鄭州107輔道高架橋梁應(yīng)用預(yù)制裝配技術(shù)可行性探討

徐優(yōu)

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

鄭州107輔道高架橋梁應(yīng)用預(yù)制裝配技術(shù)可行性探討

徐優(yōu)

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

裝配式橋梁因其契合當(dāng)前城市建設(shè)中對快速施工和綠色施工的要求而越來越受到人們的重視。以鄭州市107輔道快速化工程預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋?yàn)槔?，探討將裝配式技術(shù)應(yīng)用在該工程上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)中的可行性，著重介紹了蓋梁和立柱應(yīng)用裝配式技術(shù)的設(shè)計(jì)和施工方法。

小箱梁；蓋梁；立柱；預(yù)制裝配

1　概述

隨著城市居民對文明施工和環(huán)境影響的日益重視，降低市政工程施工對日常生活影響的需求越來越強(qiáng)，快速施工、綠色施工正成為城市橋梁建設(shè)面臨的迫切需求，因此橋梁預(yù)制裝配技術(shù)近年來得到世界各國的重視。預(yù)制裝配橋梁技術(shù)的研究在國內(nèi)外呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢。研究的最終目的是建立橋梁結(jié)構(gòu)的工廠化制造，機(jī)械化裝配和標(biāo)準(zhǔn)化管理的集成技術(shù)，推動橋梁建設(shè)優(yōu)質(zhì)、節(jié)約、環(huán)保和工業(yè)化。

所謂預(yù)制裝配橋梁，是一種將混凝土橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件在工廠或預(yù)制場集中預(yù)制、現(xiàn)場拼裝的橋梁［1］。預(yù)制裝配相對于傳統(tǒng)技術(shù)工藝有如下特點(diǎn)：

（1）縮短工期：將傳統(tǒng)的樁基、立柱、蓋梁、箱梁等從下到上的順序施工工序變成了上、下部同時施工的并行施工工序，通過合理安排預(yù)制、裝配工序可以加快施工進(jìn)度，縮短施工工期。

（2）降低施工干擾：因省去了搭設(shè)支架、支設(shè)模板、綁扎鋼筋、拆除模板等大量現(xiàn)場工序，可顯著降低施工對周邊居住環(huán)境和正常交通的影響。

（3）提高工程質(zhì)量：由于預(yù)制結(jié)構(gòu)主要在工廠完成，同時裝配施工對精度要求較高，決定了施工質(zhì)量比傳統(tǒng)施工質(zhì)量要高。同時由于預(yù)制節(jié)段存放期的存在，使混凝土的收縮和徐變在橋梁施工期和運(yùn)營期的影響減?。?］。

（4）降低工程成本：預(yù)制裝配主要投入是預(yù)制加工廠和相關(guān)生產(chǎn)、吊裝設(shè)備。通過大型工程的實(shí)施，施工機(jī)械成本和預(yù)制生產(chǎn)成本可以得到充分的分?jǐn)?。總的來說，項(xiàng)目規(guī)模的擴(kuò)大可以降低單位長度橋梁的造價，基于過去的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，發(fā)達(dá)國家1～1.5 km的橋梁項(xiàng)目采用預(yù)制裝配技術(shù)是有競爭力的，而發(fā)展中國家2.5 km以上的橋梁項(xiàng)目采用預(yù)制裝配技術(shù)才是有競爭力的［2］。

因此當(dāng)工程對以上幾方面的某一方面要求較高時，可以優(yōu)先考慮采用預(yù)制裝配技術(shù)施工。

鄭州107輔道高架北四環(huán)至南四環(huán)段，全長約20 km，除6座互通立交橋梁結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆箱梁外，其余均為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁，主線標(biāo)準(zhǔn)段寬度為25.5 m（雙向6車道）和32.5 m（雙向8車道，橫斷面布置見圖1所示）兩種。下部為柱式墩，樁基礎(chǔ)，倒T形蓋梁。該工程線路規(guī)劃里程長，橋型單一，基礎(chǔ)、橋墩型式變化較少，工程量大，以上的這些特點(diǎn)和施工環(huán)境的需求，非常適合預(yù)制裝配技術(shù)的應(yīng)用。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)段32.5 m橫斷面布置圖

