一种等同现浇的装配式空心桥墩体系及其施工方法与流程

本发明涉及装配式桥墩领域，特别涉及一种等同现浇的装配式空心桥墩体系及其施工方法。

背景技术：

预制装配式桥梁建造技术以其施工工期短、对交通影响小、预制构件工厂批量化生产、质量易于控制等优点，在桥梁工程建设中得到了广泛的应用，预制装配式桥梁建造技术已成为桥梁工程建设的主要发展趋势。但装配式桥墩抗震性能尚不完全明确，在中高烈度地震区桥梁工程中应用受到很大的限制。主要原因在于，目前的桥梁延性抗震设计中，桥墩通常作为桥梁结构中的延性构件，通过发展塑性铰耗散地震能量进而保护桥梁其余构件，塑性铰行为也是传统的整体现浇钢筋混凝土延性桥墩在地震荷载作用下的典型特征，而大多数当前的装配式桥墩体系中预制构件的连接可能会对桥墩塑性铰的形成产生影响，进而影响到整个桥梁结构的抗震性能，这些因素导致装配式桥墩技术目前难以在中高烈度地震区广泛推广和应用。

目前关于装配式桥墩体系的研究与开发，主要是将桥墩沿竖向分为若干预制墩身节段，通过预应力筋施加预应力将各预制墩身节段竖向拼装为桥墩整体，该类预应力装配式桥墩体系在非抗震设防区域和低烈度地震区的桥梁工程中应用较多，但是对于中高烈度地震区的桥梁工程，该类装配式桥墩体系在地震荷载作用下，承台与桥墩接缝处以及各预制墩身节段接缝处易产生应力集中现象，且存在耗能性能差、预应力损失、受力特性与传统整体现浇桥墩差异显著、预应力的使用增加了施工的难度及工程造价等，这些因素导致相关研究成果目前难以在中高烈度地震区桥梁工程中推广使用。此外，当前阶段桥墩类型的选择已经从原有的重力型桥墩逐渐向轻型桥墩过渡，装配式空心桥墩中各预制墩身节段间的连接处理是设计中的关键问题，该连接构造设计得当与否，直接影响到桥墩整体的受力性能以及施工周期和现场施工安全。

当前适用于地震区域的一类装配式桥墩为等同现浇装配式桥墩体系，即一种具有与传统整体现浇钢筋混凝土桥墩相近受力特性和抗震性能以及可预期的塑性铰行为的装配式桥墩体系。研究证明，灌浆管道连接以及湿接缝连接是应用于装配式桥墩的一种经济有效的连接方式，但两连接类型存在可能由于连接长度较大而影响桥墩的塑性铰行为等问题。因此，开发出具有成本效益、施工快速可行的等同现浇装配式桥墩体系仍是目前装配式桥墩建造技术应用于地震区域桥梁工程所面临的技术难点。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提供一种等同现浇的装配式空心桥墩体系及其施工方法，采用超韧性纤维混凝土(utfc)灌浆管道连接和超韧性纤维混凝土(utfc)湿接缝连接分别完成预制墩底节段与预制承台以及各相邻预制墩身节段间的连接，能够有效减小灌浆管道连接以及湿接缝连接所需的连接长度、改善接缝处的力学性能，并结合合理的构造设计使该装配式空心桥墩体系在受力特性与抗震性能方面达到等同现浇的性能水平，具有整体性好、抗震性能好、刚度大、韧性高、耐久性好、施工现实可行等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种等同现浇的装配式空心桥墩体系，包括设置在地基土层的预制承台1，预制承台1上方设置有桥墩，桥墩由各预制墩身节段5拼装而成，各预制墩身节段5包括预制墩底节段16、预制墩中节段14以及与墩帽6整体预制的预制墩顶节段7。

所述预制承台1和各预制墩身节段5为普通钢筋混凝土材料预制而成，内部均配置有纵向钢筋12和横向箍筋13；所述预制承台1内部预埋有金属波纹管2、顶面设有凹槽3；所述各预制墩身节段5为空心矩形截面，且两端或一端设有纵向连接钢筋18和支承齿块15。

