裝配式技術(shù)與基礎課程教學(xué)探討論文
國家積極倡導土木工程向優(yōu)質(zhì)、節約、環(huán)保和工業(yè)化方向發(fā)展，整個(gè)行業(yè)急需掌握預制裝配化的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才，以帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的升級發(fā)展。橋梁的施工技術(shù)需要不斷的探討研究，因施工工藝和橋梁結構形式存在多樣性，不同的施工環(huán)境和施工技術(shù)會(huì )產(chǎn)生新型的橋梁形式。伴隨施工技術(shù)的進(jìn)步，裝配式施工方式應運而生。該技術(shù)的出現是中國橋梁施工技術(shù)的一大突破�！肮S(chǎng)化制造，裝配式施工”模式是土木工程施工的發(fā)展方向，在橋梁主梁、防撞欄桿等上部結構領(lǐng)域獲得廣泛應用。但對于橋墩、承臺等下部結構，傳統的做法還是以現場(chǎng)澆筑的方式進(jìn)行設置，沒(méi)有體現“工廠(chǎng)化制造，裝配式施工”的觀(guān)點(diǎn)。隨著(zhù)下部結構裝配式技術(shù)研究的逐步開(kāi)展和示范性工程的實(shí)踐，傳統課程內容也不適合土木工程發(fā)展的要求。目前，墩臺與基礎課程教改論文選題主要集中在傳統教學(xué)領(lǐng)域，比如啟發(fā)式教學(xué)、板書(shū)與多媒體并重、注重能力考核、教師與學(xué)生加強互動(dòng)等方面［1－5］。如何在傳統內容的基礎上，在課程教學(xué)中引入裝配式施工理念，尚未見(jiàn)相關(guān)教改論文發(fā)表，這是值得探討的一個(gè)問(wèn)題。
一、裝配式橋墩技術(shù)的發(fā)展
裝配式橋梁墩柱的施工是目前一種比較成熟的施工方式。該方式性能可靠，施工方便便捷，大大縮短了施工工期。但是該技術(shù)操作相對比較困難，對施工人員的素質(zhì)要求比較高。目前預制節段拼裝技術(shù)主要應用在低地震烈度區。隨著(zhù)對預制節段拼裝橋墩抗震性能研究的增多，對其抗震性能的了解認識就越深入，也促進(jìn)了節段拼裝橋墩技術(shù)在中高地震烈度區的應用。預制節段的拼接縫如果設計不當，往往成為橋梁體系的薄弱環(huán)節，使人對節段拼裝橋墩技術(shù)產(chǎn)生整體性能差、抗震能力弱的印象。但從目前國外已有的研究成果來(lái)看，只要合理設計，節段拼裝橋墩是可以具有良好抗震性能的。如果利用新材料、新構造思路、新設計理念，節段拼裝橋墩還可以獲得比現澆橋墩更優(yōu)異的抗震性能。裝配式橋墩設計的關(guān)鍵是鋼筋的連接技術(shù)。最常見(jiàn)的類(lèi)型有:鋼筋焊接器、螺紋鋼筋連接器、螺釘錨固連接器、鋼筋拼接連接器、灌漿套筒連接器、灌漿螺紋套筒連接器等。灌漿連接器相比其他類(lèi)型應用得更為普遍。其他的連接形式有:(1)灌漿波紋管的連接方式，該連接構造常用于墩身與承臺或墩身與蓋梁的連接，預制墩身通過(guò)預埋于蓋梁或承臺內的灌漿金屬波紋管連接墩身內伸出的鋼筋，在墩身與蓋梁或承臺之間的接觸面往往采用砂漿墊層，墩身節段之間采用環(huán)氧膠接縫構造。該構造現場(chǎng)施工時(shí)間短，但需要滿(mǎn)足縱筋足夠的錨固長(cháng)度，其力學(xué)性能與傳統現澆混凝土橋墩類(lèi)似。目前國外已有少數橋梁使用這種連接構造進(jìn)行施工，高地震危險區域內應用較少。(2)承插式連接構造是將預制墩身插入基礎對應的預留孔內，插入長(cháng)度一般為墩身截面尺寸的1．2～1．5倍，底部鋪設一定厚度的砂漿，周?chē)冒敫捎残曰炷撂畛�。�?yōu)點(diǎn)是施工工序簡(jiǎn)單，現場(chǎng)作業(yè)量少。很明顯，這種連接形式的性能表現、預制組件的埋置深度是一個(gè)關(guān)鍵參數。后張預應力方式采用預應力鋼鉸線(xiàn)串聯(lián)成整體，在構件的拼接段上涂以環(huán)氧樹(shù)脂水泥膠薄層，在其硬化前合攏使拼接面密貼，提高結構抗剪能力、整體剛度和不透水性。預應力鋼束使結構更加穩定，連接處可應用耗能鋼筋增加整個(gè)結構的能量耗散能力。在此系統中經(jīng)常觀(guān)測到具有自復位能力的“旗幟型”滯回曲線(xiàn)、新技術(shù)的采用，比如形狀記憶合金代替普通鋼筋、水泥基纖維復合材料等。