2　上部結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配

綜合考慮小箱梁的經(jīng)濟(jì)跨徑和施工吊裝重量，該工程擬采用30 m和35 m作為標(biāo)準(zhǔn)跨徑。在交通部小箱梁標(biāo)準(zhǔn)圖的基礎(chǔ)上，增加了小箱梁腹板和底板厚度，以便于預(yù)應(yīng)力波紋管定位和箱梁混凝土密實(shí)澆筑。30 m跨（或35 m跨）小箱梁主要結(jié)構(gòu)尺寸如下：梁高取1.6 m（或1.8 m），中梁頂板寬2.4 m底板寬1.0 m，邊梁翼緣至中心線長度控制在1.4～1.8 m，頂板厚度0.18 m，腹板和底板厚度跨中處0.2 m，支點(diǎn)處0.3 m（或0.35 m）。上部結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配技術(shù)出現(xiàn)的較早，目前在我國城市高架設(shè)計(jì)和施工中，多梁式的板梁、T梁、小箱梁等橋梁型式已廣泛采用預(yù)制裝配技術(shù)，工程實(shí)例眾多，此處不再贅述。

3　下部結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配

下部結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配構(gòu)件包括：樁基、橋臺（臺身、擋墻）、立柱、蓋梁等。特別是立柱和蓋梁施工，它們承上啟下是制約整個工程工期的關(guān)鍵構(gòu)件，因此立柱和蓋梁的預(yù)制裝配技術(shù)對于提高工程質(zhì)量、縮短施工工期具有重要意義。

3.1連接方式

依據(jù)橋型特點(diǎn)、施工條件和所處工程環(huán)境等因素，國內(nèi)外的研究人員對預(yù)制裝配墩柱連接構(gòu)造提出很多類型，主要可歸結(jié)為：采用有粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋鋼絞線（精軋螺紋鋼）、灌漿套筒連接、金屬波紋管連接、插槽式（Pocket）、承插式、濕接縫等構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)預(yù)制橋墩之間、預(yù)制墩身與蓋梁和預(yù)制墩身與承臺的連接［1］。墩身與蓋梁或墩身與承臺之間的接觸面往往采用砂漿墊層，墩身節(jié)段之間的接觸面常采用環(huán)氧膠接縫構(gòu)造。針對這幾種連接的特點(diǎn)，從不同的角度和傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩進(jìn)行比較，結(jié)果見表1所列。

表1　各種預(yù)制裝配連接方式同現(xiàn)澆混凝土模式對比表

通過對上述連接類型的比較可以看出，灌漿套筒連接和灌漿金屬波紋管連接適用部位多且施工速度快，充分體現(xiàn)出了裝配式橋梁的特點(diǎn)。同時，在規(guī)范層面上，《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ 355-2015），以及其他諸如《鋼筋套筒連接用灌漿料》（JB/T408-2013）等一系列相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，也保證了這兩種連接方式在設(shè)計(jì)上有據(jù)可依。

因此可以認(rèn)為在連接構(gòu)造可靠的前提下，裝配式橋梁的力學(xué)行為和傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件基本一致。試驗(yàn)研究也表明，采用套筒（coupler）、波紋管（duct）預(yù)制裝配連接構(gòu)造的橋墩與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩相比，具有相近的抗震性能，可滿足預(yù)期抗震性能的要求［1］。

鑒于此，該工程選用灌漿套筒作為立柱與蓋梁、立柱節(jié)段、立柱與承臺之間的連接方式，并采用現(xiàn)有規(guī)范中的計(jì)算方法來完成預(yù)制拼裝橋梁的計(jì)算和設(shè)計(jì)。

3.2立柱設(shè)計(jì)

該工程主線高架立柱設(shè)計(jì)高度從3.25 m～9.5 m不等，為減少預(yù)制時立柱模板種類，立柱截面歸并為以下三種：2 m×2 m、2 m×1.6 m、1.7 m×1.7 m。當(dāng)立柱高度小于5 m時，采用整體預(yù)制，上下兩端均預(yù)留錨固主筋，與預(yù)埋在蓋梁和承臺中的灌漿連接套筒相連。立柱高度大于5 m時，分節(jié)預(yù)制，灌漿連接套筒布置于上節(jié)立柱底部，與下節(jié)立柱上端伸出的錨固主筋相連。立柱連接方式如圖2所示。