所述预制墩中节段14和预制墩顶节段7底端的支承齿块15预埋有粗直径内螺纹及螺栓8，预制墩底节段16和预制墩中节段14顶端的支承齿块15设置有剪力钉11和钢板9。

所述预制承台1与预制墩底节段16之间采用utfc灌浆管道连接完成拼接，相邻各预制墩身节段5之间采用超韧性纤维混凝土utfc湿接缝连接完成拼接；所述utfc湿接缝连接处的桥墩内腔设置有用于各预制墩身节段拼装的预制导向块19以及用于支承预制导向块19的横向支承钢筋20，所述预制导向块19由石膏材料预制，截面形式可为空心或实心截面。

所述utfc湿接缝连接中相邻各预制墩身节段5之间的纵向连接钢筋18做搭接、焊接、机械连接、或记忆合金连接处理，utfc湿接缝连接设置长度l按下式计算确定：

式中：

d为纵向连接钢筋18直径；

fs为纵向连接钢筋18强度，取fs＝max(1.5fy,fu)，其中fy为纵向连接钢筋18屈服强度，fu为纵向连接钢筋18极限强度；

futfc为超韧性纤维混凝土utfc材料28d实测抗压强度；

α为纵向连接钢筋18直径大小影响系数，d＝12mm时，α＝1.0，d＝32mm时，α＝1.2,d为12～32mm之间时，由线性内插确定α取值；

c为纵向连接钢筋18连接处理影响系数，当纵向连接钢筋做搭接、焊接、机械连接、记忆合金连接处理时，c分别取1.0、0.5、0.65、0.87；

所述utfc灌浆管道连接中的纵向连接钢筋18设置有4d长度的纵筋剥离段17。

基于上述等同现浇的装配式空心桥墩体系的施工方法：

步骤一：吊装预制承台1就位，吊装预制墩底节段16与预制承台1进行预拼装，然后向预埋的金属波纹管2与凹槽3内灌注utfc4，再将预制墩底节段16吊装至预定位置并通过支架固定，预制墩底节段16与预制承台1完成拼装；

步骤二：吊装预制导向块19至预制墩底节段16的横向支承钢筋20，然后吊装相邻预制墩中节段14至预制墩底节段16上方，通过预制导向块19与支承齿块15以及粗直径内螺纹及螺栓8完成预制墩中节段14拼装位置及垂直度的调整，并通过对螺栓和钢板9进行点焊以对该预制墩中节段进行初步固定，再对预制导向块19与相接的预制墩身节段5内壁之间的缝隙进行环氧树脂胶24填充密封，使预制导向块19作为utfc湿接缝连接处的内模；

步骤三：对预制墩底节段16和相邻预制墩中节段14的纵向连接钢筋18进行搭接、或焊接、或机械连接、或记忆合金连接处理，然后绑扎横向箍筋13并支护外模板21，再通过注浆口22灌注utfc4，直至utfc4从出浆口23冒出，进行振捣和养护，utfc湿接缝连接浇筑完成，至此预制墩底节段16与相邻预制墩中节段14完成拼装；

步骤四：依次重复上述步骤二和步骤三，完成其余相邻各预制墩身节段之间的拼装，最终整个桥墩施工完成。

本发明利用utfc材料强度远高于普通混凝土和常规灌浆料的特点，通过减小纵向连接钢筋所需的锚固长度，有效减小了utfc灌浆管道连接和utfc湿接缝连接所需的连接长度；通过在utfc灌浆管道连接中的纵向连接钢筋设置4d长度的纵筋剥离段，能够有效避免该纵筋连接钢筋在预制承台与预制墩底节段间拼接面处产生应力集中，防止其在往复荷载作用下发生疲劳破坏，并将该纵向连接钢筋的变形扩展到更大的长度范围，进而扩展墩底的塑性铰区域，减缓塑性铰集中破坏程度，提高该装配式桥墩体系的延性；通过在预制承台顶部表面设计浅凹槽以增强预制墩底节段与预制承台间拼接面处的剪力传递；各预制墩身节段一端或两端的支承齿块，避免了后浇utfc湿接缝连接与预制墩身节段的接触面完全处于同一平面，能够协同utfc湿接缝连接处的剪力传递，且通过转动预制墩身节段底端的支承齿块中预埋的粗直径螺栓能够在预制墩身节段拼装时对其垂直度进行微调，以确保垂直度符合设计要求；石膏材料的预制导向块的设置，既充当预制墩身节段拼装时的导向块，又充当了浇筑utfc湿接缝浇筑时的内模，且石膏材料的较低强度避免了该预制导向块对桥墩整体受力性能产生影响；墩底的utfc灌浆管道连接是一种延性连接，该连接被设计成在高水平地震力作用下以延性方式屈服，墩底附近仍是潜在的塑性铰区；预制墩身节段间的utfc湿接缝连接是一个很强的连接，当墩底在高水平地震力作用下屈服时，该连接受到保护而保持弹性；上述各细部构造设计将确保本发明所提出的装配式空心桥墩体系各项力学特性和抗震性能与传统整体现浇钢筋混凝土桥墩相近，即达到等同现浇的性能水平，且utfc灌浆管道连接和utfc湿接缝连接均采用灌浆工艺完成utfc的浇筑，施工方便可行，utfc优越的力学性能将确保连接性能的稳定；利用预制拼装的施工方法，极大的提高了施工效率，缩短了施工周期，经济效益好，在很大程度上节省了人力物力。该发明具有重大的实用价值和良好的经济效益，尤其是在桥墩施工技术领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明等同现浇的装配式空心桥墩构造示意图。

