预制拼装桥墩连接构造选择的综合评定方法

卓为顶 刘 钊

（1.南京工程学院建筑工程学院，南京211167；2.东南大学土木工程学院，南京211189）

0 引 言

21 世纪以来，以节段预制拼装为代表的桥梁工业化技术已得到广泛青睐与研究推广，除了上部结构以外，下部结构的预制拼装，同样可以加快桥梁的现场施工速度，保证工程质量，减轻对桥位环境影响和交通干扰［1-2］。

连接构造是预制拼装桥墩的关键部位，迄今为止，国内外学者已研发了多种多样的预制拼装桥墩接头形式，诸如灌浆套筒连接、灌浆口连接、承插式连接、湿接缝连接、管浆管道连接、后张预应力连接以及混合连接等形式［3］。

然而，在特定的桥梁工程中，对于连接构造形式的选择，还缺乏系统的评价方法，给设计带来很大的困惑。为此，本文研究归纳了影响预制拼装桥墩连接构造的主要因素，提出一种实用的综合评价方法，结合实桥设计给出应用示例。

1 评价因素的定义和分值

在具体工程中如何结合桥位特点、环境、场地等条件，对预制拼装桥墩连接构造形式进行选择，是工程界十分关心的问题。本文提出的综合评价方法是一个框架性方法，参考了国外文献［4］，主要考虑技术成熟度、现场拼装工效、施工成本、施工质量可控性、耐久性和抗震性能等因素，其评分项由上述多种因素及权重系数构成。这种评价方法必然存在很大的主观性，但无论如何提供了一种评价选择。

1.1 技术成熟度

技术成熟度（Technology Readiness，缩写Tr），是指技术研发和应用的成熟程度，可以分为9 级，其定义及评分见表1。当一种连接构造同时达到表1 中的各分项，则以最高级别的分值计入，不累加计分。

考虑到技术成熟度在不同区域存在差异，比如，某种连接方式在美国已有抗震设计指南，而在使用区域暂时还没有规范，可以把本项分值计入80%。

表1 预制拼装桥墩连接构造的技术成熟度定义及评分Table 1 Definition and score of technology readiness of precast pier connection detail

1.2 现场拼装工效

预制拼装桥墩的现场拼装工效（Effectiveness，缩写Ef），主要是指桥墩预制节段在桥位现场的拼装速度，关系到现场施工对交通及环境的干扰程度。现场拼装工效的描述，见表2，它是一种简单的衡量标准，实际上节省的时间取决于整个桥梁结构系统，因此评估必然是主观的和近似的。

表2 连接构造的现场拼装工效及评分Table 2 Site assembly efficiency and score of connection detail

1.3 施工成本

预制拼装桥墩的施工成本项（Cost，缩写Co），以现浇桥墩作为基本“参照项”。在预制拼装桥墩中，需要使用一些专用连接件或材料，如灌浆套筒、灌浆波纹管、预应力材料、高强灌浆料等，还有大吨位吊装设备及可能存在的吊装场地加固，这些费用应计入施工成本；但是，在人口密集的居住区，若需对现浇施工采取降低环境污染、噪声污染等措施会增加施工成本，而预制拼装墩一般不考虑此项成本支出。与现浇桥墩相比，增加成本的扣分，减少成本的加分，具体评价标准见表3。

表3 连接构造的施工成本及评分Table 3 Construction cost and score of connection detail

1.4 施工质量可控性

施工质量（Quality，缩写Qu），是影响工程寿命的主要因素之一。施工质量的可控性影响到工程的验收，也是制约预制拼装桥墩设计的因素之一。本项分为5 个等级进行评分，具体评定标准、描述及得分，见表4。

表4 施工质量可控性及评分Table 4 Construction quality controllability and score of connection detail

1.5 耐久性

耐久性（Durability，缩写Du），是指在正常使用和维护条件下，桥墩随时间的延续仍能满足既定功能的能力，通俗地讲也就是使用周期。评分标准，主要是与现浇桥墩进行同条件比较，见表5，主要考虑：①连接形式是否为其结构部件提供了足够的保护；②是否避免污染物进入结构部件；③连接的耐久性是否受施工质量的影响；④在常规桥梁检查中发现结构退化有多容易。

1.6 抗震性能

桥墩的抗震性能（Seismic performance，缩写Sp），包括桥墩的侧向推力、延性、滞回耗能及自恢复性等［5-6］，在中高烈度地震区尤为得到关注，桥墩的抗震性能及评分见表6。

表5 预制拼装桥墩的耐久性及评分Table 5 Durability and score of precast pier connection detail

表6 预制拼装桥墩的抗震性能及评分Table 6 Seismic performance and score of precast pier connection detail

2 综合评分

2.1 基本公式

以技术成熟度作为基本项，同时，将上述另外5 项评价因素乘以各自的权重系数进行累加，给出综合评分指标：

式中：Tr为技术成熟度；Ef为现场拼装工效；Co为施工成本；Qu 为施工质量可控性；Du 为耐久性；Sp为抗震性能；αi分别为上述各项的权重系数。

2.2 权重选择

为减小式（1）中权重系数取值的随意性，以1为其均值，增加约束条件如下：

表7 给出对αi取值的考虑要点，当认为某项不重要以至于可以忽略时，权重系数可取0；当认为某项极其重要时，权重系数可取2.0；其他情况介于两者之间。

表7 权重系数选择的考虑因素Table 7 Weight coefficient selection related to the factors considered

