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        中小跨徑橋梁裝配式模塊化墩柱設計研究

        2019-07-15 01:02:15陳玉宏王博
        科技創(chuàng)新與應用 2019年12期
        關鍵詞:概念設計橋梁工程裝配式

        陳玉宏 王博

        摘要:中小跨徑橋梁全裝配化有利于節(jié)約資源能源、減少施工污染、提升勞動生產(chǎn)效率以及質(zhì)量安全水平,成為我國橋梁建造模式的主流趨勢。G3京臺高速方興大道至馬堰改擴建項目建設中,以模塊化理念開發(fā)了一種新型裝配式墩柱,提高了墩柱標準化程度,降低墩柱的制造與安裝難度,文章對模塊化墩柱的概念設計方法、技術要點等方法進行研究,為此類結構的裝配化設計提供參考。

        關鍵詞:橋梁工程;下部結構;裝配式;預制墩柱;概念設計;結構設計

        中圖分類號:U442.5 文獻標志碼:A 文章編號:2095-2945(2019)12-0065-03

        引言

        在橋梁工程高速發(fā)展的時代,如何縮短施工周期、減少施工對既有交通的影響、控制現(xiàn)場施工質(zhì)量及減少環(huán)境等因素對施工進度的影響成為主要面臨的難題。橋梁裝配式模塊是解決問題的有效手段,具有降低對交通的干擾、提高施工質(zhì)量、縮短工程工期、綠色環(huán)保等優(yōu)點。

        裝配式墩柱應用探索開始的時間較早,1975年建造的蘭西大橋,使用砌塊式拼裝墩臺,節(jié)約了近四分之一的材料,同時加快了橋梁的建設速度。砌塊式墩臺的合理設計能夠具有一定自鎖功能,塊體內(nèi)的鋼筋可以增強結構的抗震性及延性。接縫方面,Kvle P.Steuck等人研究了大直徑錨固鋼筋灌漿孔連接的相關性能,分析了結構的受力性能以及破壞模式。淮河特大引橋下部結構采用預制圓心空心截面墩,馬會天對該橋進行研究分析得出,通過設置定位墩實現(xiàn)預制墩柱準確定位,通過預制墩柱底側的剪力紋,加強了墩柱與承臺的整體連接,提高了墩柱的抗震能力。林信武指出,裝配式橋墩抗震性能的關鍵是連接處的易損性。灌漿套筒連接具有良好的延性破壞性態(tài),并且可以保證施工精準度,材料強度是鋼筋的1.5倍,可以轉移連接的薄弱環(huán)節(jié),在地震作用下提供良好的抗彎抗剪能力,但是弊端同樣明顯,抗延性有限,不適用于高地震帶橋墩建造。從應用現(xiàn)狀來看,預制橋墩一般針對某工程進行設計,構型與尺寸并不統(tǒng)一,不利于大規(guī)模建造推廣。

        為提高標準化程度,G3京臺高速方興大道至馬堰改擴建項目建設中,以模塊化概念開展新型裝配式墩柱的設計。該墩柱體系可通過更換蓋梁模塊適應不同上部結構,增設橫梁模塊適應不同墩高尺寸,契合橋梁工程的工業(yè)化建造趨勢。本文對其概念設計以及性能分析方法進行研究,為此類結構型式的推廣提供助力,為裝配式墩柱的進一步發(fā)展提供借鑒。

        1工程概況

        本項目依托G3京臺高速方興大道至馬堰改擴建項目,該工程項目起點順接京臺高速公路方興大道互通立交,起點樁號為K1049+748,向南經(jīng)嚴店、豐樂、杭埠、金牛、萬山至廬江,終點位于京臺高速與合安高速公路交叉的馬堰互通立交,終點樁為號K1102+872,全程53.124公里。

        本工程橋梁以中小跨徑為主,由于為改擴建項目,應盡量減少對現(xiàn)狀道路的擾動,因此對建造效率要求較高。經(jīng)研究采用全預制拼裝橋梁體系,上部結構采用了較為成熟的T梁、小箱梁以及雙工字鋼板組合梁,下部結構則開發(fā)一種便利拼裝的模塊化橋墩,該橋墩主體為PHC管樁,管端設置法蘭連接,并輔以預制蓋梁或者承臺等結構。

        2概念設計

        2.1構件的受力與拆分

        樁柱式橋墩由整體式蓋梁、多墩柱體系、整體式承臺以及多樁基體系組成。

        蓋梁的主要功能為傳力構件,其上布置支座可承擔主梁上部結構的自重以及各類活載效應;墩柱為主要受力構件,起到傳遞豎向荷載的作用;承臺作為橫向聯(lián)系,起到提高橋墩體系橫向剛度的作用;樁基為基層支撐構件,由土壤的摩擦力以及端部的支承力提供相應的支承力。