图2为本发明预制墩中节段和预制墩顶节段底端支承齿块的布置图。

图3为本发明各预制墩身节段5配筋示意图。

图4为本发明预制墩底节段16结构示意图。

图5为本发明预制墩中节段14结构示意图。

图6为本发明utfc湿接缝连接预制导向块19及外模板21设置示意图。

图7为本发明utfc湿接缝连接预制导向块19及外模板21设置俯视图。

图8为本发明utfc湿接缝连接纵向连接钢筋18采用搭接的构造示意图。

图9为本发明utfc湿接缝连接纵向连接钢筋18采用焊接的构造示意图。

图10为本发明utfc湿接缝连接纵向连接钢筋18采用机械连接的构造示意图。

图11为本发明utfc湿接缝连接纵向连接钢筋18采用记忆合金连接的构造示意图。

其中：1、预制承台；2、金属波纹管；3、凹槽；4、utfc；5、各预制墩身节段；6、墩帽；7、预制墩顶节段；8、粗直径内螺纹及螺栓；9、钢板；10、纵向连接钢筋机械连接；11、剪力钉；12、纵向钢筋；13、横向箍筋；14、预制墩中节段；15、支承齿块；16、预制墩底节段；17、纵筋剥离段；18、纵向连接钢筋；19、预制导向块；20、横向支承钢筋；21、外模板；22、注浆口；23、出浆口；24、环氧树脂胶；25、纵向连接钢筋搭接；26、纵向连接钢筋焊接；27、纵向连接钢筋记忆合金连接。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，一种等同现浇的装配式空心桥墩体系，包括预制承台1，预制承台1内部预埋有金属波纹管2、顶面设置有凹槽3，预制承台1上方设置有各预制墩身节段5，各预制墩身节段5包括预制墩底节段16、预制墩中节段14、以及与墩帽6整体预制的预制墩顶节段7；

如图2、图3所示，预制承台1和各预制墩身节段5均为普通钢筋混凝土材料预制而成，内部均配置有纵向钢筋12和横向箍筋13，各预制墩身节段5为空心矩形截面；

如图4、图5所示，各预制墩身节段5两端或一端设有纵向连接钢筋18和支承齿块15，预制墩中节段14和预制墩顶节段7底端的支承齿块15预埋有粗直径内螺纹及螺栓8，预制墩底节段16和预制墩中节段14顶端的支承齿块15设置有剪力钉11和钢板9；

如图6、图7所示，utfc湿接缝连接处的桥墩内腔设置有用于各预制墩身节段拼装的预制导向块19以及用于支承预制导向块19的横向支承钢筋20，预制导向块19由石膏材料预制，截面形式可为空心或实心截面，本实施例选为实心截面；

utfc湿接缝连接处纵向连接钢筋为机械连接处理时，utfc湿接缝设置长度l按下式计算确定：

式中：

d为纵向连接钢筋直径；

fs为纵向连接钢筋强度，取fs＝max(1.5fy,fu)，其中fy为纵向连接钢筋屈服强度，fu为纵向连接钢筋极限强度；

futfc为超韧性纤维混凝土(utfc)材料28d实测抗压强度；

α为纵向连接钢筋直径大小影响系数，d＝12mm时，α＝1.0，d＝32mm时，α＝1.2,d为12～32mm之间时，由线性内插确定α取值；

c为纵向连接钢筋连接处理影响系数，当纵向连接钢筋做机械连接处理时，参照图10，取0.65；

上述本实施例的等同现浇的装配式空心桥墩体系的施工步骤为：

步骤一：吊装预制承台1就位，吊装预制墩底节段16与预制承台进行预拼装，然后向预埋的金属波纹管3与凹槽3内灌注utfc4，再将预制墩底节段16吊装至预定位置并通过支架固定，预制墩底节段16与预制承台1完成拼装；

