基于裝配式技術(shù)的節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工方案探討

李旭LI Xu

（廣東冠粵路橋有限公司，廣州511450）

0 引言

相比于國外，我國裝配式技術(shù)與節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁技術(shù)起步較晚，但近年來發(fā)展較快，在工程橋梁施工中占據(jù)著重要地位。且裝配式技術(shù)與節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)有利于提升橋梁施工質(zhì)量，因此本文將對基于裝配式技術(shù)的節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工方案進(jìn)行簡要分析。

1 裝配式技術(shù)概述

1.1 裝配式技術(shù)的概念與優(yōu)點

裝配式技術(shù)指的是先在加工廠里加工施工所需要的構(gòu)件，之后在施工場地直接裝配預(yù)制構(gòu)件的技術(shù)[1]。裝配式技術(shù)具有多重優(yōu)點，例如有利于提高施工質(zhì)量、加快施工進(jìn)度等。第一，有利于提高施工質(zhì)量。裝配式構(gòu)件是在工廠當(dāng)中預(yù)制的，可以改善橋梁開裂、滲漏等問題，提高橋梁施工的質(zhì)量與耐久性。第二，有利于加快工程進(jìn)度。裝配式技術(shù)是先在工廠中預(yù)制配件，不需要在施工現(xiàn)場進(jìn)行定制，可有效加快施工進(jìn)度。第三，有利于提高工程品質(zhì)。預(yù)制配件的問題在施工前就得以解決，在施工時基本不會出現(xiàn)問題，有利于提高工程品質(zhì)。

1.2 裝配式預(yù)制橋梁技術(shù)的應(yīng)用前景

第一，高性能混凝土橋梁。二十世紀(jì)以來，在技術(shù)水平不斷提升的背景下，混凝土的強度不斷提升，且出現(xiàn)了高強混凝土與高性能混凝土，其強度超過了60MPa，之后人們又研發(fā)出了超高性能混凝土。在應(yīng)用這些混凝土?xí)r，節(jié)段預(yù)制施工結(jié)構(gòu)中節(jié)段間的聯(lián)接可靠度會對預(yù)制拼接結(jié)構(gòu)的受力性能產(chǎn)生影響，需加強注意。第二，城市市政橋梁。城市高架或軌道交通高架等工程具有長度長、線形單一以及施工周期短等特點，所以比較適合應(yīng)用裝配式技術(shù)與節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)。在橋梁建設(shè)過程中，預(yù)制工程數(shù)量不斷增加，預(yù)制生產(chǎn)成本會得到攤銷，工程造價就會有所降低。且大型施工設(shè)備也會越來越完善，可以為節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工奠定基礎(chǔ)。第三，軌道交通與鐵路橋梁。軌道交通當(dāng)中的鐵路橋梁與高架橋梁具有橋?qū)捿^小的特點，結(jié)構(gòu)主要采用傳統(tǒng)的箱型梁與槽型梁[2]。

2 節(jié)段預(yù)制拼裝工藝概述

2.1 節(jié)段預(yù)制拼裝工藝的概念與優(yōu)缺點

節(jié)段預(yù)制拼裝工藝指的是將梁體分為若干節(jié)段，在工廠預(yù)制之后將其運輸至橋位進(jìn)行組拼，通過施加預(yù)應(yīng)力將節(jié)段整體拼裝成橋的施工工藝（如圖1 所示）[3]。早在二十世紀(jì)六十年代，歐洲就出現(xiàn)了節(jié)段預(yù)制混凝土箱梁。之后，節(jié)段預(yù)制技術(shù)便不斷發(fā)展。在九十年代時，香港大多數(shù)橋梁都應(yīng)用了節(jié)段拼裝施工技術(shù)，且結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜。國內(nèi)第一個采用節(jié)段預(yù)制拼裝施工工藝的大橋是上海瀏河大橋（如圖2 所示）。

