预制装配式桥墩构造体系与抗震性能研究

预制装配式桥墩

构造体系与抗震性能研究

付涛王有标于科孙中华◎著

中国铁道出版社有限公司

年北京

2022·

内容简介

本书从材料研发构造体系和抗震性能多角度出发采用结构设计模型试验

、,、、

数值模拟和理论分析相结合的研究方法开展基于灌浆套筒连接的预制装配式桥

,

墩构造体系与抗震性能研究本书可以作为高等院校道路桥梁与渡河工程专业和

。

土木工程专业桥梁抗震方面的参考资料也可供从事桥梁工程专业的科研设计

,、、

施工和教学人员参考或使用

。

图书在版编目CIP数据

()

预制装配式桥墩构造体系与抗震性能研究付涛等著北京

/—:

中国铁道出版社有限公司.

,2022.9

ISBN978-7-113-29284-3

预付预制结构装配式构件桥墩

……

桥梁Ⅰ施.①工研究Ⅱ.①Ⅲ.①---

-Ⅳ.①U443.22

中国版本图书馆数据核字第号

CIP(2022)112395

书名:预制装配式桥墩构造体系与抗震性能研究

作者:付涛王有标于科孙中华

策划:徐艳

责任编辑:张瑜编辑部电话:

(010)51873017

封面设计:曾程郑春鹏

责任校对:苗丹

责任印制:樊启鹏

出版发行:中国铁道出版社有限公司北京市西城区右安门西街号

(100054,8)

网址:

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印刷:北京p柏力行彩印p有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202291202291

开本:印张:字数:千

710mm×1000mm1/1615.25273

书号:

ISBN978-7-113-29284-3

定价:元

88.00

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编委会

主任:付涛王有标于科孙中华

副主任:孟凌霄鲁凯朱经纬李军华

委员:刘春生宫志群朱志鑫李彩红曾银枝

刘伟任晓倩宋燕程金生王凯

卢加新李家新侯建浦陈小玮许英东

刘阳陈帅张朋李燕刘先观

白继宏孙跃张传平司晓丽徐龙伟

冯诗洋孙湲惠

参编单位:山东建筑大学

中国建设基础设施有限公司

中建八局第一建设有限公司

中建山东投资有限公司

国网山东省电力公司经济技术研究院

前言

随着科技的进步和国家经济的发展,桥梁工业化生产程度越来越高。

在国家“双碳”战略背景下,我国政府为了环境治理和节能减排,在工程建设

领域大力推广绿色建造技术,绿色桥梁作为绿色建筑的一部分,是未来桥梁

的发展方向,预制装配式桥梁符合资源高效利用和绿色低碳发展的理念,符

合建筑业绿色可持续发展的大趋势,符合以工业化、标准化、智能化和绿色

建造为特征的桥梁全产业链创新体系,是现代绿色桥梁设计与施工不可或

缺的一部分,是智慧技术发展与传统行业不断融合所形成的技术成果。在

智慧设计和绿色建造的背景下,针对预制装配式桥墩构造体系与抗震性能

展开研究具有重要的实际意义和应用价值。

本书从材料研发、构造体系和抗震性能多角度出发,采用结构设计、模

型试验、数值模拟和理论分析相结合的研究方法,开展基于灌浆套筒连接的

预制装配式桥墩构造体系与抗震性能研究,全书共分章,研发了满足

9

高强钢筋灌浆套筒连接节点性能需求的高性能灌浆料,提出了

HTRB600E

以此灌浆料作为粘结介质的高强钢筋临界锚固长度,得出了基

HTRB600E

于高性能灌浆料的高强钢筋预制装配式桥墩地震破坏模式,探

HTRB600E

讨了采用高强度钢筋等体积代换和等强度代换纵筋以及箍筋对装配式桥墩

抗震性能的影响规律。提出了基于灌浆套筒连接的新型中空夹层和钢管约

束混凝土预制装配式桥墩构造体系,揭示了新型预制装配式桥墩地震破坏

机理,得出了不同构造参数对新型预制装配式桥墩抗震性能的影响规律。

本书可以作为高等院校道路桥梁与渡河工程专业和土木工程专业桥梁抗震

方面的参考资料,也可供从事桥梁工程专业的科研、设计、施工和教学人员

参考或使用。

本书在组织编写过程中得到了国家自然科学基金项目(,

51408339

)、中建基础科技研发项目()和山东省自然科

51908337CSCIC-2020-KT-05

ⅱ预制装配式桥墩构造体系与抗震性能研究

学基金项目()的资助,得到了课题组同仁的大力支持和协

ZR2021ME227

助,在此谨表谢意。

由于编者水平所限,书中不当之处在所难免,诚望专家和读者提出宝贵

意见。

编者

年月

20226

目录

第1章预制装配式桥墩技术发展概况……

1

概述…………………

1.11

国内外预制装配式桥墩技术发展状况…………………

1.24

预制装配式桥墩抗震研究现状…………

1.39

第2章预制装配式桥墩结构体系…………

18

灌浆套筒连接……………

2.118

灌浆波纹管连接…………

2.219

承插式连接………………

2.321

插槽式连接………………

2.422

预应力筋连接……………

2.522

现浇湿接缝连接…………

2.624

机械连接…………………

2.726

第3章超高性能套筒灌浆料研发与性能试验………………

27

钢筋灌浆套筒相关规范要求……………

3.127

超高性能套筒灌浆料原材料……………

3.229

超高性能灌浆料及试件制备……………

3.331

超高性能灌浆料性能试验………………

3.433

第4章基于超高性能灌浆料的钢筋灌浆套筒连接力学性能试验…

41

钢筋灌浆套筒连接性能要求……………

4.141

钢筋灌浆套筒连接单向拉伸性能试验…………………

4.242

ⅱ预制装配式桥墩构造体系与抗震性能研究

第5章基于超高性能灌浆料的钢筋灌浆套筒连接力学性能

有限元分析……………

58

基于超高性能灌浆料的钢筋灌浆套筒连接单向拉伸力学性能

5.1

有限元分析………………

58

基于超高性能灌浆料的钢筋灌浆套筒连接在往复荷载作用下的

5.2

力学性能有限元分析……………………

68

基于超高性能灌浆料的钢筋灌浆套筒连接力学性能影响参数分析……

5.373

第6章配置HTRB600E高强钢筋的预制装配式桥墩构造体系与

抗震性能………………

82

配置高强钢筋预制装配式桥墩设计构造…

6.1HTRB600E82

配置高强钢筋预制装配式桥墩拟静力试验…

6.2HTRB600E83

配置高强钢筋预制装配式桥墩拟静力试验有限元分析…

6.3HTRB600E116

配置高强钢筋预制装配式桥墩抗震性能影响参数分析…

6.4HTRB600E122

第7章预制装配式钢管约束混凝土桥墩构造体系与抗震性能……

132

预制装配式钢管约束混凝土桥墩设计构造…………

7.1132

预制装配式钢管约束混凝土桥墩拟静力试验………

7.2133

预制装配式钢管约束混凝土桥墩拟静力试验有限元分析………………

7.3158

预制装配式钢管约束混凝土桥墩抗震性能影响参数分析………………

7.4164

预制装配式钢管约束混凝土圆形实桥桥墩抗震性能分析…………

7.5167

第8章中空夹层预制装配式混凝土桥墩构造体系与抗震性能……

171

中空夹层预制装配式混凝土桥墩设计构造…………

8.1171

中空夹层预制装配式混凝土桥墩拟静力试验………

8.2173

中空夹层预制装配式混凝土桥墩拟静力试验有限元分析………………

8.3195

中空夹层预制装配式混凝土桥墩抗震性能影响参数分析…………

8.4201

中空夹层预制装配式混凝土圆形实桥桥墩抗震性能分析…………

