摘 要：文章針對大跨徑橋梁建設(shè)的施工效率、工程質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)以及可持續(xù)發(fā)展的不斷需求，對預(yù)制裝配式墩柱性能開展了系統(tǒng)性的研究工作。詳細(xì)闡述了預(yù)制裝配式墩柱的結(jié)構(gòu)體系、關(guān)鍵連接技術(shù)以及設(shè)計(jì)原理。隨后結(jié)合具體的工程案例或者典型設(shè)計(jì)，提出了墩柱在施工及運(yùn)營期的監(jiān)測方案。重點(diǎn)圍繞施工階段的力學(xué)性能、耐久性以及運(yùn)營期的地震穩(wěn)定性展開了深入的分析與評估。通過理論分析、數(shù)值模擬以及試驗(yàn)研究（如適用）等手段，探討了預(yù)制節(jié)段吊裝、接縫連接、預(yù)應(yīng)力施加等關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)對墩柱力學(xué)行為產(chǎn)生的影響，分析了預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量控制、接縫處理對墩柱長期耐久性發(fā)揮的作用機(jī)制，并評估了不同連接方式下預(yù)制裝配式墩柱的抗震性能、損傷模式以及震后可恢復(fù)性。研究結(jié)果為大跨徑橋梁預(yù)制裝配式墩柱的工業(yè)化和智能化發(fā)展提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：大跨徑橋梁 預(yù)制裝配式墩柱 節(jié)段連接 力學(xué)性能 耐久性 地震穩(wěn)定性

隨著大跨徑橋梁建設(shè)數(shù)量不斷增長，傳統(tǒng)的現(xiàn)澆墩柱開始面臨諸多挑戰(zhàn)，預(yù)制裝配式技術(shù)具備高效優(yōu)質(zhì)環(huán)保等優(yōu)勢，在大跨徑橋梁墩柱中的應(yīng)用前景十分廣闊，但其節(jié)段連接可靠性、整體力學(xué)性能、耐久性以及抗震穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)問題還需進(jìn)一步研究，現(xiàn)有研究大多集中于橋梁的上部結(jié)構(gòu)，針對預(yù)制墩柱尤其是復(fù)雜受力環(huán)境下的綜合性能研究尚不充分；文章致力于系統(tǒng)研究大跨徑橋梁預(yù)制裝配式墩柱，重點(diǎn)探討其結(jié)構(gòu)體系、力學(xué)響應(yīng)、監(jiān)測方案、施工期力學(xué)與耐久性以及地震穩(wěn)定性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)施工和提升結(jié)構(gòu)安全耐久性提供理論與技術(shù)支持。

1 大跨徑橋梁預(yù)制裝配式墩柱

1.1 工程概況

文章以正在計(jì)劃建設(shè)的東海灣跨海特大橋工程作為背景，這座橋的主橋是一座主跨達(dá)到780米的雙塔雙索面混合梁斜拉橋，引橋采用的是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的形式，主橋索塔承臺以上的塔柱設(shè)計(jì)高度為185米，為滿足快速進(jìn)行施工、減少海上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、提升構(gòu)件質(zhì)量以及響應(yīng)綠色建造的需求，塔柱中下部120米高度范圍內(nèi)的墩柱結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性采用預(yù)制裝配式節(jié)段施工方案，該預(yù)制墩柱截面是帶倒角的矩形空心截面，外輪廓尺寸為8.5米×6.0米且壁厚為0.8米，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制節(jié)段高度設(shè)計(jì)成4.5米，最大節(jié)段重量大約為165噸，全部預(yù)制節(jié)段在陸上專業(yè)預(yù)制廠內(nèi)使用高精度鋼模板配合先進(jìn)的匹配預(yù)制工藝和蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)來生產(chǎn)，以此確保節(jié)段的幾何精度和混凝土質(zhì)量，現(xiàn)場安裝采用大型塔式起重機(jī)配合專用吊具進(jìn)行垂直吊裝，節(jié)段之間采用干接縫連接并且通過高強(qiáng)度無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行豎向連接與錨固，從而形成整體受力結(jié)構(gòu)，該方案旨在大幅縮短海上高空作業(yè)的時(shí)間，降低施工對海洋環(huán)境所產(chǎn)生的影響，并且為后續(xù)類似工程提供寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)儲備[1]。