圖1 節(jié)段預(yù)制橋梁施工流程

圖2 上海瀏河大橋

與傳統(tǒng)的施工工藝相比，節(jié)段預(yù)制拼裝施工工藝具有多重優(yōu)點。例如在施工時對周圍交通與環(huán)境的影響比較?。还?jié)段的重量比較輕、尺寸也比較小，運輸難度小，拼裝速度快；場制砼的質(zhì)量控制效果較好；可以降低安裝及成橋后混凝土收縮徐變；比較適用于體外預(yù)應(yīng)力，可以縮小梁斷面的尺寸，提高材料的利用率；可以有效控制其幾何形狀，增強砼結(jié)構(gòu)的美觀性[4]。但是，節(jié)段預(yù)制拼裝施工也具有一定的不足。例如，工程前期投入較大，不僅需要構(gòu)建預(yù)制場地，也需要完善運輸設(shè)備與架梁設(shè)備；節(jié)段之間主要是利用干接縫聯(lián)結(jié)，若沒有科學(xué)處理可能會導(dǎo)致大氣當(dāng)中的酸性成分與水分滲透其中，降低結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.2 節(jié)段預(yù)制拼裝方法

常用的階段預(yù)制拼裝方法有長線臺座法、短線臺座法等。第一，長線臺座法。長線臺座法指的是根據(jù)所設(shè)計的制梁線型將所有的塊件都放置在一個比較長的臺座上匹配預(yù)制，從而使兩塊塊件形成自然的匹配面。此方法的優(yōu)點是可以有效控制幾何形狀，整體的構(gòu)造也比較簡單，在脫模后不需要立即將梁段運輸至貯放地，同時偏差也不會累積。但是，此方法的占地面積較大，需要將臺座設(shè)置在堅固的基礎(chǔ)上面。第二，短線臺座法。短線臺座法指的是在同一個模板當(dāng)中進(jìn)行每一節(jié)段的澆筑工作。這一模板的一端是固定模，另外一端是先澆筑的節(jié)段，整個模板的長度只有一個節(jié)段的長度，且模板具有不可移動性，因此需要將梁段運輸至貯存場地[5]。此方法的優(yōu)點是占地面積小，可以進(jìn)行流水線作業(yè)，可進(jìn)行多類型節(jié)段的澆筑，但是對儀器有較高的要求。

2.3 預(yù)制場的建設(shè)

預(yù)制場（如圖3 所示）建設(shè)是進(jìn)行基于裝配式技術(shù)的節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工的前提和基礎(chǔ)，施工單位應(yīng)科學(xué)設(shè)置預(yù)制場。預(yù)制場主要包括扎筋區(qū)、澆筑區(qū)、攪拌站以及堆放區(qū)，其中扎筋區(qū)主要是用來扎制鋼筋籠與安置選模板的；澆筑區(qū)主要是安置模板、攪搗混凝土的；攪拌站主要是用來存儲石料與水泥，也需要攪拌混凝土；堆放區(qū)主要是堆放交付運輸與成品構(gòu)件的。在進(jìn)行預(yù)制場建設(shè)時，施工單位應(yīng)做好規(guī)劃工作，提高節(jié)段生產(chǎn)的效率，避免后續(xù)施工時出現(xiàn)場地遷移等情況；需要科學(xué)選擇預(yù)制場地的位置以及運輸線路，減小對工期與周圍交通的影響；盡量將預(yù)制場設(shè)置在工地附近，從而降低運輸成本。其次，在設(shè)置預(yù)制場時也應(yīng)綜合分析以下問題。例如，生產(chǎn)線與橋位之間的距離是否合理，是否會對周圍居民的正常生活產(chǎn)生影響；底座的強度是否符合要求；生產(chǎn)線當(dāng)中的小型龍門吊機是否充足等。在預(yù)制場當(dāng)中需要做好模板預(yù)制、模板清理、內(nèi)模安裝、鋼筋加工、鋼筋處理、混凝土澆筑、齒塊后處理等方面的工作，也需要及時將預(yù)制好的板塊運輸至存梁場當(dāng)中，為后續(xù)的節(jié)段預(yù)制拼裝施工提供便利，從而提高施工質(zhì)量。

圖3 預(yù)制場

3 基于裝配式技術(shù)的節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工的關(guān)鍵問題

3.1 橋梁的受力行為

第一，外預(yù)應(yīng)力體系受力性能。體外預(yù)應(yīng)力筋與梁體混凝土之間具有相對滑動的功能，所以不能僅根據(jù)單個截面的應(yīng)變協(xié)調(diào)明確預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量，也應(yīng)當(dāng)綜合分析整個橋梁結(jié)構(gòu)的總體變形情況。第二，節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的抗彎性能與抗剪性能。節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的抗彎性能與抗剪性能會受到多種因素的影響，例如接縫的位置、接縫的類型、體內(nèi)外預(yù)應(yīng)力的配置比例以及配筋率等，與整體式橋梁之間有較大的差異。

