预制装配式桥梁下部结构方案研究

张浩，杨洋 ，方正东

（1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088 2.交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088）

1 项目背景

预制装配式桥梁，是将混凝土桥梁上、下部主要构件在预制场或工厂预制，然后现场拼装的一种桥梁。相对传统施工工艺，装配式桥梁的优点是可以降低施工干扰、缩短工期、降低成本、提高工程质量。相对于桥梁上部结构工业化，安徽省高速公路下部结构工业化预制技术尚处实践阶段。

G3W德州至上饶高速公路合肥至枞阳段装配化桥梁上部结构初步设计方案采用15m、20m、25m跨径简支预制工字梁桥和4x35m跨径连续钢板组合梁桥。本文以上部结构采用25m跨径简支预制工字梁桥为研究对象，提出相应的预制装配式桥梁下部结构设计方案。

图1 跨中横断面图（mm）

2 装配式桥梁下部结构国内外调研情况

2.1 预制装配式盖梁

桥梁墩台盖梁的预制拼装是整体预制的关键环节，也起着承上启下的关键作用。

国内目前主要在市政工程中应用了预制盖梁技术，如上海S6、虹梅南路、北横通道及嘉闵高架（北段）等工程。上海S6公路上部30m先简支后连续小箱梁，墩柱与盖梁间连接方式采用灌浆金属波纹管，墩身与盖梁接触面采用砂浆垫层。

美国加州（Ca）对预制盖梁体系的不同连接方式的结构性能和长期性能进行了研究。影响预制盖梁体系性能和安全的关键因素是连接型式。对预制盖梁体系，目前研究的重点主要集中在连接型式的结构性能和长期性能以及施工研究等。常用的连接型式包括：①灌浆槽（grouted pocket）；②灌浆管 (groutduct)；③灌浆套筒联轴器(grouted sleeve coupler)；④螺栓连接 (bolted connection)。

2.2 预制装配式桥墩

装配式桥墩施工方便，施工周期短，同时降低了桥梁施工对周围居民生活和环境影响等诸多有利因素，在欧美、日本等发达国家被广泛使用，并形成了设计和施工相应的准则。

国外对装配式预制桥墩进行过很多试验研究，如在1997年Mander和Chen试验和研究了节段装配式桥墩。节段间的连接方式采用干接缝，研究的结果显示：在强震作用下桥墩，能够迅速地恢复变形，但在地震后采用该连接方式的桥墩应检查墩中预应力筋的预应力大小，根据需要对预应力进行更换或重新张拉。

我国装配式桥墩研究和使用较晚，近年来装配式桥墩得到了广泛的研究和使用。国内主要针对大桥及特大桥进行过研究，但主要是进行静力研究，抗震方面的研究较少。苏强等 (2013)从研究背景、材料性能、连接构造、粘结应力研究及预制拼装立柱抗震试验等方面介绍了在预制桥墩中灌浆套筒式钢筋连接技术的试验研究情况。我国首次采用预制承台和桥墩连接的项目-新澳凼大桥。杭州湾跨海大桥首次使用预制矩形空心墩，分为墩帽和墩身两部分进行预制。

2.3 预制装配式承台

预制装配式承台能够将现场大量的水上浇筑工作改为工厂预制，减小了施工难度，加快施工进度同时可以提高基础的耐久性。国外对于预制基础的研究主要用于跨海大桥中，日本、加拿大、挪威等国家的跨海大桥项目中均得到了应用。其中加拿大1993年动工，1997年完工通车的诺森伯兰海峡大桥，支承在岩层的重力式基础，墩身及预应力混凝土主梁均采用预制构件施工。基础及桥墩分为开预制，吊装重量在3000～5500t之间，为便于基础和墩身密合，基础顶制作成锥形平台。墩身与墩座间的连接部分设置剪力键、U形预应力钢索及高强度压浆。美国纽约The NEW NY Bridge大桥大量采用预制构件，引桥采用长跨钢板梁，主桥采用组合结构斜拉桥，采用预制承台，桩基础选用钢开口桩。