圖2　立柱節(jié)段連接處鋼筋圖

由于灌漿套筒內(nèi)部需要預(yù)留灌漿空間，因此其外徑較大，為保證灌漿套筒之間留有足夠的空間，確?；炷凉橇蠞仓軐?shí)，需要減少立柱縱向主筋的數(shù)量，以增大灌漿套筒之間的距離。此外，減少主筋數(shù)量還能方便施工，提高施工速度。借鑒已有的一些經(jīng)驗(yàn)，該工程通過加大立柱縱向主筋直徑和提高縱向主筋強(qiáng)度等級來實(shí)現(xiàn)減少主筋數(shù)量的目的。以該工程2 m×1.6 m立柱斷面為例，配筋如圖3所示。主筋采用直徑為40 mm的HRB400鋼筋，間距控制在150 mm左右，每隔一根用箍筋固定。

圖3　立柱橫斷面鋼筋圖

因灌漿套筒的外徑比主筋直徑大很多，導(dǎo)致在灌漿套筒連接段主筋和非連接段主筋有不同的鋼筋保護(hù)層厚度。當(dāng)立柱整體預(yù)制時，灌漿套筒預(yù)埋入承臺和蓋梁，這樣可以保證立柱中主筋保護(hù)層厚度滿足規(guī)范要求。當(dāng)立柱分段預(yù)制時，需要將灌漿套筒預(yù)埋入立柱，導(dǎo)致立柱非連接段主筋的保護(hù)層厚度過大，該工程采取在保護(hù)層內(nèi)增加鋼筋網(wǎng)片的構(gòu)造措施，防止開裂。

同樣由于在灌漿套筒連接段主筋和非連接段主筋保護(hù)層厚度不同，需要在灌漿套筒接段和非連接段采用不同的箍筋尺寸，以保證箍筋和相應(yīng)的主筋匹配。

3.3蓋梁設(shè)計(jì)

該工程主線高架蓋梁按立柱個數(shù)可分為3類，分別是雙柱蓋梁，三柱蓋梁和四柱蓋梁。其中橋?qū)挒?5.5 m和32.5 m的標(biāo)準(zhǔn)段為雙柱蓋梁，橋?qū)挻笥?2.5 m的變寬段為三柱或四柱蓋梁。施工時擬采用汽車吊進(jìn)行蓋梁吊裝，考慮到汽車吊的工作半徑和吊裝高度，需對該工程蓋梁進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，分段預(yù)制，以控制吊裝重量不宜過大。

3.3.1雙柱蓋梁

圖4所示為橋?qū)?5.5 m的標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁，蓋梁分為上下兩層，上層為現(xiàn)澆，下層為預(yù)制（含蓋梁骨架鋼筋）。蓋梁施工及鋼束張拉順序?yàn)椋旱跹b蓋梁預(yù)制段（鋼束N3和N4在預(yù)制廠內(nèi)張拉），施工蓋梁上層現(xiàn)澆段，吊裝上部小箱梁并澆筑箱梁濕接縫，張拉鋼束N2和N1，施工橋面鋪裝及橋面系。

圖4　橋?qū)?5.5 m雙柱蓋梁分段型式及配束方式圖

圖5所示為橋?qū)?2.5 m的標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁，蓋梁分為上下兩層，上層為現(xiàn)澆，下層為預(yù)制（含蓋梁骨架鋼筋）。其中預(yù)制段也分為兩段預(yù)制，中間設(shè)置2 m寬現(xiàn)澆縫。吊裝預(yù)制段時，蓋梁兩端用移動支架作為臨時支撐。蓋梁施工及鋼束張拉順序?yàn)椋旱跹b蓋梁預(yù)制段（鋼束N5在預(yù)制廠內(nèi)張拉），施工2 m現(xiàn)澆縫，張拉鋼束N4，施工蓋梁上層現(xiàn)澆段，張拉鋼束N3，吊裝上部小箱梁并澆筑箱梁濕接縫，張拉鋼束N2和N1，施工橋面鋪裝及橋面系。