3.2 結(jié)構(gòu)局部受力分析與構(gòu)造

首先，需要綜合分析體外預(yù)應(yīng)力體系轉(zhuǎn)向塊與錨固塊的受力情況與構(gòu)造情況。體外預(yù)應(yīng)力體系的轉(zhuǎn)向塊與錨固塊等區(qū)域的受力情況與構(gòu)造情況較為復(fù)雜，在使用過程中若局部應(yīng)力過大可能會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。拉壓桿模型可以對受力復(fù)雜區(qū)域的情況進(jìn)行綜合分析，主要是在同一方向上承受壓應(yīng)力的混凝土區(qū)域設(shè)置壓桿模擬，在同一方向上承受拉應(yīng)力的區(qū)域設(shè)置拉桿模擬，在拉桿交匯的區(qū)域利用交點模擬，利用這些模型代替原結(jié)構(gòu)的拉壓桿模型，為構(gòu)造與配筋設(shè)計提供便利[6]。其次，需要綜合分析接縫的受力性能。相比于傳統(tǒng)的橋梁，節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁中存在節(jié)段接縫。節(jié)段接縫可以有效傳遞界面上的壓力與剪力，是橋梁受力相對薄弱的位置，因此其抗剪性能直接影響著橋梁的受力性能。

4 基于裝配式技術(shù)的節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工策略

4.1 明確預(yù)應(yīng)力索

預(yù)應(yīng)力索在預(yù)制節(jié)段橋梁當(dāng)中的應(yīng)用較為廣泛。第一，腹板和模板不需要留預(yù)應(yīng)力孔道，可以避免后續(xù)施工出現(xiàn)預(yù)留孔道堵塞的問題。第二，體外索比體內(nèi)索摩阻損耗更少，所以預(yù)應(yīng)力的效率更高一些。第三，體外索在廠房制作中的檢查難度較小，后期維護(hù)難度也比較小。

4.2 優(yōu)化預(yù)制節(jié)段施工

首先，施工人員應(yīng)當(dāng)控制逐段澆筑的節(jié)段幾何尺寸。在進(jìn)行預(yù)制拼裝分段施工時，不需要應(yīng)用臨時支架，有利于降低成本。但是需要合理控制逐段澆筑節(jié)段幾何的尺寸，增強尺寸的精確性。在預(yù)制場當(dāng)中工作人員需控制結(jié)構(gòu)的線型，從而滿足成橋線型的需求。其次，施工人員應(yīng)控制節(jié)段的長度。預(yù)制節(jié)段的長度會受到運輸以及拼裝吊具等因素的影響，例如若預(yù)制場地距離安裝地點較遠(yuǎn)，在運輸時就需要選擇公共運輸系統(tǒng)，避免影響正常交通。若預(yù)制場地就在施工現(xiàn)場，就可以適當(dāng)增加預(yù)制節(jié)段的長度。此外，施工人員應(yīng)控制預(yù)制節(jié)段的接縫。節(jié)段間的接縫分為干接縫與濕接縫，在應(yīng)用了體外索或沒有冰凍穩(wěn)定等情況時便可以采用干接縫，有利于加快施工速度[7]。但是，應(yīng)用干接縫不能使預(yù)制節(jié)段實現(xiàn)完全水密封性，可能會對預(yù)應(yīng)力壓漿質(zhì)量造成影響，影響預(yù)應(yīng)力索的防腐效果。因此，一般在雨水較多的地區(qū)采用濕接縫，可以彌補節(jié)段結(jié)合面的缺陷，也可以增強密封性。

