謝玉萌, 王 倩

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來,裝配式橋墩的研究和使用比較廣泛,節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩國內(nèi)研究較多。同濟(jì)大學(xué)的葛繼平、王志強(qiáng)等人對裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土雙柱橋墩抗震性能進(jìn)行了調(diào)研與分析,并提供了研究的方向和思路;魏紅一做過關(guān)于節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩的靜力試驗(yàn)和分析研究,并得出一系列研究成果;臺灣交通大學(xué)周中哲對預(yù)制鋼管約束素混凝土節(jié)段橋墩進(jìn)行了模擬靜力試驗(yàn)研究,并在構(gòu)件中加入了耗能裝置;蔡忠奎通過ABAQUS數(shù)值模擬研究了榫卯接縫節(jié)段拼裝橋墩的抗震性能,表明節(jié)段拼裝橋墩接縫破壞將晚于墩身破壞,榫卯結(jié)構(gòu)有效限制了節(jié)段間的剪切錯動,同時結(jié)構(gòu)有一定的自復(fù)位能力。

相較于節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩,裝配式鋼骨混凝土橋墩由于具有較好的抗震性能,在日本得到了廣泛的研究和應(yīng)用,而在國內(nèi)應(yīng)用較少。鋼骨混凝土構(gòu)件是指鋼骨與鋼筋混凝土組合而成的共同承受荷載的構(gòu)件?？拐鹦阅茌^好的為實(shí)腹式鋼骨混凝土構(gòu)件,而空腹式鋼骨混凝土構(gòu)件的抗震性能與普通鋼筋混凝土構(gòu)件基本相同。目前在抗震結(jié)構(gòu)中多采用實(shí)腹式鋼骨混凝土構(gòu)件。實(shí)腹式鋼骨通常采用軋制型鋼和各種截面形式的焊接型鋼,常見的鋼骨混凝土截面形式如圖1所示[1,2]。

圖1 常用鋼骨混凝土構(gòu)件截面形式

裝配式鋼骨混凝土橋墩中鋼骨采用直接軋制而成的型鋼或鋼管,鋼骨和外包混凝土形成整體,共同承擔(dān)荷載作用[3-6]。鋼骨的存在可減小截面面積,減輕結(jié)構(gòu)自重。相比較全鋼結(jié)構(gòu),可節(jié)約鋼材,同時鋼骨包裹在混凝土內(nèi)部,可避免鋼材銹蝕,提高防火性能。鋼骨架承載能力高,可作為外層混凝土的模板,減少了支模板費(fèi)用,也可縮短工期。鋼骨混凝土橋墩在國內(nèi)還是一個新型結(jié)構(gòu),鑒于日本在鋼骨架高墩建設(shè)方面取得的成就,因而有必要引進(jìn)這種新型結(jié)構(gòu)形式橋墩的構(gòu)造、設(shè)計(jì)和施工方法,并對其進(jìn)行研究,為中國的高墩建設(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 工程概況

上部結(jié)構(gòu)為3×35 m鋼板組合梁,下部結(jié)構(gòu)為裝配式鋼骨混凝土橋墩。3×35 m鋼板組合梁主梁采用雙工字鋼板組合梁,組合梁橋面半幅寬12.5 m,雙幅全寬25.5 m。本橋墩設(shè)計(jì)為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu),墩高設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。內(nèi)模板與外模板均為預(yù)制混凝土板,板厚10 cm。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段高度為1.5 m,根據(jù)墩高選擇節(jié)段數(shù)量。承臺、蓋梁采用現(xiàn)澆形式。鋼骨構(gòu)造圖如圖2所示。

表1 墩高設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖2 裝配式鋼骨混凝土橋墩構(gòu)造

2 墩柱設(shè)計(jì)

2.1 鋼骨設(shè)計(jì)

將原有結(jié)構(gòu)縱向鋼筋的一部分換成鋼材,鋼材抗失穩(wěn)性能優(yōu)于鋼筋,可提高鋼骨混凝土柱的縱向抗失穩(wěn)能力。H型鋼采用的尺寸為HW200×200×8×12,鋼材為Q355D采用H型鋼作為鋼骨,用螺旋筋環(huán)繞在鋼骨周圍,形成的鋼骨架鋼筋柱狀體,將它配置在中空斷面內(nèi)。螺旋筋在橋墩發(fā)生大變形時具有抑制縱向鋼筋失穩(wěn),橫向約束混凝土試件的功能。為提高裝配效率,墩柱H型鋼翼緣和腹板均連接采用了高強(qiáng)螺栓連接。