二、裝配式技術(shù)理念在課程教學(xué)中的體現
墩臺與基礎課程為土木工程專(zhuān)業(yè)必修的專(zhuān)業(yè)基礎課程。該課程主要講授常見(jiàn)的墩臺、地基基礎的設計理論和計算方法等內容，包括地基基礎設計原則、淺基礎、樁基礎、擋土墻、基坑工程等。通過(guò)學(xué)習使學(xué)生掌握地基基礎設計的基本原理，具有進(jìn)行一般工程基礎設計規劃的能力，并能結合建筑結構的設計方法和施工知識，分析地基基礎問(wèn)題，從而保證各類(lèi)橋梁安全可靠，正常使用，不發(fā)生各種地基基礎工程事故。該課程知識覆蓋面廣、內容豐富、實(shí)踐性強，在教學(xué)中應突出重點(diǎn)，加強實(shí)踐教學(xué)，采用多樣化的教學(xué)手段，重視生產(chǎn)實(shí)習等實(shí)踐環(huán)節，以提高教學(xué)效果。筆者所在學(xué)校墩臺與基礎課程，選用的教材是人民交通出版社出版的《墩臺與基礎》一書(shū)。在多年教學(xué)實(shí)踐中，筆者認為將墩臺與基礎作為一門(mén)課程來(lái)講授效果較好，因為墩臺和基礎同屬下部結構，相關(guān)性更強。涉及裝配式技術(shù)的內容可以集中以講座形式介紹，也可穿插在各個(gè)章節中介紹。首先，在講授緒論的時(shí)候，介紹裝配式橋墩施工的工程實(shí)例和這方面的研究熱點(diǎn)。從20世紀50年代起，中國就在鐵路建設中開(kāi)始嘗試使用裝配式橋墩。在60年代工點(diǎn)設計的基礎上發(fā)展到70年代首次在長(cháng)大干線(xiàn)上成段全面采用裝配式橋涵，在多年的實(shí)踐中創(chuàng )造了許多結構形式，積累了不少經(jīng)驗，顯示了橋涵建設裝配化的優(yōu)越性，收到了很好的實(shí)際效果。裝配式橋梁適用于交通較為方便的工點(diǎn)，在復線(xiàn)施工中有利于減少施工防護和開(kāi)挖工作量，縮短工期;在缺乏砂石水及高原嚴寒地區，或因當地客觀(guān)條件須盡量壓縮施工現場(chǎng)工程量及勞動(dòng)強度的地區，采用裝配式結構則更具有現實(shí)意義。如青藏線(xiàn)希格段共修建裝配式橋涵326座，通過(guò)施工運營(yíng)的考驗，接頭牢固、結構安全，符合強度、剛度及穩定性方面的要求。著(zhù)名的成昆鐵路的和平村、張家村、牛日河4號三座大橋也是拼裝式橋墩，其中牛日河4號為雙柱式橋墩。但是隨著(zhù)鐵路運輸向重載高速方向發(fā)展，鐵路橋梁中早期的裝配式橋墩設計已出現了不少安全隱患，需要重新對裝配式橋墩的標準圖進(jìn)行設計，滿(mǎn)足現階段的使用要求。公路橋梁方面早期的節段拼裝橋墩有北京積水潭橋試驗工程，工程中的五座橋梁為承插式預制鋼筋混凝土柱，柱頂預留鋼筋同現澆后張預應力混凝土帽梁連成整體。中國著(zhù)名的跨海大橋東海大橋、杭州灣大橋、上海長(cháng)江大橋等，以及近期開(kāi)工建造的港珠澳大橋也都采用節段拼裝橋墩的施工方案。其中東海大橋海上段20多公里的梁橋，橋墩墩身采用濕接縫連接的節段拼裝施工方法，上部結構采用大噸位整體吊裝技術(shù)施工，這些技術(shù)的采用確保大橋在計劃施工工期內順利完成。河北省交通戰備辦公室和石家莊鐵道大學(xué)國防交通研究所聯(lián)合開(kāi)展研究的“裝配式公路鋼橋橋墩研制”項目，解決了橋墩搶修和便橋搭設問(wèn)題，結束了中國公路搶修鋼橋自建國以來(lái)“有梁無(wú)墩”的窘境，提高了公路橋梁搶修(建)的技術(shù)水平和公路交通應急保障能力。第二，在講授橋墩構造的時(shí)候，增加預制橋墩與承臺的連接構造的介紹。連接構造的分析，比如濕接縫、預應力筋、灌漿套筒、機械套筒等，見(jiàn)本文第一節裝配式橋墩的技術(shù)發(fā)展。第三，在施工方面，橋墩裝配按照施工方法分為就地砌筑和預制安裝兩種方法。新型裝配式橋墩的施工設計需要考慮施工單位的起吊機具、運輸工具的載重能力，道路狀況和限界要求，便于管理和互換，自然環(huán)境中的撞擊、磨損或環(huán)境凍融等不利因素對接縫的影響。