裝配式混凝土橋梁設(shè)計施工關(guān)鍵問題研究

丘福連 歐智菁 林上順

(福建工程學(xué)院，福州 350118)

0 引言

采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場澆筑混凝土的橋梁施工方法，與如今加快生態(tài)文明建設(shè)、綠色發(fā)展、推動新型工業(yè)化發(fā)展的理念相悖[1]。 具有鋼橋和混凝土橋各自優(yōu)點的裝配式混凝土橋梁，發(fā)揮材料各種優(yōu)勢的合理性及便于施工的優(yōu)點[2]，越來越廣泛地應(yīng)用于跨海大橋、城市橋梁等，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。 世界各國都在追求建筑的工業(yè)化，而裝配式混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的標準化和模數(shù)化，能夠推動新型工業(yè)化的發(fā)展、提高勞動生產(chǎn)率，同時積極響應(yīng)了建設(shè)綠色城市的號召[3]。并且裝配式混凝土橋梁已經(jīng)在國外的橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用， 發(fā)展裝配式橋梁結(jié)構(gòu)是建設(shè)工業(yè)化的必由之路。

我國于20 世紀60 年代開始對裝配式混凝土橋梁進行研究[4]，成昆鐵路舊莊河的一號橋于1966 年建成[5]，采用懸臂拼裝的裝配式方法，連接香港、澳門、珠海的港珠澳大橋也熟練地運用到裝配式預(yù)制橋梁技術(shù)[6]。除此之外，上海嘉閔高架橋、國定東路下匝道橋梁、杭州灣跨海大橋等都將裝配式技術(shù)運用其中。

我國混凝土裝配式技術(shù)已經(jīng)比較成熟地運用于大型跨海大橋建設(shè)中，在城市高架或橋梁等工程運用較少。混凝土裝配式橋梁的施工工序， 如工廠預(yù)制節(jié)段、 節(jié)段運輸、 施工現(xiàn)場將其拼裝等， 能夠有效解決城市因交通復(fù)雜、交通量大而造成的短施工周期的問題，同時有效地保護城市環(huán)境，減少對市民出行的影響。

1 預(yù)制裝配式混凝土橋梁特點

預(yù)制裝配式混凝土橋梁的構(gòu)建由工廠統(tǒng)一嚴格生產(chǎn)，相比于現(xiàn)澆，質(zhì)量更能得到保障，運輸?shù)浆F(xiàn)場后安裝連接，有效提高施工效率，同時也能減少對周邊環(huán)境的干擾。 總結(jié)起來，裝配式混凝土橋梁具有如下優(yōu)勢。

裝配式混凝土橋梁技術(shù)中，因部件生產(chǎn)的統(tǒng)一標準，使得同一部件能運用在多種橋梁上， 能夠推動新型工業(yè)化的發(fā)展；由工廠規(guī)模化生產(chǎn)、運輸?shù)浆F(xiàn)場拼裝連接，能夠提高勞動生產(chǎn)率，減少對環(huán)境的污染，因此混凝土裝配式橋梁技術(shù)還積極響應(yīng)了國家建設(shè)綠色城市的號召。

現(xiàn)階段，市場經(jīng)濟發(fā)展迅速，人民生活質(zhì)量、水平明顯提高，因此勞動力相比于過去出現(xiàn)資源短缺的現(xiàn)象，而裝配式混凝土橋梁技術(shù)使得橋梁施工變得更機械化、簡單化，可減少勞動力的使用，符合現(xiàn)階段的勞動力情況。

2 主梁裝配式施工技術(shù)

預(yù)制裝配式混凝土橋梁的上部結(jié)構(gòu)主要有板梁、T梁、組合箱梁等結(jié)構(gòu)形式，主要應(yīng)用于中小跨徑橋梁。 目前主梁的預(yù)制拼裝技術(shù)主要有懸臂拼接施工法和移動支架逐跨施工法[7]，發(fā)展相對比較成熟。

(1)懸臂拼接施工法

懸臂拼接是指從橋墩兩側(cè)用專門的懸臂吊機[8]，將其安裝在已建成的節(jié)段上，吊起橋梁節(jié)段，由施工人員將該節(jié)段與已成型的節(jié)段錨固在一起， 逐步向跨中合龍的技術(shù)，如圖1 所示。 懸拼施工工序主要包括工廠預(yù)制構(gòu)件、構(gòu)件的運輸[8]，梁段起吊拼裝、懸拼梁體體系轉(zhuǎn)換、合攏段施工，節(jié)段的預(yù)制是懸臂拼接技術(shù)的基礎(chǔ)。