8.5206

第9章全中空预制装配式混凝土桥墩构造体系与抗震性能………

210

全中空预制装配式混凝土桥墩设计构造……………

9.1210

目录ⅲ

全中空预制装配式混凝土桥墩拟静力试验…………

9.2211

全中空预制装配式混凝土桥墩拟静力试验有限元分析……………

9.3223

全中空预制装配式混凝土桥墩抗震性能影响参数分析……………

9.4227

参考文献………………………

231

第1章预制装配式桥墩技术发展概况

随着科技的进步和经济的发展桥梁工业化生产程度越来越高桥梁施工中

,。

追求的高效率和高质量成为新的发展趋势同时人们对施工的环保要求也有所提

,

高近几年来随着桥梁设计技术的进步和新型材料的不断涌现桥墩结构向着轻

。,,

型高强和快速施工的方向发展譬如基于超高性能灌浆料的钢筋灌浆套筒连接

、,、

预制装配式钢管约束混凝土桥墩构造体系预制装配式空心桥墩设计构造等未来

、,

装配式桥墩构造体系和产业化将会以更快的速度向前发展

。

预制装配式桥墩的设计与施工技术是随着社会科学技术发展而提出的一种全

新的技术从十三五国家战略性发展规划来看把发展装配式产业现代化作为

。“”,

推进供给侧结构性改革的重要抓手相较于传统的桥墩设计和施工技术该项技术

,,

在保证桥墩施工及运营期工程质量的前提下可以有效减少工期并减少对周边环

,,

境的污染预制装配式桥墩的设计与施工技术更加符合现代社会人们对于桥梁的

。

功能需求无论从材料装配手段或设计技术中的任一方面来看预制装配式桥墩

,、,

的设计技术都符合现代社会经济发展的需求对桥梁行业工业化的可持续发展具

,

有深远的影响因此预制装配式桥墩技术被广泛应用于国内外的桥梁工程中

,。

1.1概述

随着人类社会的进步和科学技术的发展桥梁建设领域取得了前所未有的成

,

就自改革开放以来我国桥梁以巨大的规模和飞快的建设速度向前发展我国已

。,,

成为世界桥梁大国在桥梁建设中桥梁结构设计不仅要求桥梁结构安全和耐久

。,,

而且要求最大限度降低对现有交通的干扰提高施工安全性降低环境污染保证施

,,,

工质量提高施工速度减小生命运营期内的成本当前我国的公路和城市桥梁多

,,。,

数仍采用传统的建造方法其下部结构还是以现浇混凝土施工为主体如图

,,1-1

所示传统现浇方法存在诸多缺点如施工生产效率低施工工期长现场施工人员

。,、;

多劳动强度大安全管理较为复杂安全风险大全部工程现场作业施工质量不

,,,;,

2预制装配式桥墩构造体系与抗震性能研究

易保证质量管理较为困难现场作业产生大量的施工粉尘灰霾污水建筑垃圾

,;,、、、

噪声振动等严重影响环境和附近居民的健康对城市桥梁而言现场浇筑期间因

、;,

需要长期占用交通空间因此需要实行交通管制对交通影响较大

,,。

图1-1传统现浇方法

为满足桥梁建设安全高效的要求预制装配式施工技术在桥梁建造中便应运

,

而生预制装配式桥墩相较于整体现浇式桥墩耐久性更好具有良好的自复位能

。,,

力桥墩节段都在预制场完成施工条件和外界环境影响较小桥梁质量更有保障

,,,,

对交通运输等方面影响更小由于装配式建造技术是绿色建造技术发展主体之

。

一因此为了降低传统桥梁建设中的整体耗能高建造效率低现场作业量大等不

,、、

利因素的影响全预制装配式桥梁成为很多桥梁建设者的首选

,。

我国桥梁上部结构预制装配技术发展已经较为成熟但下部结构预制装配技术

,

才刚刚起步前期主要应用在一些跨海大桥中例如东海大桥采用湿接头图

,。,(1-2);

杭州湾跨海大桥采用预制混凝土矩形空心墩在海上浪溅区完成了高精度的测量和

,

安装港珠澳大桥预制墩台采用现代设备进行铣边铣面等机械加工处理通过结构

;、,、

定位及组装的设计优化实现了高精度大刚度要求和装配式通用性功能可为其他

,、、,

类似工程提供借鉴上海长江大桥采用预制安装的桥梁长度达采用工厂预

;5.56km,

制现场安装的桥梁一体化施工墩身多节预制提高工艺开创了快捷便捷施工

、,,,、

的新局面为城市桥梁提供了一种新的思路

,。

图1-2东海大桥采用湿接头

()

第1章预制装配式桥墩技术发展概况3

近些年来我国政府为了环境治理和节能减排提出了大量的政策措施在工

,,。

程建设领域大力推广绿色建造技术陆续出台了若干相关纲要导则和法规大力

,、,

推动绿色建筑的发展年建设部正式颁布了绿色建筑评价标准年

。2006,《》,2007

建设部又出台了绿色建筑评价技术细则试行和绿色建筑评价标识管理办法

《()》《

试行年财政部发布了关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见

()》,2012《》,

年国务院办公厅颁发了关于大力发展装配式建筑的指导意见年住房

2016《》,2019

和城乡建设部更新了绿色建筑评价标准这些政策文件

《》(GB/T50378—2019),、、

规范的推出为绿色建造技术的落地生根提供了政策保障

,。

全预制装配式桥梁最主要的特点就是预制和装配即全预制桥梁是将桥

“”“”,

梁的主要构件通过工厂化预制运至现场后进行拼装少量部位进行现浇或采用其

,,

他连接方式的施工技术主要将桥梁的主梁护栏墩柱盖梁桩基甚至承台等在

。、、、、

工厂进行整体预制或节段预制施工现场主要解决各预制构件间的连接问题实质

,,

上是将现场的顺序施工转化成工厂的平行施工通过现代化的制造运输安装和

,、、

科学管理的生产方式来代替传统桥梁建设中分散的低水平的低效率的生产方

,、、

式图所示为预制装配式施工现场

。1-3。

图1-3预制装配式施工现场

随着预制装配技术的不断进步全预制装配式桥梁的发展越来越快以后的应

,,

用也会越来越多相对于传统建桥方法全预制混凝土装配式桥梁表现出很多优

。,

势具体如下

,:

快速施工预制技术的应用在缩短施工时间方面效果明显施工速度非常

(1)。,

快大大地缩短了工期

,。

安全管理预制构件可以减少大量的现场人工以及现场支架钢筋模板

(2)。、、

搭设和拆除工序降低工人长时间高空作业便于现场管理减少施工危险性

,,,。

质量保证将露天生产转化为厂内作业构件型号统一养护条件好构件

(3)。,,,

质量稳定工程总体质量优于传统工艺

,。

4预制装配式桥墩构造体系与抗震性能研究

保护环境构件在预制工厂集中预制避免了现场粗放式作业对环境造成

(4)。,

的污染有利于集中处治施工过程中产生的粉尘废水及固体垃圾对城市桥梁而

,、。

言降低了对既有交通周边环境的干扰同时该项技术能适应敏感施工环境对

,、。,,

自然保护区海上施工工期较短的严寒地区均有较好的适用性

、、。

成本优势建筑工程领域的劳动力成本逐年上升采用该项施工技术可减

(5)。,

少现场人员大大降低了人工成本同时工程规模越大成本摊销幅度

50%~60%,;,

越大预制拼装主要投入的是预制加工厂和相关的生产及吊装设备因而实施的

。,

工程规模越大施工机械成本和预制成本可以得到更为充分的摊销

,。

可见全预制装配式桥梁具有传统桥梁建造方法无法比拟的诸多优点是现浇

,,

混凝土桥梁的替代方式之一更具长远意义的是近年来我国政府陆续出台了关

。,

于绿色建筑的发展政策体系提倡和推崇绿色建筑如绿色建筑评价标准

,,《》(GB/T

中对绿色建筑的定义为在全寿命期内节约资源保护环境减少

50378—2019):“,、、

污染为人们提供健康适用高效的使用空间最大限度地实现人与自然和谐共生

,、、,

的高质量建筑绿色桥梁作为绿色建筑的一部分是未来桥梁的发展方向全预制

。”,,

装配式桥梁符合绿色桥梁的节约资源保护环境的理念是现代绿色桥梁设计与施

、,

工不可或缺的一部分符合我国桥梁建筑业绿色可持续发展的大趋势相较于传

,。

统桥梁施工设计管养三个相对独立的阶段全预制装配式桥梁更符合以工

“——”,

业化标准化智能化和绿色建造为特征的桥梁全产业链创新体系是智慧技术发

、、,

展与传统行业不断融合所形成的智慧桥梁的结果为此在智慧设计绿色施工

“”。,、

与管养的背景下针对全预制装配式桥梁结构体系和抗震性能研究具有重要的实

,

际意义和应用价值

。

1.2国内外预制装配式桥墩技术发展状况

1.2.1国外的发展概况

装配式桥墩技术的发展与工业化及经济水平密切相关世纪年代

。2040,

法国的工业化迅速发展为避免大量的脚手架和现场混凝土浇筑减少人工工作量

,,

以及降低施工风险工厂开始集中生产混凝土构件现场拼装桥梁预制装配式技

,,,

术诞生年法国工程师率先对预应力混凝土桥梁采用预制装配式

。1945Freyssinet

施工法在巴黎以东马恩河上架设了五座桥梁

,。

自年以来欧美等发达国家已使用预制桥墩建造桥梁为加快桥梁建设

1960,。,

美国联邦公路管理局对许多项目进行了详细研究并发布了装配式桥墩的设计和建

,

第1章预制装配式桥墩技术发展概况5

造手册当时这种施工工艺主要应用于跨海大桥以及城市高架桥的建设中

。,。

年美国桥使用了预制柱和承台仅用个月便完成了建造

1955,Pontchtrain,18。

世纪年代美国环保运动激烈在此背景下大量应用预制装配式技术

2060,,,

降低了对环境的污染欧美等工业化发达国家的发展加速了桥梁建设将装配式

。,

桥墩建造技术推广到实际施工中年美国将预制装配式桥墩建造技术应用

。1971,

在得克萨斯堤道桥

CorpusChristiJFK。

年苏联制定了全预制装配式桥墩的结构体系施工标准在此之前苏联国

1974。,

内的桥梁工程中钢筋混凝土上部结构的装配程度已达到而桥墩的装配程度只

,92%,

占从年起苏联开始在桥梁修建中采用由混凝土预制块组成的全

28%~40%。1975,

预制装配式桥墩代替现浇桥墩和墩内现场灌浆的半装配式桥墩在采用全预制装配

。

式桥墩前桥梁公司做过一些试验研究检验了试件的强度得到的结论是两块整体

,,,

浇灌的试件强度不低于现浇试件的强度桥梁工程总局特种结构设计室制定

。(CKB)