在鋼筋的配置上，除了需要確定縱向鋼筋的數量外，還應對橫向鋼筋(箍筋)進(jìn)行合理的設計，以確保橋墩及基礎構造物具有足夠的延性并能達到預期的性能。在參考國內外已有研究成果的基礎上，提出裝配式橋墩的合理配筋。裝配式構件的接頭設計(包括工藝方面)正確與否至關(guān)重要，因為它直接影響構件的受力狀況，結構的穩定與安全，同時(shí)也關(guān)系到施工現場(chǎng)的裝配工序、質(zhì)量、勞力、材料等一系列問(wèn)題，所以裝配接頭形式的采用應做各方面的比較。這方面需要調研已有拼裝式橋墩的病害，結合國外的最新研究成果，提出裝配式橋墩的設計方案。常見(jiàn)的幾種構造的裝配式橋墩的施工優(yōu)缺點(diǎn)和施工工藝見(jiàn)表1。第四，在設計計算方面，增加各種鋼筋連接技術(shù)的拉伸破壞試驗，以及各種構造預制墩柱的破壞特征和抗震性能的差異等內容。教學(xué)中結合上海市某高速公路和軌道交通橋梁示范性工程，介紹實(shí)驗研究和設計方案比較方面的經(jīng)驗。
三、創(chuàng )新教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng )新熱情
傳統的課程講授主要是知識的灌輸，學(xué)生是被動(dòng)接受�，F場(chǎng)現澆的施工工藝非常成熟，課程講授主要是教導學(xué)生如何按部就班地進(jìn)行設計施工。裝配式技術(shù)理念的講授需要一個(gè)創(chuàng )新的平臺，因為學(xué)生在學(xué)習墩臺與基礎時(shí)已經(jīng)有比較多的知識儲備，比如土木工程材料、結構設計原理、結構力學(xué)等基礎知識。學(xué)生可以采用個(gè)人或小組作品競賽的方式針對橋墩不同的部位提出自己的裝配構造方式，教師則通過(guò)課后輔導，點(diǎn)評各種構造的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)這種方式激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣，提高學(xué)生的創(chuàng )新能力，對好的想法可以進(jìn)一步指導學(xué)生申請專(zhuān)利�？晒┎贾玫南嚓P(guān)題目有:橋墩與承臺之間的拼接方式;橋墩與蓋梁之間的拼接方式;蓋梁內部分段的連接方式;墩柱內部分段的連接方式(圖1)。圖1不同部位的預制拼裝構造加強學(xué)生間的互動(dòng)，充分激發(fā)學(xué)生的潛力，組織學(xué)生就課程相關(guān)的學(xué)術(shù)前沿開(kāi)展科技創(chuàng )新活動(dòng)，讓學(xué)生喜歡這門(mén)課程的學(xué)習，重視橋梁下部結構的設計和施工，保障橋梁下部結構的安全。針對不同教學(xué)內容以及不同學(xué)習階段，采用討論、示范、啟發(fā)等教學(xué)方法，增強學(xué)生的學(xué)習主動(dòng)性，引導學(xué)生自主而積極地參與學(xué)習，并進(jìn)行探索創(chuàng )新，使學(xué)生真正成為學(xué)習的主體，鼓勵學(xué)生積極思考，大膽實(shí)踐，從而提高教學(xué)效果。
四、結語(yǔ)
墩臺與基礎課程是土建專(zhuān)業(yè)必修的主干課程之一，提高課程教學(xué)效果對提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)能力非常關(guān)鍵。將墩臺與基礎兩部分結合起來(lái)講授，更能體現橋梁結構的受力特點(diǎn)，有助于學(xué)生掌握從設計到施工的各個(gè)環(huán)節的知識點(diǎn)。在墩臺與基礎這一領(lǐng)域向學(xué)生灌輸裝配式技術(shù)理念，符合經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的實(shí)際，是把墩臺與基礎領(lǐng)域的新成果、新技術(shù)、新工藝和新方法傳授給學(xué)生的重要體現。
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