鋼骨鋼筋柱采用工廠施工,可以避免高空拼裝鋼筋作業(yè),改善了施工工序,提高了施工的機(jī)械化程度,節(jié)省勞力。

2.2 模板設(shè)計(jì)

模板采用預(yù)制混凝土板,預(yù)制板采用C40混凝土,在工廠進(jìn)行預(yù)制,進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆謮K,可快速施工,在施工現(xiàn)場進(jìn)行連接。相鄰混凝土板之間的連接,采用預(yù)埋鋼板和高強(qiáng)螺栓,通過連接鋼板成為整體。內(nèi)外側(cè)混凝土板通過預(yù)埋套筒、連接鋼筋進(jìn)行連接,形成整體。預(yù)制混凝土模板必須與二次澆筑混凝土成為一體,作為結(jié)構(gòu)物的一部分發(fā)揮機(jī)能,二次澆筑采用C40混凝土。因此,預(yù)制混凝土模板的側(cè)面要進(jìn)行打毛。

2.3 連接設(shè)計(jì)

蓋梁采用現(xiàn)澆形式,鋼骨混凝土墩柱內(nèi)部H型鋼、箍筋、豎向鋼筋深入蓋梁1.5 m,蓋梁采用C40混凝土。承臺采用現(xiàn)澆混凝土形式,施工前須提前預(yù)埋型鋼、鋼筋等構(gòu)件。承臺內(nèi)埋置鋼框架底座,底座定位調(diào)整后,采用焊接進(jìn)行連接,承臺采用C30的混凝土。

3 靜力性能分析

一些試驗(yàn)表明實(shí)腹鋼骨混凝土柱在結(jié)構(gòu)喪失承載能力后,鋼骨本身未全部屈服,鋼骨及箍筋對核心部分的混凝土有較好的約束作用,導(dǎo)致構(gòu)件不會立即破壞,仍可以保持一定的承載力和變形能力,這點(diǎn)與鋼筋混凝土柱破壞形態(tài)不同。在達(dá)到最大荷載以前,實(shí)腹鋼骨混凝土柱中鋼骨與混凝土的變形基本上可以保持協(xié)調(diào)。通過試驗(yàn)對構(gòu)件混凝土與鋼骨的測量,發(fā)現(xiàn)混凝土部分與鋼骨兩者均基本符合平截面假定,只是曲率略有偏差。

3.1 靜力計(jì)算方法

計(jì)算鋼骨混凝土橋墩截面承載力可參照中國臺灣規(guī)范《鋼骨鋼筋混凝土構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)范》中第七章條文解說:該方法是將鋼骨視為等量的鋼筋來設(shè)計(jì),并假設(shè)鋼骨和鋼筋之間無相對滑動發(fā)生,亦即屬于完全合成作用(Fully Composite)的狀況。其中鋼骨視為等量的鋼筋配置方式,將等量的鋼筋均勻的布置在H型鋼位置上,如圖3所示。

在存在全局自相關(guān)的前提下，我們可以運(yùn)用局部自相關(guān)檢驗(yàn)計(jì)算各區(qū)域具體的相關(guān)程度，局部Moran’I的具體計(jì)算公式如下：

圖3 型鋼等效鋼筋圖示

3.2 靜力計(jì)算模型

鋼骨混凝土橋墩靜力性能研究考慮自重與汽車偏載效應(yīng)情況下,通過有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析。以結(jié)構(gòu)在荷載作用下的截面抗壓、抗彎與抗剪承載能力計(jì)算為驗(yàn)算指標(biāo),來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性。本次計(jì)算采用MIDAS Civil空間桿系程序,橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)同時建模,如圖4所示。橋墩采用矩形空心截面,鋼骨截面面積換算為等量的鋼筋,布置在型鋼周圍。

圖4 有限元模型

3.3 計(jì)算結(jié)果

橋墩中上部鋼筋直徑采用20 mm,墩底采用直徑為32 mm,布置在型鋼四周,型鋼周邊配置直徑為12 mm的螺旋箍筋,箍筋除在鋼筋混凝土斜截面抗剪中起重要作用外,還可以約束內(nèi)部的混凝土,從而有效地防止縱向受力主筋屈服和鋼骨局部屈曲,如圖5所示。