3.3.2三柱蓋梁

圖6所示為橋?qū)?9.6 m的三柱加寬段蓋梁，蓋梁分為上下兩層，上層為現(xiàn)澆，下層為預(yù)制（含蓋梁骨架鋼筋）。其中預(yù)制段也分為兩段預(yù)制，中間設(shè)置2 m寬現(xiàn)澆縫。吊裝預(yù)制段時，分別用移動支架作為臨時支撐。蓋梁施工及鋼束張拉順序?yàn)椋旱跹b蓋梁預(yù)制段（鋼束N1和N2在預(yù)制廠內(nèi)張拉），施工2m現(xiàn)澆縫，施工蓋梁上層現(xiàn)澆段，張拉鋼束N3，吊裝上部小箱梁并澆筑箱梁濕接縫，張拉鋼束N4和N5，施工橋面鋪裝及橋面系。

3.3.3四柱蓋梁

圖7所示為橋?qū)?1.2 m的四柱加寬段蓋梁，中間設(shè)置10 mm斷縫將蓋梁分為左右兩節(jié)。每節(jié)蓋梁分為上下兩層，上層為現(xiàn)澆，下層為預(yù)制（含蓋梁骨架鋼筋）。蓋梁施工及鋼束張拉順序?yàn)椋悍謩e吊裝蓋梁左右兩節(jié)預(yù)制段（鋼束N2在預(yù)制廠內(nèi)張拉），張拉鋼束N3，施工蓋梁上層現(xiàn)澆段，吊裝上部小箱梁并澆筑箱梁濕接縫，張拉鋼束N1，施工橋面鋪裝及橋面系。

圖5　橋?qū)?2.5 m雙柱蓋梁分段型式及配束方式圖

圖6　三柱蓋梁分段型式及配束方式圖

此外，預(yù)制段蓋梁在存放、運(yùn)輸、吊裝過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)位置布置支撐點(diǎn)或吊點(diǎn)，并且嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的順序張拉預(yù)應(yīng)力。

圖7　四柱蓋梁分段型式及配束方式圖

4　結(jié)論與展望

以鄭州107輔道高架橋梁為例，探討了橋梁預(yù)制裝配技術(shù)在小箱梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性，特別是在下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中的應(yīng)用，得出如下結(jié)論：

（1）在連接構(gòu)造可靠的前提下，采用灌漿套筒連接和傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件具有基本一致的力學(xué)行為，可采用現(xiàn)有規(guī)范中的計(jì)算方法來完成預(yù)制拼裝橋梁的常規(guī)計(jì)算和設(shè)計(jì)。

（2）立柱設(shè)計(jì)時采用大直徑高強(qiáng)度鋼筋，以減少主筋數(shù)量以保證施工質(zhì)量，提高施工速度，方便連接。

（3）立柱中預(yù)埋灌漿套筒時，由于灌漿套筒直徑較大，導(dǎo)致主筋保護(hù)層大于50 mm時，應(yīng)在保護(hù)層內(nèi)設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)。

（4）蓋梁重量較大時，可分段預(yù)制，分段吊裝。蓋梁設(shè)計(jì)時應(yīng)使其滿足從預(yù)制、存放、運(yùn)輸、吊裝等各狀態(tài)的受力要求。

（5）蓋梁存放、運(yùn)輸和吊裝過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)位置布置支撐點(diǎn)或吊點(diǎn)，并且嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的順序張拉預(yù)應(yīng)力。

綜上所述，裝配式結(jié)構(gòu)，其易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、工廠化施工的特點(diǎn)正適應(yīng)了建筑工業(yè)化的發(fā)展趨勢，也是城市建設(shè)低碳化的首選之路。預(yù)制裝配式橋梁在提高工程質(zhì)量、加快工程進(jìn)度、降低環(huán)境影響方面的作用已經(jīng)為國內(nèi)外諸多工程實(shí)例所證實(shí)，但該技術(shù)在城市橋梁中尚未得到廣泛應(yīng)用，隨著城市建設(shè)理念的提升，其未來在橋梁工程中的應(yīng)用必將越來越廣。

［1］周良，閆興非，等.橋梁全預(yù)制裝配技術(shù)的探索與實(shí)踐［J］.預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2014，（6）:15-17.

［2］John J.Sun，Gernot Komar.長大橋梁工程的先進(jìn)節(jié)段預(yù)制技術(shù)及其應(yīng)用［J］.公路，2009，（5）:73-80.

U445.4

B

1009-7716（2016）06-0153-04

2016-03-15

徐優(yōu)（1981-），男，河南信陽人，碩士，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。