全預(yù)制裝配式橋梁方案研究

王繼全

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步及人們環(huán)保意識(shí)的提高，橋梁的施工環(huán)境越來(lái)越受到政府與民眾的重視，尤其是城市核心的橋梁。橋梁建設(shè)工期、施工噪聲污染、保交壓力等逐漸成為橋梁設(shè)計(jì)時(shí)必須放在首位考慮的因素。

雖然傳統(tǒng)建設(shè)方式為我國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)快速發(fā)展發(fā)揮了重要作用，但其弊端也十分突出：粗放式，材料浪費(fèi)嚴(yán)重；工地臟亂，對(duì)交通環(huán)境影響大；質(zhì)量控制難，質(zhì)量通病嚴(yán)重；勞動(dòng)力整體素質(zhì)低、成本高。圖1為傳統(tǒng)建設(shè)方式下漫天灰塵、擁擠混亂的施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 傳統(tǒng)建設(shè)方式現(xiàn)場(chǎng)

預(yù)制裝配式技術(shù)具有構(gòu)件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝快速便捷、施工節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。它可以減少對(duì)大氣環(huán)境和道路交通的影響，提升工程品質(zhì)和安全質(zhì)量、文明施工水平，大規(guī)模推廣后能有效降低社會(huì)成本（見(jiàn)圖2）。中央及各地政府也先后推出一系列的政策，大力推廣裝配式建筑的發(fā)展[1]。

圖2 裝配式橋梁建設(shè)效果圖

1 預(yù)制裝配式技術(shù)發(fā)展

橋梁預(yù)制安裝技術(shù)最早起源于法國(guó)。E.弗萊西奈在1945～1948年期間首先對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋進(jìn)行了預(yù)制拼裝施工。在過(guò)去的幾十年間，利用預(yù)制安裝工藝來(lái)縮短橋梁建造時(shí)間的方法在歐美各國(guó)已逐漸受到重視。美國(guó)有較多關(guān)于節(jié)段拼裝橋墩的實(shí)例。比較著名的有佛羅里達(dá)州的的John T.Collision Bridge、德州的183號(hào)公路、北卡羅來(lái)納州的 Linn Cove Viaduct、德拉維州的 C&D Canal Bridge、弗吉尼亞州的Varina-Enon Bridge、新澤西州的Victory Bridge、內(nèi)華達(dá)州的Colorado Bridgeof Hoover Dan Bypass等，但這些主要處于低烈度地震帶。

中國(guó)臺(tái)灣地處頻繁地震帶，2010年臺(tái)灣臺(tái)中生活圈2號(hào)線東段、臺(tái)中生活圈4號(hào)線北段及大里聯(lián)絡(luò)道工程其中幾段采用預(yù)制節(jié)段橋墩吊裝工藝，并配合設(shè)置減隔震支座以提高其抗震性能。

新澳凼大橋是連接澳門與凼仔島的跨海公路大橋，其主橋橋墩采用多層橫截面為工字型的鋼筋混凝土預(yù)制塊體為墩身主體，采用裝配的方式，對(duì)穿過(guò)墩身及墩頂橫梁的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行張拉錨固，將墩身與樁基承臺(tái)連成一體。

中國(guó)大陸的預(yù)制拼裝橋墩起步相對(duì)較晚，北京積水潭橋試驗(yàn)工程、東海大橋（見(jiàn)圖3）、杭州灣大橋、上海長(zhǎng)江大橋等采用了濕接縫連接的節(jié)段拼裝實(shí)體橋墩[2]。

圖3 東海大橋裝配式施工

近幾年來(lái)，隨著國(guó)家政策導(dǎo)向，預(yù)制拼裝技術(shù)開(kāi)始推廣開(kāi)來(lái)。比如，上海的S6滬翔高速公路、嘉閔高架北二期、國(guó)定路下匝道、S7公路（S20-月羅公路）、S3公路先期實(shí)施段、S26等其中全部或部分采用了全預(yù)制拼裝技術(shù)[3]。圖4為東海大橋裝配式施工效果圖。