步骤二：吊装预制导向块19至预制墩底节段16的横向支撑钢筋20，然后吊装相邻预制墩中节段14至预制墩底节段16上方，通过预制导向块19与支承齿块15以及转动8中的螺栓完成该预制墩中节段14拼装位置及垂直度的调整，并通过对粗直径内螺纹及螺栓8中的螺栓和钢板9进行点焊以对该预制墩中节段14进行初步固定，再对预制导向块19与相接的预制墩身节段5内壁之间的缝隙进行环氧树脂胶24填充密封，使预制导向块19作为utfc湿接缝连接处的内模；

步骤三：对预制墩底节段16和相邻预制墩中节段14的纵向连接钢筋18做纵向连接钢筋机械连接10处理，参照图10，然后绑扎横向箍筋13并支护外模板21，再通过注浆口22灌注utfc4，直至utfc4从出浆口23冒出，进行振捣和养护，utfc湿接缝连接浇筑完成，至此预制墩底节段16与相邻预制墩中节段14完成拼装；

步骤四：依次重复上述步骤二和步骤三，完成其余相邻各预制墩身节段5之间的拼装，最终整个桥墩施工完成。

实施例二

如图1、图8所示，一种等同现浇的装配式空心桥墩体系，包括预制承台1，预制承台1内部预埋有金属波纹管2、顶面设置有凹槽3，预制承台1上方设置有各预制墩身节段5，各预制墩身节段5包括预制墩底节段16、预制墩中节段14、以及与墩帽6整体预制的预制墩顶节段7；

如图2、图3所示，预制承台1和各预制墩身节段5均为普通钢筋混凝土材料预制而成，内部均配置有纵向钢筋12和横向箍筋13，各预制墩身节段5为空心矩形截面；

如图4、图5所示，各预制墩身节段5两端或一端设有纵向连接钢筋18和支承齿块15，预制墩中节段14和预制墩顶节段7底端的支承齿块15预埋有粗直径内螺纹及螺栓8，预制墩底节段16和预制墩中节段14顶端的支承齿块15设置有剪力钉11和钢板9；

如图6、图7所示，utfc湿接缝连接处的桥墩内腔设置有用于各预制墩身节段拼装的预制导向块19以及用于支承预制导向块19的横向支承钢筋20，预制导向块19由石膏材料预制，截面形式可为空心或实心截面，本实施例选为实心截面；

utfc湿接缝连接处纵向连接钢筋为搭接处理时，utfc湿接缝设置长度l按下式计算确定：

式中：

d为纵向连接钢筋直径；

fs为纵向连接钢筋强度，取fs＝max(1.5fy,fu)，其中fy为纵向连接钢筋屈服强度，

fu为纵向连接钢筋极限强度；

futfc为超韧性纤维混凝土(utfc)材料28d实测抗压强度；

α为纵向连接钢筋直径大小影响系数，d＝12mm时，α＝1.0，d＝32mm时，α＝1.2,d为12～32mm之间时，由线性内插确定α取值；

c为纵向连接钢筋连接处理影响系数，当纵向连接钢筋做搭接处理时，参照图8，取1.0；

上述本实施例的等同现浇的装配式空心桥墩体系的施工步骤为：

步骤一：吊装预制承台1就位，吊装预制墩底节段16与预制承台进行预拼装，然后向预埋的金属波纹管2与凹槽3内灌注utfc4，再将预制墩底节段16吊装至预定位置并通过支架固定，预制墩底节段16与预制承台1完成拼装；

步骤二：吊装预制导向块19至预制墩底节段16的横向支撑钢筋20，然后吊装相邻预制墩中节段14至预制墩底节段16上方，通过预制导向块19与支承齿块15以及转动粗直径内螺纹及螺栓8中的螺栓完成该预制墩中节段14拼装位置及垂直度的调整，并通过对粗直径内螺纹及螺栓8中的螺栓和钢板9进行点焊以对该预制墩中节段14进行初步固定，再对预制导向块19与相接的预制墩身节段5内壁之间的缝隙进行环氧树脂胶24填充密封，使预制导向块19作为utfc湿接缝连接处的内模；

