大丰港铁路预制拼装桥墩关键技术研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁第五勘察设计院集团有限公司科技研发项目()作者简介:张扬()女河北保定人正高级工程师硕士主要从事桥梁设计研究工作:.引文格式:张扬苏国明邓开来.大丰港铁路预制拼装桥墩关键技术研究.铁道建筑技术():.大丰港铁路预制拼装桥墩关键技术研究张 扬 苏国明 邓开来(.中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 .西南交通大学 四川成都)摘 要:大丰港铁路新团河特大桥预制拼装桥墩设计为双柱式桥墩、杆系结构体系墩柱与盖梁采用灌浆波纹管连接方式墩柱与承台采用锥套锁紧连接方式 本文研究了该预制拼装桥墩在运营状态下的力学性能明确了桥墩界面钢筋和混凝土各自荷载分担比例分析了结构极限状态破坏模式 研究结果表明新团河特大桥预制拼装桥墩的双节立柱与盖梁形成了稳定框架结构确保了预制构件界面之间不出现拉应力达到“等同现浇”的设计目标并具有良好的抗震性能该桥墩在保证合理结构刚度的同时实现了设计标准化、预制轻量化、安装便捷化的工业建造技术目标可为铁路预制拼装桥墩的设计建造提供参考关键词:预制拼装桥墩 等同现浇 连接技术 抗震性能 破坏模式中图分类号:.文献标识码:./.(.):.“”.:引言近年来我国土木工程向节能减排、工业化方向快速发展全预制装配式铁路桥梁得到了更多的研究和应用但目前仍缺乏可靠、便捷、经济的连接技术和技术方案支撑装配式铁路桥墩的进一步推广应用从目前国内外已有的研究成果来看在选择合理结构体系的基础上充分利用新材料、新工艺等技术措施使装配式桥墩具有“等同现浇”的结构特性由此沿用现浇桥墩的设计方法和性能目标有助于实现装配式桥墩的推广应用本文以大丰港铁路新团河特大桥预制拼装桥墩为工程背景研究了铁路预制装配式桥墩的合理结构体系和连接方案阐释了其在不同荷载模式下的结构力学行为和破坏模式为铁路装配式桥墩发展应用提供技术储备 工程概况大丰港铁路为单线货运铁路设计速度 /有砟轨道设计活载 地震动峰值加速度.新团河特大桥采用全预制装配建造技术梁部采用整孔预制架设 简支 梁桥墩采用预制拼装桥墩基铁道建筑技术 ()张扬 等:大丰港铁路预制拼装桥墩关键技术研究础采用高强预制管桩设计建造方案遵循桥梁工业化的发展方向 设计关键技术.结构方案比选铁路预制拼装桥墩结构形式的选择尤其重要需要在满足结构刚度基础上实现标准化制作轻量化安装 预制拼装重力式桥墩结构依靠自身重量和材料抗压以满足刚度和抵抗外荷载违背轻型化的设计理念 相比重力式桥墩预制拼装薄壁空心墩更可实现结构轻型化但空心桥墩墩顶、墩底设置实体段其墩壁存在变化段制作标准化程度低、工艺复杂不利于工业化生产双柱式桥墩由双节立柱和盖梁组成属于杆系结构体系实现构件制作标准化、安装轻量化的同时可有效保证墩身结构刚度 双柱式桥墩需要考虑合理的墩身与基础刚度比如果墩身尺寸过小则需要较大的基础刚度来保证结构整体刚度导致设计不经济但为增大墩身刚度而加大结构尺寸导致预制构件重量增大违背轻量化设计理念新团河特大桥预制拼装桥墩最大墩高不超过 墩柱和盖梁采用工厂预制、现场拼装墩柱采用双柱式实体截面墩柱截面长.