超高性能混凝土连接装配式桥墩设计理念与实践

王瑞龙，马 骉，黄 虹

［上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092］

0 引 言

在当前产业转型升级、提升新型工业化发展水平的大背景下，桥梁行业从传统的现浇逐渐向工业化装配式施工发展。与现浇桥梁结构相比，预制拼装桥梁结构具有施工便捷、质量稳定、对环境和交通影响小等优点，具有良好的节能与环保特点，目前已成为世界桥梁结构的主要发展趋势之一。该技术将桥梁结构分解成多个预制构件，在工厂进行标准化制作，并运送至现场进行拼装[1]。

在装配式桥梁结构中，预制构件的连接接缝为受力和施工的重点区域，应具有足够的力学性能、良好的耐久性和稳定性，且便于施工[2]。目前，桥梁上部结构预制构件主要为空心板、小箱梁等，采用湿接缝连接成整体；下部结构预制构件的连接形式主要为灌浆套筒连接、灌浆金属波纹管连接等。

灌浆套筒连接形式为在桥墩中预埋套筒，预制桥墩吊装就位，承台预埋钢筋与套筒对插，然后灌注高强砂浆连接成整体。该连接方式施工快速，钢筋定位精度要求高，不适用于束筋连接，对静力性能要求高，抗震性能低于现浇，套筒灌浆饱满度检测较为困难。

灌浆金属波纹管连接形式为在承台中预埋金属波纹管，预制桥墩吊装就位，桥墩预埋钢筋插入金属波纹管，然后灌注高强砂浆连接成整体。该连接方式施工快速，钢筋定位要求低于套筒连接，对于束筋连接较为困难。

目前，超高性能混凝土由于具有高强度、高韧性、高耐久性、与钢筋握裹力强、自流平便于施工等优点，逐渐得到工程应用，其具有的优良性能有望在结构设计中取代普通混凝土和高强混凝土，成为新一代结构材料，在装配式桥墩的连接处有很大应用前景。

1 当前超高性能混凝土装配式桥墩连接形式和应用

装配式桥墩采用超高性能混凝土连接构造钢筋搭接连接，无需绑扎或焊接，现场工作量小，施工快速，钢筋定位要求低，且适用于束筋布置，是一种较好的连接形式。

在此基础上，上海市政总院开发出以下3 种超高性能混凝土装配式桥墩连接形式，如图1 所示。3种连接形式各有优劣，如表1 所示。

随着超高性能混凝土连接装配式桥墩的出现，我国在一些工程中进行了超高性能连接装配式桥墩的应用试点。其中，扩头式连接构造已经在上海嘉闵高架、上海南浦大桥W3 上匝道改建工程、新疆乌鲁木齐城北主干道工程、宁波机场快速路南延工程等得到应用，环缝式连接构造预计在宁波西洪大桥连接线工程、上海G1503 工程等应用。

2 超高性能混凝土特性与技术性能指标要求

超高性能混凝土由预混料（包括水泥、细砂、硅灰、石英粉）、细钢纤维等基本材料组成，配制过程中采用最大密实度理论，减小材料内部空隙和微裂缝数量，控制材料内部缺陷，提高材料的均质性，并掺入小直径短纤维空间桥接弥合微裂缝，从而达到高强度、高韧性、高耐久性的目的[6]，如图2 所示。其中，细砂的粒径最大，为150～600 μm；水泥与石英粉粒径次之，分别为15 μm 与10 μm；硅灰的粒径最小，可填补水泥与石英粉之间的空隙；钢纤维直径0.2 mm，长度12.7 mm，抗拉强度大于2000 MPa，体积掺量在2.0%左右。

图1 超高性能混凝土连接形式

表1 超高性能混凝土连接形式比选

图2 UHP C 材料示意图

根据目前工程项目中超高性能混凝土的应用情况，超高性能混凝土在立柱连接时技术性能指标要求见表2。其中，超高性能混凝土采用标准养护，即环境温度20±2℃，相对湿度大于95%。

表2 超高性能混凝土技术性能指标要求

3 超高性能混凝土连接装配式桥墩构造研究

3.1 设计理念

超高性能混凝土连接的设计理念为：超高性能混凝土连接段的安全度大于预制段，即破坏发生在预制段。因此，这就涉及如何进行合理的连接构造设计，确保经济性与受力性能的统一。