例如，仁化（湘粵界）至博羅公路新豐至博羅段TJ21 標(biāo)跨廣河橋梁施工采用了節(jié)段預(yù)制施工方式。蓋梁施工是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為保證立柱完整性，采用鋼摩擦箍作為蓋梁施工平臺的支撐，摩擦箍為有加勁肋的2 塊半邊圓形鋼板，其直徑和弧度與立柱一致。摩擦箍安裝好后，即在上面安裝貝雷平梁或45#工字鋼和小型槽鋼，鋪設(shè)底模（具體施工流程如圖4 所示）。其次，需要進(jìn)行梁板安裝。在架橋機架設(shè)梁板前，提前通知相關(guān)部門，對所占用的半幅車道進(jìn)行封閉，進(jìn)行梁板架設(shè)作業(yè)。主要利用JSHB170 雙導(dǎo)梁架橋機安裝預(yù)制小箱梁，該架橋機額定起重重量170t，適宜跨度20～40m。由龍門吊移梁到運梁車上，由運梁車運至待安裝處喂梁給架橋機。預(yù)制小箱梁應(yīng)控制在60 天齡期內(nèi)安裝。安裝前，檢測支座墊石頂面標(biāo)高、平整度等項目，放出梁板端線、邊線、支座位置十字線和邊緣點等，各項指標(biāo)合格后，才進(jìn)行梁板架設(shè)。之后安排運梁車經(jīng)規(guī)劃線路送梁至架橋機腹中，橫梁后退，桁車把梁吊起向前運行，在向前運行時，把梁橫移到預(yù)架梁位置。并將梁板放置在指定位置，安裝之后需立即進(jìn)行濕接縫鋼筋焊接，從而固定梁板。

圖4 蓋梁施工流程

4.3 加強安裝定位與撓度控制

一般會將節(jié)段拼裝制作為企口縫，施工人員可以利用腹板企口縫調(diào)整高程，利用頂板金口縫控制節(jié)段的水平位置，從而為拼裝提供便利，并增強結(jié)構(gòu)整體的抗剪能力。若預(yù)制節(jié)段的底板處設(shè)置了預(yù)埋件就需要將其當(dāng)作固定拼裝過程中的臨時筋。若腹板拼裝面設(shè)置的有連續(xù)的凹凸樺，就需要在頂板上預(yù)留兩個水平半圍形的槽口與兩個垂直梯形的槽口，從而為后續(xù)的安裝定位提供便利。在安裝時，施工人員可以在拼裝面上涂抹環(huán)氧樹脂，增強拼裝面的粘度。而撓度控制也至關(guān)重要，若沒有控制好撓度不僅會對線形產(chǎn)生影響，也會加大后續(xù)的合龍難度，因此需要根據(jù)施工情況以及徐變情況計算預(yù)拱度，并根據(jù)實際情況及時調(diào)整預(yù)拱度。施工人員可以利用張拉力筋或張托力筋調(diào)整預(yù)拱度，若調(diào)整難度較大可以利用千斤頂進(jìn)行調(diào)整，確保接觸面的縫隙中可以嵌入比較軟的金屬。

4.4 優(yōu)化合龍段設(shè)計與施工

一般情況下，施工單位都會在懸臂拼裝的節(jié)段橋梁跨中設(shè)置1.5-2.0m 的合龍段，在調(diào)整主梁標(biāo)高之后再將梁連成一個整體。在施工過程中，施工人員可以利用現(xiàn)澆或節(jié)段拼裝合龍這兩種方式，但是現(xiàn)澆的施工工期相對較長，工序也比較復(fù)雜，但是調(diào)整難度較小。節(jié)段拼裝這種方式的施工工期相對較短，但是對拼裝的精度要求比較高。懸臂拼裝的PC 連續(xù)梁無論是在經(jīng)濟(jì)還是技術(shù)上都具有較強的可行性，機械化程度也比較高，可以進(jìn)行工廠化生產(chǎn)。同時，懸臂拼裝的PC 連續(xù)梁可以加大跨度，降低成本，也比較適用于曲線梁。

4.5 優(yōu)化節(jié)點連接技術(shù)