了预制构件钢模和装配式桥墩的设计标准并应用于莫斯科环行线上的伊斯特拉河

,

桥除伊斯特拉河桥外全装配式的桥墩结构还用于跨度的贝霍尔加河桥

。,44.8m、

跨度的克利亚兹马河桥以及跨度的莫斯科河桥上

34.2m27.6m。

年修建在美国佛罗里达州的采用装配式空心桥墩

1982SevenMileBridge。

年日本开始动工建造角岛大桥这是一座连接角岛和日本本土的海上桥梁

1993,。,

由于工程规模庞大冬季的海面波浪汹涌同时该桥梁所处海域的海水非常清澄环

,,,

境优美为了防止污染水质采用了全预制装配式技术的施工方法该桥的上部结构

,,,

设计为预制混凝土梁下部结构为装配式预制桥墩是一座跨海大桥年位于

,,。1999

美国科罗拉多州的公路桥均采用多节段装配式技术建造桥墩

VailPass。

年位于美国卡罗来纳州国家公园风景区内的桥出于对环境的特

2001,LinnCove,

殊考虑其桥墩和箱梁均采用预制的方法如图所示年美国贝尔维尤

,,1-4。2003,

过境的东北第四第六道路的高架桥以

、,

及于年建于新泽西州布里埃尔的

2005

马纳斯广河桥均采用了全预制装配式

,

桥梁结构

。

年建于美国得克萨斯州贝尔

2007,

顿湖上替代老桥所建造的新桥采用了预

制桥墩和墩帽该桥墩身与墩帽的连接

,

采用的是嵌入式后张管道灌浆的方法

,

在当时开创了一种新的墩身与墩帽连接图1-4LinnCove桥

形式通过研究发现该方式在非震区和

,

6预制装配式桥墩构造体系与抗震性能研究

地震低烈度区具有很好的效果但是在高地震烈度区不适用

,。

1.2.2国内的发展概况

我国对装配式桥墩的应用较晚世纪年代在国防军事工程领域内研

。2060,

发了装配式桥墩技术并成功用于六四式军用铁路桥梁在桥墩快速抢修架设方面

,,

取得了很大的进步在世纪初的诸多特大桥梁工程施工中下部结构预制装配

。21,

式技术得到了大规模的应用并且结构形式呈现复杂多样化趋势新澳凼大桥又

,。(

名友谊大桥于年月动工年月正式通车是第二条连接澳门半岛和

)19906,19944,

凼仔的跨海大桥也是澳门三条澳凼大桥中最长的一座全长包括

,,4700m,800m

的高架引桥桥宽大桥中段有处隆起顶部距离海面大约如图

,18m。,30m,1-5

所示

。

图1-5新澳凼大桥友谊大桥

()

新澳凼大桥的施工特点是施工水域长水上交通通信不便施工水深受到限

:,、;

制有效工作时间短政府不能提供足够的施工场地全桥穿越两个航道对施工安全

,;;,

带来诸多不便配合施工的工程船舶及工作船只交通船只最高峰达百艘之多对交

;、,

通安全及防台工作造成很多困难地质情况复杂基础工程难度颇大航道全跨施工

;,;

工艺繁琐属高空作业施工难度大等为了克服施工困难我国在建造该桥时首次

,,。,

采用预制承台和预制墩身预制承台为空腔挂箱通过后浇混凝土使桩基与承台连

。,

为整体预制墩身采用多层工字形截面块体预留了多根螺纹高强钢筋孔道对贯穿

。,,

墩身和墩顶横梁的预应力钢筋进行张拉锚固将墩身与桩基承台连成一体

,。

上海沪闽高架桥于年月动工年月底竣工其沪闽高架路段二

200112,20039,

期工程采用全预制的拼装形式是由上海市城市建设设计研究院进行设计上海城

,,

建集团负责施工该桥的桥墩高度在左右桥墩截面形式为矩形采用装配式

。7m,,

节段施工方法节段间的连接方式为预应力钢筋连接施工效率得到显著提高这

,,