3.2 设计目标

（1）静力和E1 地震作用

采用强度设计理论，即材料采用设计值，考虑墩高影响系数，确保超高性能混凝土连接段安全系数大于预制段，UHPC 应变应小于极限拉伸应变（2000 με）。

（2）E2 地震作用

采用延性设计理论，即材料采用标准值，考虑墩高影响系数和抗弯超强系数1.2，确保超高性能混凝土连接段安全系数大于预制段，UHPC 应变应小于极限拉伸应变（2000 με）。

3.3 设计案例

本节针对一典型市政匝道桥进行分析，桥宽9.0 m，跨径30 m ，如图3 所示。下部结构为单柱墩，桥墩尺寸为2.2 m（横桥向）×1.5 m（顺桥向），桥墩高度为10 m，盖梁尺寸为1.9 m（顺桥向）×7.5 m（横桥向）×1.5 m（竖向）。立柱配筋为HRB400 钢筋，共计66 根，配筋率为1.60%。主梁和盖梁采用C50 混凝土，桥墩采用C40 混凝土。

图3 典型匝道桥横断面（单位：mm）

其中，环缝式连接对设计的精细化要求最高，因此以下对环缝式连接形式的构造设计进行分析。

采用XTRACT 软件进行模拟分析。将截面离散为纤维单元，与截面信息（截面尺寸、保护层厚度和钢筋配置情况）相对应，每块纤维单元被赋予钢筋、混凝土材料的本构关系。用纤维截面进行构件受力和变形的全过程分析时，通常采用以下假定：（1）平截面假定；（2） 不考虑混凝土和钢筋之间的相对滑移；（3）忽略剪应力对构件截面的弯矩-曲率关系的影响。纤维模型如图4 所示。

图4 XTRACT 纤维模型

表3 列出了超高性能混凝土连接装配式桥墩计算结果。其中，超高性能混凝土连接段壁厚350 mm。从表中可看出，在静力和E1 地震工况下，预制段弯矩为16920 kN·m，考虑墩高影响系数1.05，连接段弯矩为17811 kN·m，对应超高性能混凝土的拉伸应变为1009 με；在E2 地震工况下，预制段弯矩为26150 kN·m，考虑墩高影响系数1.05 和超强系数1.2，连接段弯矩为33032 kN·m，对应超高性能混凝土的拉伸应变为1815 με，满足前述预设设计要求，破坏发生在预制段，构造合理。

表3 UHP C 连接装配式桥墩计算结果

4 结 论

随着超高性能混凝土的出现，装配式桥墩采用超高性能混凝土连接。由于钢筋无需绑扎或焊接、施工快速、钢筋定位要求低，且适用于束筋布置，成为一种较好的连接形式。本文对该连接形式进行了研究，主要结论如下：

（1）该连接形式构造包括扩头式、类承插式、环缝式。3 种连接形式各有优劣，其中扩头式和环缝式目前在实际工程中均有所应用。

（2）基于超高性能混凝土在连接形式中的受力和施工要求，列出了其性能指标要求和相应的测试依据。

（3）该连接形式的设计理念为超高性能混凝土连接段的安全度大于预制段，即破坏发生在预制段。基于该设计理念，设计目标相应为：在静力和E1 地震作用下，采用强度设计理论，即材料采用设计值，考虑墩高影响系数，确保超高性能混凝土连接段安全系数大于预制段，超高性能混凝土应变应小于极限拉伸应变（2000 με）；在E2 地震作用下，采用延性设计理论。即材料采用标准值，考虑墩高影响系数和抗弯超强系数1.2，确保超高性能混凝土连接段安全系数大于预制段，超高性能混凝土应变应小于极限拉伸应变（2000 με）。

（4）一典型市政匝道桥墩分析案例表明，桥墩采用环缝式连接设计，截面尺寸为2.2 m（横桥向）×1.5 m（顺桥向），墩高10 m，在超高性能混凝土壁厚350 mm 时，连接段安全系数大于预制段，在静力、E1 地震作用和E2 地震作用下，超高性能混凝土拉伸应变分别为1009 με 和1815 με，满足预定的设计目标，构造合理。