圖1 懸臂拼接施工法

(2)移動支架逐跨施工法

移動支架逐跨施工方法，顧名思義，是指利用能夠縱向移動的支架， 將預(yù)制梁體節(jié)段運到施工位置進行拼接或者利用移動模板現(xiàn)澆梁體， 并逐跨對其施加預(yù)應(yīng)力的方法。

圖2 移動支架逐跨施工法

3 裝配式混凝土橋梁下部結(jié)構(gòu)主要連接方式

裝配式混凝土橋梁的下部結(jié)構(gòu)之間的連接是該技術(shù)的關(guān)鍵，包括墩身節(jié)段之間、墩身與承臺之間及墩身與蓋梁之間的連接[9]，主要以承受壓力為主，連接的方式主要為灌漿套筒、灌漿金屬波紋管、預(yù)應(yīng)力筋、承插式連接等。下面分別對這些連接方式進行介紹。

3.1 灌漿套筒連接

灌漿套筒連接方法指將鋼筋插入專門制定的套筒中，其間隙用高強度水泥基灌漿料填充，待填充物凝固后將鋼筋錨固在套筒內(nèi)的一種常見的裝配式混凝土橋梁下部結(jié)構(gòu)的連接方式。

該技術(shù)對施工精度的要求比較高， 但能夠有效減短施工時間，減少現(xiàn)場的施工工作量，其力學(xué)性質(zhì)在正常使用的前提下與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆施工方法類似， 卻比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土橋墩更加經(jīng)濟， 并且已廣泛用于低地震危險區(qū)域。 下面以嘉閔高架橋為例介紹灌漿套筒連接技術(shù)在裝配式混凝土橋梁中的應(yīng)用。

嘉閔高架路位于嘉定區(qū)內(nèi)，全長為1.56km，車道數(shù)為雙向六車道。上部結(jié)構(gòu)以預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁為主，在跨路立交地段采用鋼箱梁。

圖3 嘉閔高架路裝配式柱式墩臺施工

嘉閔高架路是國內(nèi)首次大規(guī)模采用裝配式混凝土橋梁拼裝技術(shù)的工程。其中蓋梁上部為現(xiàn)澆部分，蓋梁下部為預(yù)制構(gòu)件， 在立柱位置設(shè)套筒與上節(jié)立柱以套筒壓漿連接；上節(jié)立柱下端設(shè)套筒和下節(jié)立柱以套筒壓漿連接，上端設(shè)預(yù)留主筋；下節(jié)立柱長為3m 的固定長度，下端設(shè)錨固鋼筋和現(xiàn)澆承臺固結(jié)，上端設(shè)預(yù)留主筋。

鋼筋與套筒接頭的處理方式包括全灌漿接頭和半灌漿接頭兩種。 全灌漿接頭即接頭兩端的帶肋鋼筋均采用灌漿連接，其結(jié)構(gòu)如圖4a 所示。 半灌漿接頭則是一端同全灌漿接頭一樣采用灌漿連接， 但另一端采用的是螺紋連接，其結(jié)構(gòu)如圖4b 所示。

如圖5、圖6 所示，全灌漿接頭連接一般用于橫梁受力的鋼筋與套筒的連接，而預(yù)制柱等鋼筋受豎向力時，一般采用半灌漿接頭方法與套筒連接， 也可采用全灌漿接頭。

圖4 灌漿接頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 橫向受力鋼筋接頭處理示意圖

圖6 豎向受力鋼筋接頭處理示意圖

3.2 灌漿金屬波紋管連接

灌漿金屬波紋管連接方法常用于墩身與承臺或墩身與蓋梁之間的連接。 該連接方法是將預(yù)制墩身內(nèi)預(yù)留的鋼筋插入承臺或蓋梁體內(nèi)預(yù)留的灌漿金屬波紋管內(nèi)，并采用砂漿墊層填充兩者的接觸面的連接技術(shù)[10]。

該連接方法同灌漿套筒一樣能夠有效減短施工時間，力學(xué)性能也與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩類似，但其縱向鋼筋需要有足夠的錨固長度，連接構(gòu)造如圖7 所示。

圖7 灌漿金屬波紋管連接構(gòu)造

下面以國定東路下匝道橋梁為例介紹該連接技術(shù)。

國定東路下匝道橋梁，除樁基承臺外，預(yù)制拼裝技術(shù)運用于上、下部構(gòu)件，承臺與立柱的連接方式采用的是新型灌漿金屬波紋管連接技術(shù)， 拼接縫處采用高強砂漿連接[11]，如圖8 所示。 施工方案為采用立柱底部先座漿，波紋管單個壓漿。 此工藝施工時，承臺頂鋪設(shè)M60 墊層砂漿， 在立柱坐落在墊層砂漿上之后不得再進行立柱垂直度調(diào)節(jié)，防止出現(xiàn)立柱底與砂漿脫離的現(xiàn)象。