步骤三：对预制墩底节段16和相邻预制墩中节段14的纵向连接钢筋18做纵向连接钢筋搭接25处理，参照图8，然后绑扎横向箍筋13并支护外模板21，再通过注浆口22灌注utfc4，直至utfc4从出浆口23冒出，进行振捣和养护，utfc湿接缝连接浇筑完成，至此预制墩底节段16与相邻预制墩中节段14完成拼装；

步骤四：依次重复上述步骤二和步骤三，完成其余相邻各预制墩身节段5之间的拼装，最终整个桥墩施工完成。

参照图8、图9、图10、图11，对预制墩底节段16和相邻预制墩中节段14的纵向连接钢筋18除了做实施例一的机械连接处理、实施例二的纵向连接钢筋搭接25处理外，还可以做纵向连接钢筋焊接26处理或纵向连接钢筋记忆合金连接27处理，参照图9为本发明utfc湿接缝连接纵向连接钢筋18采用焊接的构造示意图；图11为本发明utfc湿接缝连接纵向连接钢筋18采用记忆合金连接的构造示意图。

本发明的原理和优势：

本发明提出的等同现浇的装配式空心桥墩体系及其施工方法是利用超韧性纤维混凝土(utfc)材料的抗压强度高，各项力学性能优越，与钢筋的粘结性能好的优点，有效缩短了拼接缝所需长度，消除了在装配式桥墩技术中各预制节段间拼接处钢筋连接构造复杂、混凝土强度不足和接缝力学性能差等缺点，通过构造设计使装配式空心桥墩的连接构造更为简单，施工方便可行，提高了桥墩施工的效率，并确保了本发明所提出的装配式空心桥墩体系各项力学特性和抗震性能及塑性铰行为与传统整体现浇钢筋混凝土桥墩相近，最终达到等同现浇的性能水平。

本领域内的超韧性纤维混凝土(utfc)为一专有名称，在本发明中一般是指采用毫米级颗粒(骨料)并添加钢纤维的水泥基混凝土，其是相对普通混凝土、高性能混凝土而言的另一类力学综合性能更加优异的混凝土材料，例如活性粉末混凝土、超高性能纤维增强混凝土、注浆纤维混凝土、密实配筋复合材料等，但优选为超高性能钢纤维增强混凝土或注浆纤维混凝土。

与现有技术相比，本发明在空心桥墩连接处设置超韧性纤维混凝土utfc，在超韧性纤维混凝土utfc中的钢筋采用搭接、焊接或机械连接，这显著改变了预制拼装空心桥墩的结构形式和工作状态，也使得本发明的技术方案具备以下明显的优势：

首先，本发明的超韧性纤维混凝土连接空心桥墩结构共同受力，超韧性纤维混凝土utfc自身的应力、变形等指标均能满足于现浇空心桥墩结构工作的要求；

其次，本发明的超韧性纤维混凝土utfc增大了桥墩的刚度，保证连接段与墩身节段的粘结性能，提高了连接段的抗裂性能和耐久性能。

此外，本发明技术方案中的超韧性纤维混凝土utfc所选用的是适用于空心桥墩连接的配比，其组成材料不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积，不仅易于施工操作，且能够保证密实性，提高了桥墩的抗震性能和在恶劣环境条件下的耐侵蚀能力和耐久性。

连接段可以通过对超韧性纤维混凝土层不同壁厚和高度的取值，使连接后的空心桥墩骨架曲线峰值及延性达到或优于现浇墩柱的性能。综上所述，本发明提出的超韧性纤维混凝土作为预制拼装空心桥墩湿接缝，具有结构刚度大、层间粘结性好、耐久性好、抗疲劳性能好等优点，具有重大的实用价值和良好的经济效益，尤其是在空心桥墩预制拼装领域具有广阔的应用前景。并具有抗震性能好，耐久性能优越，在预制空心桥墩下节段上放置石膏导向块，并将空心桥墩上下节段通过支撑齿块进行对接，对墩身上下节段的受力纵筋进行搭接、焊接或机械连接；安装模板，浇筑超韧性纤维混凝土，完成后采用振动平台加以振实；对浇筑后的超韧性纤维混凝土进行养护，待混凝土的力学指标达到设计要求后拆模，完成整个施工。