横向中心间距.整节预制不分段盖梁纵向 横向 高度尺寸为.预制构件最大重量为 桥墩构造见图 图 预制拼装桥墩结构(单位:).连接技术比选预制拼装桥墩的连接部位是结构薄弱环节也是设计建造关键技术之一 接头的连接性能要满足安全可靠、施工快速、检测便捷等需求 新团河特大桥预制拼装桥墩进行了灌浆套筒连接、锥套锁紧钢筋接头连接、灌浆波纹管连接三种方案比选()锥套锁紧钢筋接头连接锥套锁紧钢筋接头由两个锥套、一副锁片和一个保持架组成将待连接钢筋插入锁片两端、对中顶紧保持架将锥套套入锁片的两端用专用工具将两锥套沿其轴压紧进而将锁片向内紧紧夹住钢筋实现钢筋连接 墩柱预制时在距墩底 部分先预制核心混凝土并外露墩柱纵向主筋长度 墩柱外露纵向主筋与承台预埋纵筋采用锥套锁紧钢筋接头连接连接完成后在墩的核心混凝土外后浇 微膨胀聚合物自密实混凝土 图 为墩柱与承台连接构造及接头图示图 墩柱与承台连接锥套锁紧钢筋接头为级钢筋接头连接前无需对钢筋进行再加工处理待连接钢筋的对中性偏差要求沿径向不超过 沿轴向均不超过 倍钢筋直径 采用锥套锁紧钢筋接头连接施工操作便捷且连接安全可靠()灌浆套筒连接灌浆套筒连接是目前预制拼装桥墩常采用的连接方式之一通过外包钢筋的高强灌浆料在套筒硬化后实现钢筋之间力的传递 灌浆套筒按形式分为全灌浆套筒和半灌浆套筒按加工方式可分为铸造灌浆套筒和机械加工灌浆套筒按材质分球磨铸铁套筒和高强钢套筒按成形方式可分挤压成形和切削加工 相比而言半灌浆套筒较全灌浆套筒尺寸小并具有更好的经济指标高强钢套筒相比球磨铸铁套筒具有更高的强度、韧性和延展性且抗冲击能力强、生产质量容易控制高强钢套筒由于材质表明光滑握裹力较弱需要对内部造型进行波浪处理以增加套筒与钢筋的握裹力本桥墩柱与承台、墩柱与盖梁之间可采用一体成铁道建筑技术 ()张扬 等:大丰港铁路预制拼装桥墩关键技术研究型的半灌浆高强钢套筒连接预制构件端采用直螺纹方式将套筒与预制构件内钢筋连接现场装配端采用灌浆方式连接待插入钢筋 采用灌浆套筒连接的预制拼装桥墩对施工精度要求高且套筒经济成本偏高()灌浆波纹管连接灌浆波纹管是在盖梁预制时预埋金属波纹管预制墩柱顶纵向钢筋插入金属波纹管内并在波纹管内灌注高强灌浆料高强灌浆料硬化后将钢筋的力传递给波纹管再通过金属波纹管的凹凸肋传递给外部混凝土 新团河特大桥预制拼装桥墩金属波纹管沿盖梁高度贯通设置波纹管长.满足 倍钢筋直径要求波纹管外径 壁厚 灌浆波纹管连接技术对施工精度要求不高波纹管成本低连接具有良好的经济指标 墩柱与盖梁采用灌浆波纹管连接构造见图 图 墩柱与盖梁连接(单位:)新团河特大桥预制拼装桥墩以等同现浇为设计目标并考虑工程建设经济性和施工的便捷性设计方案对墩柱与承台采用锥套锁紧钢筋接头连接墩柱与盖梁采用灌浆波纹管连接 力学性能分析.运营状态受力分析为明确预制拼装桥墩运营状态受力特点以及传力机理采用通用有限元软件建立数值分析模型如图 所示 桥墩、盖梁、承台以及后浇带采用 实体单元钢筋、箍筋采用 杆单元杆单元嵌入在实体单元中钢筋与混凝土之间不存在滑移图 有限元数值分析模型模型材料本构关系 混凝土采用抗压不抗拉本构模型上升段为抛物线下降段为直线峰值强度.