱的装配化习惯上将各构件单独拆解开，采用预埋套筒的方式进行连接，构件拆解如图1所示。

构件拆解已经基本上完成了预制部件的划分，然而部分宽幅盖梁、超高墩的预制、运输与安装并不便利，在此基础上需要对构件本身进行切分，对于横向构件横向分块，对于竖向构件竖向分节;分块或者分节接缝的设置则遵循受力最小原则，例如盖梁、承台在受弯相对较小的位置进行分块，见图2。本项目侧重于对盖梁、墩柱以及承台设计结构的研究。

2.2 T型及方型模塊化桥墩概念设计

T型模块化桥墩是一种通过提高墩柱本身强度，并采用钢横梁进行横向连接以满足横向受力需求，这样可以将盖粱以及承台中间的联系节段予以取消.进一步提高装配化施工的效率，减少预制种类与数量，见图3所示。

对于布置双主梁的桥梁，对盖梁的需求并没有那么显著，此时可以将盖梁的横向尺寸进行削减，得到的方型模块化桥墩构造，如图4所示。

作为基本结构的管桩、承台以及墩柱仅保持两三种型号即可，对于不同的上部结构可以采用不同的盖梁模块，对于不同高度的墩柱，则可以增设钢构件横梁加强联系。该新型体系具有非常高的标准化程度，无需根据具体工程更改构型或尺寸设计，在中小跨径桥梁中具有广泛的应用空间。

3构造设计

3.1墩柱设计

采用预制桥墩构造时，一方面需要增加墩柱的强度，另一方面需要减轻墩柱的质量，以提高装配化，本研究提出采用高强混凝土大直径空心墩柱的构造型式。

墩柱设计以PHC管桩为原型，选用管桩型号，材料为C70高强混凝土，标准段长度为8m。墩柱构件之间采用法兰盘连接，可以显著提高装配效率，同时具有可检、可修，便于更换的优势。

法兰由两块钢板组成，钢板之间采用沿径向布置的加劲肋板焊接进行连接，一块钢板与混凝土之间进行连接，另外一块钢板则预留螺栓孔，负责与其它墩柱预留钢板以高强螺栓型式连接，墩柱连接与法兰构造见图5所示。

3.2盖梁设计

盖梁起到支撑主梁以及传递荷载的作用，可尽量减少材料的用量，按照对称型式进行设计。对于悬挑的装配式盖梁，其符合悬臂梁的受力特征，双边受力较小，中间受力较大，可采用传统的削角处理，以进一步减轻结构自重，节约材料用量。对于支承单片梁的盖梁来说，主要负责传递荷载的作用，需要满足支座布置以及局部承压的要求。通过综合支座的布置需求，受力要求，确定了T型盖梁与方形盖梁型式，T型盖梁接缝处预留孔见图6所示。

3.3墩柱连接设计

承台接缝采用了插槽式现浇混凝土接缝连接型式，在承台内预留1m深的槽口，并在墩柱表面刻槽口，以提高墩柱与承台的整体性。槽口采用梯形槽口，顶口大、底口小，且为了尽可能增加与预制管桩连接强度，在圆心处60cm高的榫头，承台连接见图7所示。

施工时，只需要在底面找平后，将管桩安装到位，然后采用C50混凝土灌注槽口，充分振捣养护后，完成接缝的施工。

3.4横向连接设计

模块化桥墩使用钢横梁的横向连接方式增强了墩柱的自身强度，以满足抗震和稳定性的要求，同时该构造方式非常简洁，不需要对墩柱进行更改，提高了墩柱体系的标准化程度。

4结束语

提出了模块化桥墩的概念，并完成了相应的原型设计，通过提高墩柱强度、删去盖梁及承台的横向联系，实现更高程度的标准化。该墩柱型式在背景工程中取得了成功应用，可以为同类型工程提供参考借鉴。