1.2 預(yù)制裝配式墩柱結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計(jì)原理

大跨徑橋梁預(yù)制裝配式墩柱的結(jié)構(gòu)體系重點(diǎn)是把傳統(tǒng)現(xiàn)澆墩柱沿豎向劃分成若干標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，這些節(jié)段會在工廠化條件下完成預(yù)制工作，之后運(yùn)輸?shù)綐蛭惶庍M(jìn)行吊裝、定位以及連接操作，最終形成完整的墩柱結(jié)構(gòu)；其關(guān)鍵技術(shù)是保證節(jié)段間的連接方式以及整體受力性能，常見連接方式有干接縫連接、濕接縫（像環(huán)氧樹脂接縫或者微膨脹混凝土后澆帶）連接和套筒灌漿連接等，干接縫主要依靠節(jié)段接觸面間的摩擦力和剪力鍵來傳遞剪力，通過施加預(yù)應(yīng)力提供壓應(yīng)力保證接縫密閉性和抗彎能力，濕接縫則通過在節(jié)段間填充高性能連接材料形成整體，具備更好的傳力連續(xù)性和耐久性，在設(shè)計(jì)原理方面，預(yù)制裝配式墩柱首先遵循“等同現(xiàn)澆”原則，在承載能力、剛度、延性及耐久性等方面力求達(dá)到甚至超越傳統(tǒng)現(xiàn)澆墩柱的性能，節(jié)段劃分要綜合考慮預(yù)制、運(yùn)輸、吊裝能力、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)（例如避開高應(yīng)力區(qū)或者對接縫進(jìn)行特殊加強(qiáng)）以及施工效率，預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)是核心環(huán)節(jié)，通過合理布置和施加預(yù)應(yīng)力確保在各種荷載工況下節(jié)段接縫處保持足夠壓應(yīng)力，有效控制裂縫并提高結(jié)構(gòu)整體性和抗疲勞性能，此外還需重點(diǎn)關(guān)注接縫的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)，比如剪力鍵的尺寸與數(shù)量、接縫的防水密封措施以及預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)的局部承壓能力，以此確保連接的可靠性和耐久性[2]。

1.3 大跨徑橋梁預(yù)制裝配式墩柱監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

為了全面評估東海灣跨海特大橋預(yù)制裝配式墩柱在施工以及長期運(yùn)營期間的性能表現(xiàn)，專門設(shè)計(jì)出一套詳盡的監(jiān)測方案。監(jiān)測方案在施工期的目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)假定、控制施工質(zhì)量以及保障施工安全，同時(shí)為優(yōu)化施工工藝提供數(shù)據(jù)支持，在運(yùn)營期可以綜合掌握結(jié)構(gòu)的健康狀況、評估長期服役性能以及預(yù)測潛在損傷發(fā)展趨勢，從而為養(yǎng)護(hù)維修決策提供科學(xué)依據(jù)。監(jiān)測內(nèi)容主要包含以下方面，首先是應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，在墩柱關(guān)鍵截面如墩底、墩頂、典型節(jié)段接縫兩側(cè)及預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)的混凝土內(nèi)外表面以及內(nèi)部鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋上布設(shè)光纖光柵（FBG）應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變片，以此實(shí)時(shí)獲取結(jié)構(gòu)在荷載作用下的應(yīng)力分布和變化情況。其次是位移與變形監(jiān)測，采用GPS全球定位系統(tǒng)、高精度全站儀和激光測距儀來監(jiān)測墩頂?shù)慕^對位移和墩身側(cè)向撓度，同時(shí)在節(jié)段接縫處安裝FBG位移傳感器或高精度位移計(jì)（LVDT），用以監(jiān)測接縫的相對張開量與錯(cuò)動量。再次是傾斜與轉(zhuǎn)角監(jiān)測，沿墩高不同位置布設(shè)高精度傾角傳感器，以此監(jiān)測墩身的整體傾斜和局部轉(zhuǎn)角。在預(yù)應(yīng)力監(jiān)測方面，在部分預(yù)應(yīng)力筋的張拉端和錨固端安裝壓力傳感器或FBG索力計(jì)，用于監(jiān)控預(yù)應(yīng)力的施加過程和長期損失。溫度監(jiān)測是通過在墩柱內(nèi)外及混凝土內(nèi)部預(yù)埋溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而分析溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響[3]。