圖5 鋼骨橋墩截面主筋示意圖

墩身持久狀況承載能力極限狀態(tài)下,最不利荷載組合為1.2倍恒載+1.0收縮徐變+1.4倍活載+1.05倍制動力+1.1倍W1風(fēng)載。W1風(fēng)荷載為《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的對應(yīng)于重現(xiàn)期10年(即10年超越概率65.1%)的風(fēng)作用水平。

該荷載組合下墩身縱向彎矩分布如圖6所示,橋墩抗壓承載力計(jì)算結(jié)果見表2所示?？梢?墩底截面為控制性截面,最不利組合結(jié)果表明,鋼骨混凝土橋墩正截面抗彎、抗壓及斜截面抗剪受力性能均滿足承載力要求。

表2 橋墩抗壓承載力計(jì)算結(jié)果

圖6 基本組合墩身縱向彎矩分布(單位:kN·m)

4 施工技術(shù)研究

橋墩施工時要保證橋墩的位置、高程、尺寸、強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)規(guī)定,其中鋼筋綁扎是橋墩施工最為煩瑣的項(xiàng)目之一。本項(xiàng)目采用鋼骨混凝土橋墩以鋼骨取代部分主筋,同時鋼骨可作為綁扎鋼筋及施工模板的支撐結(jié)構(gòu),降低高空拼裝作業(yè)的風(fēng)險,機(jī)械化程度高,節(jié)省人力成本;但同時起吊重量大,對起吊設(shè)備要求較高,需要性能較好的起重設(shè)備。鋼骨混凝土橋墩施工分為基座、墩身及上部墩身施工,施工步驟如圖7所示。

圖7 施工步驟

4.1 基座施工

(1) 將最下端的鋼骨固定在基座上,并保證基座定位及高程準(zhǔn)確無誤。

(2) 吊裝基礎(chǔ)骨架,進(jìn)行安裝固定,形成鋼骨基礎(chǔ)。

(3) 澆筑基座內(nèi)混凝土,形成鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

4.2 墩身施工

(1) 鋼骨柱螺旋鋼筋的綁扎。

(2) 起吊鋼骨柱。

(3) 連接節(jié)段間鋼骨柱。

(4) 起吊預(yù)制混凝土模板。

(5) 進(jìn)行模板連接。

(6) 澆筑混凝土。

4.3 上部墩身施工

(1) 固定頂部臨時鋼框架。

(2) 架設(shè)上部模板。

(3) 澆筑最上部橋墩混凝土。

在施工方面,墩高較低的橋墩主筋通常不需要拼接,現(xiàn)場綁扎較為容易,因此對于墩高較低的橋墩,使用鋼骨混凝土橋墩不具有施工安裝上的優(yōu)勢;而中高橋墩因主筋需要拼接,鋼骨可作為鋼筋綁扎的輔助固定措施,以減少鋼筋倒塌的風(fēng)險,并可有效減少現(xiàn)場作業(yè)時間,縮短工期;橋墩越高,施工效益提高越顯著。在經(jīng)濟(jì)性方面,橋墩越高,越具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。橋墩越高斷面尺寸越大,主筋需求量也較大,型鋼距離斷面中性軸的距離增加,替代主筋的比例可以提升,因此鋼骨混凝土橋墩特別適用于中高橋墩。

5 結(jié) 論

本文研究了裝配式鋼骨混凝土橋墩承載力計(jì)算方法,并通過空間桿系上下部聯(lián)合分析模型研究了其靜力性能,同時對其施工技術(shù)進(jìn)行了研究。主要研究結(jié)論包括:

(1) 本文對鋼骨混凝土橋墩進(jìn)行了設(shè)計(jì),包括鋼骨、模板及連接設(shè)計(jì)等。

(2) 鋼骨混凝土橋墩的承載力計(jì)算可以采用等效鋼筋法,其具有計(jì)算簡單、應(yīng)用靈活、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn),計(jì)算結(jié)果偏于安全。分析結(jié)果表明,鋼骨混凝土橋墩正截面抗彎、抗壓及斜截面抗剪受力性能均滿足承載力要求。

(3) 鋼骨混凝土橋墩內(nèi)外模板均為預(yù)制混凝土板,采用鋼骨替換原有結(jié)構(gòu)部分縱筋,在鋼骨四周配置縱向鋼筋,采用螺旋箍筋將鋼骨纏繞形成鋼骨架鋼筋柱狀體,放置在中空斷面內(nèi)再澆筑混凝土,同時鋼骨架可作為模板的支撐,有利于流水作業(yè),避免在高空中綁扎鋼筋,既降低了施工風(fēng)險,又改善了施工工序,且提高了施工效率。