圖4 東海大橋裝配式施工效果圖

2 上部結(jié)構(gòu)預(yù)制類型

橋梁的預(yù)制拼裝是從上部結(jié)構(gòu)開(kāi)始的。1951年德國(guó)工程師Finsterwalder 在Lahn河上建造了第一座懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，形成了現(xiàn)代意義上的懸臂澆注施工法[4]。1978年美國(guó)佛羅里達(dá)州建成的長(zhǎng)礁橋101×36 m，是首座采用預(yù)制節(jié)段拼裝施工的體外預(yù)應(yīng)力橋梁，該工程創(chuàng)造了每周架橋108 m的施工速度[5]。

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始對(duì)預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁進(jìn)行研究。1966年竣工的成昆鐵路舊莊河一號(hào)橋便采用預(yù)制節(jié)段懸臂拼裝施工法[6]。隨后隨著研究的深入，于2001年3月在上海瀏河大橋首次采用專用移動(dòng)支架實(shí)現(xiàn)預(yù)制節(jié)段逐跨拼裝法施工。之后的上海滬閔高架二期工程和蘇通大橋等重大工程都是采用節(jié)段拼裝施工技術(shù)。

進(jìn)入21世紀(jì)后，上部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝逐漸在我國(guó)推廣開(kāi)來(lái)，技術(shù)相對(duì)成熟，主要分為整孔預(yù)制、分片預(yù)制、節(jié)段預(yù)制三類。

受制于吊裝重量的限制，整孔預(yù)制主要適用于鐵路橋梁、輕軌橋梁等相對(duì)較窄的橋梁，工廠整體預(yù)制后整體運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，如圖5所示。

圖5 整孔預(yù)制箱梁

城市橋梁為了保證功能使用需要，橋面往往較寬，主線橋梁常規(guī)要達(dá)到25 m，局部路段甚至達(dá)到40 m。為了加快施工進(jìn)度，橋梁設(shè)計(jì)人員逐漸研發(fā)出了空心板、T梁、小箱梁等分片預(yù)制的結(jié)構(gòu)，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)架梁后再進(jìn)行橫向連接，如圖6所示。

圖6 單片預(yù)制小箱梁

在懸臂澆筑的基礎(chǔ)上，為了加快施工進(jìn)度，提高工程質(zhì)量，逐漸研發(fā)出了大箱梁節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)。該思維方式是橫向切段以達(dá)到減小節(jié)段重量的目的，如圖7所示。

3 下部結(jié)構(gòu)預(yù)制類型

橋梁下部結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝發(fā)展較晚，主要是由于接縫的連接處理，抗震安全性能難以保證。橋梁下部結(jié)構(gòu)的預(yù)制主要體現(xiàn)為蓋梁與橋墩的工廠預(yù)制。

圖7 嘉閔二期大箱梁節(jié)段預(yù)制拼裝

第一座采用預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)建造的橋梁是美國(guó)20世紀(jì)80年代開(kāi)始建造的Linn Cove高架橋。該橋下部橋墩采用有黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋連接，并采用了環(huán)氧接縫處理。該項(xiàng)目通過(guò)采用預(yù)制拼裝技術(shù)順利解決了環(huán)境制約和工程進(jìn)度等問(wèn)題。該項(xiàng)目也成為預(yù)制拼裝技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)典型工程范例。隨后，在歐美一些地震危險(xiǎn)性低的地區(qū)，預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)應(yīng)用逐漸增多。例如，位于美國(guó)科羅拉多州的Vail Pass橋梁的下部橋墩也采用了有黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋的連接方式。

隨著人們對(duì)預(yù)制拼裝抗震性能的進(jìn)一步研究，立柱、蓋梁的預(yù)制拼裝技術(shù)開(kāi)始推廣，如上海嘉閔二期、S3公路先期實(shí)施段（見(jiàn)圖8）、中環(huán)國(guó)定路下匝道、S7公路新建工程、新疆東進(jìn)場(chǎng)高架等，并在全國(guó)快速發(fā)展。