2 施工研究及應(yīng)用效果評估

2.1 預(yù)制裝配式墩柱施工力學(xué)性能分析

預(yù)制裝配式墩柱施工階段的力學(xué)性能對保證結(jié)構(gòu)安全和最終服役性能很關(guān)鍵。研究采用精細(xì)化有限元分析方法對節(jié)段吊裝、臨時(shí)固定、接縫匹配、預(yù)應(yīng)力張拉等關(guān)鍵施工工況展開模擬。在節(jié)段吊裝分析里，重點(diǎn)關(guān)注吊點(diǎn)布置優(yōu)化以及吊裝過程中節(jié)段自身的應(yīng)力狀態(tài)，確保最大拉應(yīng)力不超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的80%。例如對于C50混凝土，f_tk=2.65MPa，則控制拉應(yīng)力小于2.12MPa，并且校核吊索與節(jié)段連接處的局部承壓。臨時(shí)支撐體系設(shè)計(jì)要考慮已拼裝節(jié)段的自重、風(fēng)荷載以及后續(xù)節(jié)段安裝產(chǎn)生的偏心荷載，確保其穩(wěn)定性和變形處于允許范圍，如臨時(shí)支撐下已拼裝結(jié)構(gòu)頂部位移小于H/1500，H為已拼裝高度。接縫匹配與連接過程中，分析了干接縫在初始壓應(yīng)力作用下的接觸應(yīng)力分布以及濕接縫灌漿料早期強(qiáng)度發(fā)展對臨時(shí)固定的影響。預(yù)應(yīng)力張拉是核心環(huán)節(jié)，通過模擬分批對稱張拉過程，分析預(yù)應(yīng)力施加對墩柱截面應(yīng)力重分布、軸向壓縮變形預(yù)計(jì)約3-5mm/10m墩高及預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失如錨具變形、鋼束回縮、摩阻損失等綜合估算約占總張拉力的6% - 10%的影響，確保接縫處獲得不小于1.5MPa的有效壓應(yīng)力。同時(shí)對施工容差如節(jié)段端面不平整度控制在0.5mm以內(nèi)和垂直度偏差控制在1/3000以內(nèi)對結(jié)構(gòu)受力的敏感性進(jìn)行評估[4]。

2.2 預(yù)制裝配式墩柱施工耐久性性能分析

預(yù)制裝配式墩柱的長期耐久性和它的施工質(zhì)量緊密相關(guān)，尤其是預(yù)制構(gòu)件自身的質(zhì)量控制以及接縫處理工藝，研究著重分析施工階段對耐久性產(chǎn)生影響的各類因素，預(yù)制構(gòu)件處于工廠化生產(chǎn)條件的時(shí)候，混凝土配合比會得到嚴(yán)格控制，像采用C50高性能海工混凝土，水膠比小于等于0.35，摻入適量粉煤灰和礦渣粉來提高抗氯離子滲透性，并且通過蒸汽養(yǎng)護(hù)，例如65℃恒溫養(yǎng)護(hù)8小時(shí)，以此確保早期強(qiáng)度和后期耐久性，鋼筋保護(hù)層厚度運(yùn)用高精度定位技術(shù)，保證其能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如50mm±3mm，這樣可以有效延緩鋼筋銹蝕的情況，對于接縫耐久性而言，若采用干接縫，就會對剪力鍵槽的防積水和表面處理提出相應(yīng)要求，若采用濕接縫，就會選用和母材混凝土性能相匹配的高性能無收縮灌漿料或環(huán)氧樹脂膠，如28天抗壓強(qiáng)度大于等于70MPa，粘接強(qiáng)度大于等于3.0MPa，同時(shí)對灌注/涂敷工藝、養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行控制，確保接縫的密實(shí)性和抗?jié)B性，滲透系數(shù)小于10-12m/s，預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的防腐是另外一個(gè)關(guān)鍵之處，采用HDPE材質(zhì)的預(yù)應(yīng)力管道，并且確保管道接頭的密封性，預(yù)應(yīng)力筋本身采用環(huán)氧涂層或者提供額外防腐措施，張拉后的孔道壓漿采用專用高流動性、微膨脹水泥漿，保證壓漿飽滿度達(dá)到98%以上，有效隔絕外部侵蝕介質(zhì)，施工過程中針對構(gòu)件的磕碰損傷、保護(hù)層缺陷等問題也需要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，采用和原混凝土性能兼容的修補(bǔ)材料，避免形成耐久性薄弱點(diǎn)[5]。