未考虑箍筋约束作用带来的强度增加钢筋本构关系取二折线模型为明确不同预制构件之间的相互作用关系计算模型中在各预制构件之间设置面面接触共包括墩柱 后浇带墩柱 承台、后浇带 承台、墩柱 盖梁共 对接触面如图 所示 面面接触采用硬接触即在法向可以承受压力但不能受拉力受拉即分离在切向取摩擦系数为.当水平剪力超过最大静摩擦力时可发生相对滑移图 不同界面接触示意本文分析了新团河特大桥预制拼装桥墩墩身及接缝处多重力学行为特点图 为在不同运营工况作用下预制墩柱的竖向应力云图从图中可以看出混凝土墩柱除墩底后浇段顶部外均只承受压应力且后浇段顶部最大拉应力不超过.预制墩柱最大压应力不超过 图 不同运营工况下预制墩柱应力分布云图在不同运营工况下预制构件界并未发生法向分离和水平滑移 以双孔重载工况为例桥墩受拉侧边缘后浇带 承台界面的压应力为.后浇带 预制墩柱界面的压应力为.装配式桥墩在运营状态下截面不会消压保持良好的“等同现浇”受力状态表 给出了不同运营工况下钢筋最大压应力和最铁道建筑技术 ()张扬 等:大丰港铁路预制拼装桥墩关键技术研究大拉应力 从表中可以看出运营状态下钢筋并未出现拉应力最大压应力也仅为.钢筋应力水平不高并具有足够的应力安全储备表 不同运营状态钢筋应力统计工况名称最大拉应力/最大压应力/单孔轻载.单孔重载.双孔轻载.双孔重载.注:负号表示钢筋受压表 和表 给出了盖梁 桥墩界面和桥墩 承台界面钢筋和混凝土各自承担的轴力占比由该表可见在不同运营工况下混凝土均承担了 以上的竖向力钢筋分担竖向力的占比很小 根据钢筋应力和混凝土分担轴力占比体现了新团河特大桥预制拼装桥墩达到等同现浇的设计效果表 盖梁 桥墩界面不同材料荷载分担占比材料单孔轻载 单孔重载 双孔轻载 双孔重载 双孔空载钢筋占比/.混凝土占比/.表 承台 桥墩界面不同材料荷载分担占比材料单孔轻载 单孔重载 双孔轻载 双孔重载 双孔空载钢筋占比/.混凝土占比/.极限破坏状态受力分析为深入研究新团河特大预制拼装桥墩在极限状态下的损伤机理和破坏路径对该桥进行了静力抗推覆分析在桥墩施加循环往复荷载通过滞回分析得到预制拼装桥墩顺桥向与横桥向临界破坏状态 分析结果表明随着水平变形的增大桥墩临界破坏状态表现为:界面消压、钢筋屈服、混凝土压溃 图 给出了预制拼装桥墩顺桥向和横桥向临界破坏变化图示图 桥墩顺桥向和横桥向临界破坏状态变化图示大丰港预制拼装桥墩顺桥向与横桥向的有限元模拟滞回曲线与现浇桥墩总体一致但预制拼装桥墩的滞回曲线呈现一定的捏拢效应主要原因在于承台 桥墩界面的开合导致耗能降低 当界面分离时桥墩在重力作用下出现了自复位效应在滞回曲线上呈现出了捏拢特征与现浇钢筋混凝土桥墩的滞回曲线特征较为一致表 统计了新团河特大桥预制拼装桥墩典型力学性能计算结果该表体现了预制拼装桥墩横桥向存在明显的框架效应桥墩横桥向刚度、承载力及延性系数均大于顺桥向预制拼装桥墩横桥向的框架效应有利于减小墩底曲率避免墩柱混凝土快速压溃表 预制拼装桥墩力学性能检算结果加载方向初始刚度/(/)开裂荷载/屈服位移角屈服荷载/峰值荷载/极限变形/延性系数顺桥向/.横桥向 /.