圖8 承臺立柱連接示意圖

3.3 有粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋連接

有粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋連接構(gòu)造通過預(yù)埋管道、穿筋、張拉、灌漿，配合砂漿墊層或環(huán)氧膠接縫構(gòu)造實現(xiàn)節(jié)段預(yù)制橋墩的建造[12]，如圖9 所示。 同前面介紹的兩種連接方法一樣， 有粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋連接的變形能力也與現(xiàn)澆混凝土橋墩相近，但其缺點是耗能能力較弱[12]，且墩身的造價相對傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩要高出許多， 同時現(xiàn)場施工的工藝復(fù)雜，施工時間較長。

圖9 節(jié)段拼裝橋墩系統(tǒng)及施工方法

國內(nèi)的港珠澳大橋橋梁工程非通航孔橋預(yù)制墩臺施工就運用到了后張預(yù)應(yīng)力筋連接技術(shù)， 下面對其施工進行介紹。

港珠澳大橋全長為49.968km，其中主體工程“海中橋隧”長達35.578km，車道數(shù)為雙向六車道，設(shè)計行車速度為100km/h。

港珠澳大橋的橋梁下部墩身與承臺為一體預(yù)制；其中，承臺為倒凹形結(jié)構(gòu)，其上設(shè)有多個導(dǎo)向孔、多個排氣補注孔和多個支撐墊板；承臺位于水平防沖墊層上表面，墩身與承臺圍成的空腔下口為防沖墊層封閉， 空腔內(nèi)充有填芯混凝土；每個導(dǎo)向孔內(nèi)固接有一導(dǎo)向樁，導(dǎo)向樁垂直穿過防沖墊層插入海、江或河床中；多個支撐樁與承載樁分布在預(yù)制基礎(chǔ)下方，垂直穿過防沖墊層插入海、江或河床中，與防沖墊層、空腔內(nèi)填芯混凝土固接；支撐樁或承載樁的樁頂有填芯混凝土， 填芯混凝土頂面為樁頂設(shè)計標高，樁頂填芯混凝土高度5～30m；其中，支撐樁的樁頂設(shè)支撐樁定位構(gòu)件， 支撐樁定位構(gòu)件與承臺內(nèi)頂面的支撐墊板相對應(yīng)，并經(jīng)支撐樁定位構(gòu)件與支撐墊板固接。圖10 所示為港珠澳大橋裝配式柱式墩臺施工。構(gòu)件間連接采用墩帽頂上張拉。

圖10 港珠澳大橋裝配式柱式墩臺施工

3.4 承插式連接

承插式連接主要應(yīng)用于橋梁立柱與承臺之間的快速連接[13]。 承插式連接一般是將預(yù)制墩身插入基礎(chǔ)對應(yīng)的預(yù)留孔內(nèi)， 施工方法為將立柱安放在澆筑完成的承臺預(yù)留孔內(nèi)，后用高強度混凝土填充，或者先將立柱安放到正確位置，與承臺一次性澆筑完成。 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

圖11 承插式連接構(gòu)造示意圖

承插式連接方法施工工序相對簡單， 現(xiàn)場作業(yè)量也較少，但其整體的抗震性能有待進一步研究。北京積水潭橋的施工中便采用了承插式連接。

4 預(yù)制節(jié)段接縫拼接方式

構(gòu)件接縫拼接方法通常采用三種方法處理， 如表1所示。

表1 三種接縫拼接方法

4.1 干接縫

干接縫是指節(jié)段接縫間用起潤滑、錨栓、防水、傳遞應(yīng)力等作用的無溶劑型環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑粘結(jié)成一個整體的拼接方式[15]。

當使用了體外索的預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段或接縫處無冰凍穩(wěn)定現(xiàn)象時可采用干接縫，相比于濕接縫，干接縫安裝速度較快，但其水密封性不完全，影響后期施工的質(zhì)量，預(yù)應(yīng)力索的防腐效果相應(yīng)降低[16]，受力及耐久性方面存在缺陷。

4.2 濕接縫

濕接縫一般用于大跨度連續(xù)梁、 預(yù)制的預(yù)應(yīng)力混凝土梁體間接縫的連接。 在雨水區(qū)及沿海區(qū)域所建設(shè)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁體段間的接縫一般采用濕接縫， 它不僅適用于體內(nèi)索，也適用于體外索，濕接縫的密封性好，能有效防止水汽入侵[14]，保護體內(nèi)的鋼筋，同時，相比于干接縫，能承受一定的拉力。