2.3 預(yù)制裝配式墩柱地震穩(wěn)定性分析

預(yù)制裝配式墩柱的節(jié)段接縫是其區(qū)別于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特征，對接縫處非線性行為的準(zhǔn)確模擬是地震穩(wěn)定性分析的核心。研究采用非線性有限元時(shí)程分析方法，并結(jié)合擬靜力試驗(yàn)結(jié)果（如適用）進(jìn)行驗(yàn)證。模型中，節(jié)段間的接縫采用精細(xì)化的接觸單元模擬，能夠考慮接縫的張開、閉合、滑移以及搖擺（rocking）行為。對于干接縫連接的墩柱，分析其在強(qiáng)震作用下通過節(jié)段間搖擺耗散地震能量的機(jī)制，以及預(yù)應(yīng)力筋提供的自復(fù)位能力。重點(diǎn)關(guān)注接縫張開量（如控制在截面高度的1/20以內(nèi)）、殘余張開量，以及剪力鍵的抗剪性能和完整性，確保其在大震下不發(fā)生剪切破壞。對于濕接縫或套筒灌漿連接，則評估其在地震往復(fù)荷載下的滯回性能、損傷演化及延性。選取多條具有代表性的天然地震波（如El Centro波、Taft波、汶川波等）和人工合成地震波，調(diào)整其峰值加速度（PGA）以模擬不同地震烈度下的響應(yīng)。分析的關(guān)鍵指標(biāo)包括：墩頂位移、層間位移角（如罕遇地震下控制在1/50以內(nèi)）、基底剪力、塑性鉸發(fā)展情況、能量耗散分布以及殘余變形。研究還探討了不同預(yù)應(yīng)力水平（如平均壓應(yīng)力0.1f_c至0.2f_c）、有無耗能鋼筋穿過接縫等設(shè)計(jì)參數(shù)對墩柱抗震性能的影響，旨在提出能夠滿足“大震不倒、中震可修、小震不壞”抗震設(shè)防目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，例如通過合理設(shè)計(jì)使延性系數(shù)μ達(dá)到3.0以上，并控制殘余位移角在0.004rad以下。

3 結(jié)論

文章對大跨徑橋梁預(yù)制裝配式墩柱的關(guān)鍵技術(shù)與性能做了系統(tǒng)研究，研究結(jié)果顯示通過優(yōu)化節(jié)段設(shè)計(jì)、采用可靠的干/濕接縫等接縫技術(shù)以及精確控制預(yù)應(yīng)力，能夠保證施工期力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)整體性，通過工廠化預(yù)制再加上精細(xì)的現(xiàn)場接縫處理方式，可顯著提升構(gòu)件質(zhì)量和長期耐久性，在發(fā)生地震的情況下，合理設(shè)計(jì)的如利用搖擺機(jī)制的預(yù)制墩柱可表現(xiàn)出優(yōu)良耗能能力、損傷控制效果和震后可恢復(fù)性的功能，該技術(shù)在提升工效、保證質(zhì)量、減少環(huán)境影響方面具有顯著優(yōu)勢，同時(shí)為橋梁工業(yè)化發(fā)展提供了重要支撐，不過接縫的長期耐久性與全生命周期智能監(jiān)測仍是未來需要深化研究的關(guān)鍵問題。

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