        由于各構件的形狀差異較大,墩柱的裝配化習慣上將各構件單獨拆解開,采用預埋套筒的方式進行連接,構件拆解如圖1所示。

        構件拆解已經(jīng)基本上完成了預制部件的劃分,然而部分寬幅蓋梁、超高墩的預制、運輸與安裝并不便利,在此基礎上需要對構件本身進行切分,對于橫向構件橫向分塊,對于豎向構件豎向分節(jié);分塊或者分節(jié)接縫的設置則遵循受力最小原則,例如蓋梁、承臺在受彎相對較小的位置進行分塊,見圖2。本項目側重于對蓋梁、墩柱以及承臺設計結構的研究。

        2.2 T型及方型模塊化橋墩概念設計

        T型模塊化橋墩是一種通過提高墩柱本身強度,并采用鋼橫梁進行橫向連接以滿足橫向受力需求,這樣可以將蓋粱以及承臺中間的聯(lián)系節(jié)段予以取消.進一步提高裝配化施工的效率,減少預制種類與數(shù)量,見圖3所示。

        對于布置雙主梁的橋梁,對蓋梁的需求并沒有那么顯著,此時可以將蓋梁的橫向尺寸進行削減,得到的方型模塊化橋墩構造,如圖4所示。

        作為基本結構的管樁、承臺以及墩柱僅保持兩三種型號即可,對于不同的上部結構可以采用不同的蓋梁模塊,對于不同高度的墩柱,則可以增設鋼構件橫梁加強聯(lián)系。該新型體系具有非常高的標準化程度,無需根據(jù)具體工程更改構型或尺寸設計,在中小跨徑橋梁中具有廣泛的應用空間。

        3構造設計

        3.1墩柱設計

        采用預制橋墩構造時,一方面需要增加墩柱的強度,另一方面需要減輕墩柱的質(zhì)量,以提高裝配化,本研究提出采用高強混凝土大直徑空心墩柱的構造型式。

        墩柱設計以PHC管樁為原型,選用管樁型號,材料為C70高強混凝土,標準段長度為8m。墩柱構件之間采用法蘭盤連接,可以顯著提高裝配效率,同時具有可檢、可修,便于更換的優(yōu)勢。

        法蘭由兩塊鋼板組成,鋼板之間采用沿徑向布置的加勁肋板焊接進行連接,一塊鋼板與混凝土之間進行連接,另外一塊鋼板則預留螺栓孔,負責與其它墩柱預留鋼板以高強螺栓型式連接,墩柱連接與法蘭構造見圖5所示。

        3.2蓋梁設計

        蓋梁起到支撐主梁以及傳遞荷載的作用,可盡量減少材料的用量,按照對稱型式進行設計。對于懸挑的裝配式蓋梁,其符合懸臂梁的受力特征,雙邊受力較小,中間受力較大,可采用傳統(tǒng)的削角處理,以進一步減輕結構自重,節(jié)約材料用量。對于支承單片梁的蓋梁來說,主要負責傳遞荷載的作用,需要滿足支座布置以及局部承壓的要求。通過綜合支座的布置需求,受力要求,確定了T型蓋梁與方形蓋梁型式,T型蓋梁接縫處預留孔見圖6所示。

        3.3墩柱連接設計

        承臺接縫采用了插槽式現(xiàn)澆混凝土接縫連接型式,在承臺內(nèi)預留1m深的槽口,并在墩柱表面刻槽口,以提高墩柱與承臺的整體性。槽口采用梯形槽口,頂口大、底口小,且為了盡可能增加與預制管樁連接強度,在圓心處60cm高的榫頭,承臺連接見圖7所示。

        施工時,只需要在底面找平后,將管樁安裝到位,然后采用C50混凝土灌注槽口,充分振搗養(yǎng)護后,完成接縫的施工。

        3.4橫向連接設計

        模塊化橋墩使用鋼橫梁的橫向連接方式增強了墩柱的自身強度,以滿足抗震和穩(wěn)定性的要求,同時該構造方式非常簡潔,不需要對墩柱進行更改,提高了墩柱體系的標準化程度。

        4結束語

        提出了模塊化橋墩的概念,并完成了相應的原型設計,通過提高墩柱強度、刪去蓋梁及承臺的橫向聯(lián)系,實現(xiàn)更高程度的標準化。該墩柱型式在背景工程中取得了成功應用,可以為同類型工程提供參考借鑒。

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