确定最佳沥青用量。取目标配合比设计的最佳沥青用量OAC和OAC±0.3%，取以上计算的矿质混合料，用试验室的小型拌和机拌制沥青混合料进行旋转压实试验，检验沥青混合料体积性质，确定最佳沥青用量。由生产配合比确定的最佳沥青使用量与由目标配合比确定的最佳沥青使用量，两者之间的差异应在0.2个百分点以内。

2.4 预制管桩

混凝土桩的研究、生产及使用较多的国家主要有美国、德国、俄罗斯、英国、日本、加拿大、荷兰、新西兰等国家。从80年代末起，中国、马来西亚、菲律宾等发展中国家对预应力混凝土管桩的应用也开始普及。

广东省是我国管桩厂最多、使用管桩最多也最为普遍的省份，广东省建委早在1991年便组织制定了省标并将预应力混凝土管桩编入在《建筑地基基础施工及验收规程》（DBJ15-201-91）内。我国安徽省PHC管桩在高速公路上已有了较为广泛的应用，从徐明高速开始进行了PHC管桩的试验性应用，并开展了《桥梁预制管桩基础设计理论及应用技术研究》的研究。济祁高速淮南至合肥段淮河特大桥引桥钢板组合梁结构，下部结构均采用了打入式PHC管桩，管桩总长度约84000m。

3 装配式桥梁下部结构设计方案

根据上部结构设计方案，提出两种针对不同桥墩高度的装配式桥梁下部结构设计方案。本文所提出的装配式桥梁下部结构设计方案核心关键技术在于：

①预制桥墩与预制盖梁连接装置受力安全性和考虑施工的冗余度；

②预制桥墩和预制承台连接装置受力安全性和考虑施工的冗余度；

③对于墩高大于15m的预制桥墩，需要通过特有连接装置拼接，拼接装置的静力性能和抗震性能尤为关键；

3.1 方案介绍

方案一：该方案适用于采用预制承台、墩高小于14m，上部结构为25m简支工字梁的下部结构。

方案二：该方案适用于采用预制承台、墩高为14m～25m，上部结构为25m简支工字梁的下部结构。

方案一与方案二所采用预制结构尺寸及适用范围见表1。

装配式桥梁下部结构参数 表1

方案一与方案二结构采用主要材料见表2。

结构主要材料参数 表2

3.2 关键连接设计

3.2.1 预制墩与盖梁之间连接

在预制盖梁内镀锌波纹管，直径为60mm，桥墩主筋伸入预埋波纹管内55cm，波纹管内灌注高强砂浆形成连接。

3.2.2 预制墩之间连接

预制墩之间通过法兰连接（如图2所示）。

图2 法兰装置示意图

3.2.3 预制墩与承台之间连接

完成预制管桩施工后，浇筑C30混凝土垫层，完成承台预制部分与预制管桩精确对孔安装后，将预制桥墩准确安放在预制承台上，在浇筑C40混凝土完成连接。

3.2.4 预制墩之间横向连接

预制墩横向通过直径为30cm，壁厚为10mm的钢管连接。

4 结构静力验算

针对方案一进行静力验算，计算荷载主要考虑了自重、二期铺装、温度荷载作用以及汽车荷载等作用。其中，整体升、降温按±20℃考虑；梯度温度及制动力根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）规定取值；汽车荷载则考虑3车道下的车道荷载。计算结果见表3。

方案一静力验算 表3

5 结论

本文对目前国内外装配式桥梁下部结构研究情况进行了总结，结合G3W德州至上饶高速公路合肥至枞阳段装配化桥梁上部结构初步设计方案，提出适应于不同墩高的两种预制装配式桥梁下部结构设计方案，并对结构进行了相关结构验算分析。