极限破坏状态变形特征为研究极限破坏状态下墩柱变形情况对墩高 的预制拼装桥墩在墩顶强制施加 和 变形角该变形量远大于罕遇作用下墩顶变形 在顺桥向 和的变形角作用下底部混凝土局部承压应力分别达到 和 在横桥向和的变形角下底部混凝土的局部承压应力分别达到 和 图 给出了盖梁 墩柱界面在 变形角情况下的变形示意图(倍放大)可见顺桥向盖梁 墩柱界面未完全分离并未出现消压现象盖梁与墩柱呈现出良好的协同变形受力行为铁道建筑技术 ()张扬 等:大丰港铁路预制拼装桥墩关键技术研究图 墩柱盖梁变形特征 抗震性能评估为探究新团河特大桥预制拼装桥墩的抗震性能通过时程分析对该桥进行了多遇地震和罕遇地震抗震性能研究时程分析的地震波分别考虑了横桥向和顺桥向两个方向地震输入 表 给出了多遇地震和罕遇地震作用下桥墩计算结果多遇地震作用下桥墩顺桥向保证了良好的变形协调钢筋应力水平较低 罕遇地震作用下墩顶顺桥向最大位移为.不超过前述研究 变形角时的墩顶水平位移 桥墩最大钢筋应力为 未发生屈服预制拼装桥墩表现出良好的抗震性能 需要注意的是在顺桥向罕遇地震作用下固定支座剪力达到了破坏阈值剪力销发生破坏支座起滑支座最大变形达到 由此可以看出对于该预制拼装桥墩顺桥向罕遇地震是其控制工况表 预制拼装桥墩时程分析检算结果地震方向地震水平墩顶变形/钢筋最大压应力/钢筋最大拉应力/支座最大变形/界面竖向分离/顺桥向多遇.罕遇.横桥向多遇.罕遇.结语本文以大丰港铁路新团河特大桥预制拼装桥墩为研究对象对其结构形式、连接方案、极限状态下破坏模式以及抗震性能进行深入研究得出如下结论:()采用双柱式桥墩墩柱与盖梁采用灌浆波纹管连接墩柱与承台采用锥套锁紧钢筋接头连接有效保证结构刚度的同时实现了预制拼装桥墩标准化设计、轻量化预制、便捷化安装的设计建造目标()在不同运营荷载工况下预制拼装桥墩的装配界面均未出现拉应力达到了“等同现浇”的设计目标并在罕遇地震作用下表现了良好的抗震性能()预制拼装桥墩的塑性发展主要集中在桥墩 承台界面桥墩临界破坏状态依次为界面消压、钢筋屈服、混凝土压溃目前预制拼装桥墩建造技术在铁路桥梁工程中仅有部分示范工程应用其连接技术、破坏机理和抗震性能方面还有很多问题有待深入研究本文的研究可为铁路预制拼装桥墩的技术发展提供参考参考文献 卓为顶刘钊.预制拼装桥墩连接构造选择的综合评定方法.结构工程师():.胡志坚闫明辉周知等.预制拼装桥墩地震易损性分析.土木工程学报():.王芳江忠贵王建成等.预制拼装桥墩在铁路桥梁中的应用.铁道建筑():.刘猛亓路宽.旋钮式预制拼装桥墩试验分析.公路工程():.雷昌龙.和若铁路桥墩装配式连接工艺研究.世界桥梁():.张帅刘凯苏伟.高速铁路钢筋套筒灌浆连接式拼装桥墩设计及建造技术研究.铁道标准设计():.李晓鹏张广达韩强等.灌浆套筒连接预制拼装桥墩抗剪强度影响因素分析.地震工程与工程振动():.张扬.铁路节段预制拼装空心墩设计及受力性能分析.铁道建筑技术():.吴平平周小伍汪志甜等.插槽结构装配式桥墩足尺模型拟静力试验研究.桥梁建设():.陈彦江丁梦佳许维炳等.预制拼装桥墩体系及其抗震性能研究进展.中国公路学报():.张扬苏国明.单线铁路预制拼装桥墩设计探索.铁道标准设计():.石雪飞高毅马骉等.预制拼装桥墩环形 接缝受力性能试验研究.桥梁建设():.顾箭峰向春燕黄民水等.套筒埋置位置对预制拼装桥墩结构抗震性能影响.长安大学学报(自然科学版)():.铁道建筑技术 ()