3 应用举例

江苏省某公路干线界河特大桥，桥位处为平原地带。汽车荷载为公路-Ⅰ级，抗震设防烈度为7度，地震动峰值加速度为0.1 g。第11联41#-46#桥墩采用预制拼装构造，上部结构跨径布置为5×30 m 预应力混凝土小箱梁，桥型布置见图1（a）。双柱墩间距为9.75 m，墩高6.52～7.67 m，墩柱直径为1.60 m，盖梁采用小悬臂设计，见图1（b）。

本桥41#-46#桥墩拟采用预制拼装桥墩建造技术，需进行预制拼装桥墩连接构造的选择。设计过程中，可能采用的连接方式有4 种：灌浆套筒连接、承插式连接、灌浆管道连接、灌浆套筒+芯榫组合连接。

3.1 采用灌浆套筒连接构造的评估

灌浆套筒连接构造已在华东地区较多采用，如上海S6 公路高架桥工程上应用，并有该连接构造的地方标准，技术成熟度Tr=+7 分；可以节约现场工期30%以上，现场拼装工效Ef=+2分；增加桥墩的施工成本10%～20%，施工成本Co=-1 分；满足施工质量验收标准的可能性大，施工质量可控性Qu=0分；接缝面密封性好、无渗水风险，耐久性Du=+1分；“侧向推力、延性、滞回耗能、自恢复性”这4 项指标中有2 项优于现浇墩，抗震性能Sp=+1分。

3.2 采用承插式连接构造的评估

承插式连接构造，在上海嘉闵高架北二段1座匝道桥上应用，该技术没有出现在地方标准中，采用该连接构造的桥墩已有拟静力试验，技术成熟度Tr= +6 分；可以节约现场工期30%以上，现场拼装工效Ef=+1 分；基本不增加桥墩的施工成本，施工成本Co=0 分；连接满足质量标准的可能性较大，施工质量可控性Qu=+1 分；节点区的整体性好，不需要多余的维护，耐久性Du=+2 分；“侧向推力、延性、滞回耗能、自恢复性”这4 项指标与现浇墩相同，抗震性能Sp=0分。

3.3 采用灌浆波纹管连接

灌浆波纹管连接构造［7］，在上海嘉闵高架北二段1 座匝道桥上应用，并已有该连接构造的地方标准，技术成熟度Tr=+7 分；可以节约现场工期10%～30%，现场拼装工效Ef=+1分；增加桥墩的施工成本10%～20%，施工成本Co=-1 分；连接满足质量标准的可能性较大，施工质量可控性Qu=+1分；接缝面密封性好、无渗水风险，耐久性Du=+1分；“侧向推力、延性、滞回耗能、自恢复性”这4项指标中有2项优于现浇墩，抗震性能Sp=+1分。

图1 某实桥的预制拼装桥墩设计（单位：cm）Fig.1 Precast pier design of a practical bridge（Unit：cm）

3.4 采用“灌浆套筒+芯榫连接”构造的评估

灌浆套筒连接构造，在上海嘉闵高架北段二期工程上应用，并已有该连接构造的地方标准，但芯榫连接作为新型的连接构造［8］，仅有拟静力试验研究，技术成熟度Tr=+6.5 分；可以节约现场工期30%以上，现场拼装工效Ef=+2分；增加桥墩的施工成本10%-20%，施工成本Co=-1 分；连接满足质量标准的可能性较大，施工质量可控性Qu=0分；接缝面密封性好、无渗水风险，耐久性Du=+1分；“侧向推力、延性、滞回耗能、自恢复性”这4项指标中有3项优于现浇墩，抗震性能Sp=+2分。

3.5 通过综合评分进行设计比选

各项权重系数的选择，见表8。

根据权重系数对4 种预制拼装桥墩连接方式进行了评分，评分汇总表见表9。

表8 某实桥设计预制拼装桥墩评价因素的权重系数Table 8 Weight coefficient of evaluation factors of precast pier design for a practical bridge

表9 四种预制拼装桥墩连接方式的评分汇总Table 9 The score summary for four kinds of precast pier connection details

从表9 可以看出，该桥预制拼装桥墩连接方式的设计方案比选，推荐的次序分别为灌浆套筒+芯榫组合连接、灌浆管道连接、灌浆套筒连接、承插式连接。该桥预制拼装桥墩的连接构造，墩柱与承台之间采用灌浆套筒+芯榫组合连接，墩柱与盖梁之间采用灌浆管道连接。

4 结 语

（1）预制拼装桥墩连接构造的合理选择，始终困扰着设计人员。本文提出一种较为实用的综合评价方法，尽管在分项评分中存在着一定的主观性和经验性，但无论如何为选择决策提供了一种评价框架和思路。

（2）本文提出的多因素综合评价方法，考虑了技术成熟度、现场拼装工效、施工成本、施工质量可控性、耐久性和抗震性能等6 个评价指标。其中，技术成熟度为基本考虑项，分级为1～9；其余6个指标，分级为-2～+2。

（3）在综合评价指标中，对应于各个评价项，引入权重系数，考虑到建设方或设计人员的选择偏好，允许根据经验进行选择。

（4）结合某实桥预制拼装桥墩设计，以4种典型预制拼装桥墩的连接方式为例，示例了应用方法，给出了设计推荐的次序。