圖8 上海S3公路先期實(shí)施段

4 附屬結(jié)構(gòu)預(yù)制類型

隨著對(duì)工程施工進(jìn)度的要求越來(lái)越高，工程中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)變成拖延工期的關(guān)鍵要素，橋梁主體結(jié)構(gòu)完成全預(yù)制工廠化生產(chǎn)后，配套附屬設(shè)施亦應(yīng)同步提高生產(chǎn)效率。橋梁附屬設(shè)施預(yù)制主要分為防撞墻、側(cè)平石、交安設(shè)施基礎(chǔ)等。附屬設(shè)施的工廠化預(yù)制生產(chǎn)，能大大提高工程質(zhì)量及清水混凝土的美觀（見(jiàn)圖9）。

圖9 防撞墻工廠化預(yù)制生產(chǎn)

5 預(yù)制構(gòu)件連接方式

預(yù)制拼裝技術(shù)最核心的問(wèn)題在于預(yù)制節(jié)段連接的處理方式。在國(guó)際或國(guó)內(nèi)，大多采用后張預(yù)應(yīng)力筋連接、鋼筋焊接或搭接，并采用濕接縫連接、插槽式或承插式接縫連接、灌漿套筒連接、波紋管連接以及UHPC連接等。

從目前已實(shí)施的工程來(lái)看，灌漿套筒連接（見(jiàn)圖10）、波紋管連接（見(jiàn)圖11）以及UHPC連接（見(jiàn)圖12）更受工程師青睞。研究結(jié)果表明：灌漿套筒多預(yù)埋于墩身，起鋼筋連接件作用，橋墩塑性鉸區(qū)損傷狀況受套筒影響顯著；灌漿波紋管多預(yù)埋于承臺(tái)或蓋梁內(nèi)，用于加強(qiáng)伸入鋼筋的錨固效應(yīng)。這兩類拼接構(gòu)造橋墩的抗震性能并不弱于現(xiàn)澆的混凝土橋墩，但損傷部位均集中在接縫處。UHPC連接則能更好地適應(yīng)橋墩與承臺(tái)、橋墩與蓋梁的連接，且其施工相對(duì)于套筒及波紋管兩種方式更為簡(jiǎn)潔。

圖10 灌漿套筒連接

圖11 灌漿波紋管連接

圖12 UHPC連接

6 結(jié)語(yǔ)

全預(yù)制裝配式橋梁建造技術(shù)，不僅能很好地控制工程質(zhì)量，而且能加快施工速度，減少現(xiàn)場(chǎng)污染，同時(shí)也符合低碳化、和諧社會(huì)的發(fā)展要求。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，該技術(shù)必將引領(lǐng)橋梁建造往高效、低碳、環(huán)保的方向發(fā)展。

本文通過(guò)對(duì)全預(yù)制裝配式橋梁建造技術(shù)的剖析，列舉已經(jīng)施工完成及正在施工的案例，整理和歸納了橋梁上部、下部、附屬預(yù)制類型及連接方式，提出了目前比較適合我國(guó)發(fā)展的裝配式技術(shù)方案，希望能給設(shè)計(jì)同行以借鑒，更好地促進(jìn)國(guó)內(nèi)裝配式橋梁的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]D G/TJ08-2160—2015,預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)規(guī)程[S]．

[2]李國(guó)平.全預(yù)制混凝土橋梁技術(shù)概論[C]//第十八屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：人民交通出版社，2008.

[3]黃國(guó)斌,查義強(qiáng).上海公路橋梁橋墩預(yù)制拼裝建造技術(shù)[J].上海公路.2014(4):1-5.

[4]Walter,P.J.and Muller,J.M.,Construction and Design ofPrestressed Concrete Segmental Bridges[M].WileyInterscience publication,1982.

[5]裘伯永,盛興旺.橋梁工程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2001.

[6]成昆鐵路技術(shù)總結(jié)委員會(huì).成昆鐵路[M].北京:人民鐵道出版社,1980.