4.3 膠接縫

相對于濕接縫來說，膠接縫最大特點就是，在接縫處理方面采用環(huán)氧樹脂拼接膠代替混凝土連接， 同時在環(huán)氧樹脂拼接膠固化之前需要加載臨時預(yù)應(yīng)力， 拆除臨時預(yù)應(yīng)力的時候， 應(yīng)以保證整個施工階段接縫不出現(xiàn)拉應(yīng)力為原則。 如圖12 所示，T 梁或者箱梁在架設(shè)完成后留在兩片梁翼緣之間的縫隙用環(huán)氧膠粘劑粘合為一體。

圖12 膠接縫拼裝

5 預(yù)制裝配式技術(shù)與BIM 技術(shù)的結(jié)合

近年來， 建筑行業(yè)已逐漸趨向信息化和模型化，工程建設(shè)設(shè)計也與BIM 等技術(shù)緊密結(jié)合。 在公路、市政行業(yè)中，裝配式混凝土橋梁采用工廠預(yù)制和現(xiàn)場拼裝的形式，構(gòu)件相對較為標準，易實現(xiàn)模塊化的設(shè)計、生產(chǎn)和管理[17]，符合BIM 技術(shù)的內(nèi)在要求，因此，預(yù)制裝配式技術(shù)與BIM 技術(shù)的結(jié)合可待。

通過BIM 技術(shù)進行的信息建模[17-18]，如建立三維模型，一方面更便捷地進行圖紙設(shè)計，為預(yù)制廠和現(xiàn)場安裝提供非常直觀的圖紙，同時利于設(shè)計、施工、監(jiān)理等不同職能崗位的相互溝通與交流；另一方面，可以對預(yù)制構(gòu)件的進行碰撞檢查并進行優(yōu)化設(shè)計，能夠提高構(gòu)件鋼筋、預(yù)應(yīng)力波紋管、鋼絞線等材料的下料精度，提升預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量，節(jié)省不必要的材料浪費，減少施工成本，并能更好達到設(shè)計外觀效果， 同時避免制造和安裝過程中出現(xiàn)鋼筋沖突、構(gòu)件不匹配、連接不緊密等問題。 即便出現(xiàn)這些問題，也可以通過BIM 技術(shù)進行在線、實時地調(diào)整，從而為現(xiàn)場操作提供直接指令，提高效率。 通過BIM 技術(shù)還能夠進行施工方案模擬，優(yōu)化施工方案，確保實施預(yù)制拼裝技術(shù)施工可行性和施工質(zhì)量， 有效提高了施工管理水平，縮短施工周期[19]。

6 結(jié)語

裝配式混凝土橋梁技術(shù)不僅能夠保證構(gòu)件的施工質(zhì)量，同時達到要求的結(jié)構(gòu)性能，并顯著提高工程施工的效率，減少環(huán)境污染和人力成本。 論文主要總結(jié)了如下幾點：

(1)裝配式技術(shù)降低橋梁施工時對現(xiàn)狀交通的干擾、提高施工質(zhì)量、縮短施工周期、改善施工場所的安全性、降低施工中產(chǎn)生的噪聲等對周圍居民和環(huán)境的影響。

(2)裝配式混凝土橋梁預(yù)制構(gòu)件間的連接包括墩身節(jié)段之間、墩身與承臺之間及墩身與蓋梁之間的連接，連接方式主要為灌漿套筒、灌漿金屬波紋管、有粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋連接、承插式連接等，目前應(yīng)用廣泛的連接方式為灌漿套筒連接。 當使用了體外索的預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段或接縫處無冰凍穩(wěn)定現(xiàn)象時可采用干接縫； 在雨水區(qū)及沿海區(qū)域建設(shè)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁體段間的接縫一般采用濕接縫；膠接縫同濕接縫，但所用材料不同，施工要求更高。

(3)目前裝配式混凝土橋梁沒有完全實現(xiàn)構(gòu)件的組拼，部分還是需現(xiàn)澆。灌漿套筒等連接方式工藝較復(fù)雜，連接效果、連接質(zhì)量、施工質(zhì)量不能完全保證。因此，在未來我們應(yīng)著力于改進裝配式混凝土橋梁的連接方式， 提出快速連接、質(zhì)量可靠的新型連接形式，同時結(jié)合BIM 等技術(shù)，優(yōu)化施工方案，確保施工質(zhì)量，縮短施工周期。