在預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中，連接方式影響著結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。在預(yù)制橋梁當(dāng)中，樁基、墩柱、底系梁、蓋梁、橋面板與預(yù)制梁片之間的連接采用的是濕縫方法施工。當(dāng)前，主要采用干連接與濕連接這兩種方法。其中，干連接指的是干作業(yè)連接方式，在連接時不需要應(yīng)用混凝土，可以直接通過在連接的構(gòu)件當(dāng)中植入鋼板或其他鋼部件并應(yīng)用焊接或螺栓連接的方式連接[8]。而濕連接指的是在連接時利用混凝土澆筑或水泥澆筑的方式進(jìn)行連接。例如，在橋梁上跨沈海高速（平面圖如圖5 所示）施工中，當(dāng)預(yù)制梁架設(shè)完畢之后，需要利用現(xiàn)澆濕接縫與橫隔板將預(yù)制梁連接成一個整體。在施工過程中，施工人員需要優(yōu)化施工工藝流程，即現(xiàn)澆濕接縫、橫隔板施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→鋼筋加工及安裝→模板安裝→混凝土澆筑→拆模養(yǎng)護(hù)。之后，施工人員需要做好施工準(zhǔn)備工作。主要是對預(yù)制梁板橫隔板處以及梁翼板處進(jìn)行鑿毛處理，鑿毛痕跡做到飽和，并用水沖洗干凈。同時，施工人員應(yīng)做好鋼筋加工與安裝工作。在加工鋼筋時，需預(yù)先根據(jù)橫隔板、濕接縫的尺寸的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場配料，完成后一次綁扎成型。制作鋼筋應(yīng)選擇在現(xiàn)場平整的地面上進(jìn)行，以保證鋼筋清潔。鋼筋應(yīng)無灰塵，無銹蝕、松散銹皮、油漆、油脂、油或其它外來物質(zhì)，無有害的缺陷。鋼筋制作及安裝嚴(yán)格按施工圖紙及技術(shù)規(guī)范進(jìn)行，確保焊接質(zhì)量。完成鋼筋安裝后，施工人員應(yīng)做好模板安裝。濕接縫底模模板采用木模板，模板制作時接縫要嚴(yán)密，錯臺符合規(guī)范要求，以利模板整體外觀效果。此外，施工人員需做好混凝土澆筑工作，在濕接縫混凝土澆筑順序應(yīng)從跨中向兩端一次澆筑完成。在濕接縫砼初凝后終凝前用鋼絲刷對其表面刷毛處理，嚴(yán)禁施工人員直接站在砼面上，第一遍縱向刷，第二遍橫向刷。

圖5 橋梁上跨沈海高速平面圖

4.6 優(yōu)化下部結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

為了降低結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工的污染性，減小施工對周圍環(huán)境與大氣的影響，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)工業(yè)化裝配建造并對橋墩進(jìn)行預(yù)制拼裝。一般情況下，可以在山區(qū)高墩以及城市密集區(qū)高架橋梁當(dāng)中應(yīng)用拼裝橋墩。在地震荷載作用下，橋梁下部結(jié)構(gòu)是主要的耗能構(gòu)件，因此需要深入研究如何劃分橋墩預(yù)制節(jié)段、如何進(jìn)行節(jié)段連接等問題。橋梁下部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝的例子相對較少。布朗克斯河高架橋以及美國索米爾河高架橋的橋墩應(yīng)用了節(jié)段預(yù)制拼裝工藝，主要是利用預(yù)應(yīng)力筋連接預(yù)制節(jié)段。在施工過程中，節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的拼裝方向以豎向為主，節(jié)段預(yù)制拼裝的難度相對較大，可能會拖延施工進(jìn)度。且豎向預(yù)應(yīng)力筋穿束難度也比較大，可以嘗試采用高強混凝土連接、波紋管連接以及鋼套筒連接等連接方式，增強節(jié)段連接的牢固性。之后，技術(shù)人員可以測試連接節(jié)點的力學(xué)性能并對不同的連接方式進(jìn)行橋墩擬靜力試驗。最終發(fā)現(xiàn)，利用這些方法進(jìn)行拼裝橋墩的連接可以有效增強橋墩的抗震性能。近年來，節(jié)段預(yù)制拼裝工藝在橋墩中的應(yīng)用范圍越來越廣泛。例如，上海S7 公路新建工程當(dāng)中不僅應(yīng)用了節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩，也應(yīng)用了節(jié)段預(yù)制拼裝蓋梁，且利用牛腿式垂直拼縫連接的方式連接節(jié)段，不僅降低了施工風(fēng)險也減小了施工對環(huán)境的影響。

4.7 優(yōu)化拼裝設(shè)備技術(shù)

當(dāng)前，現(xiàn)有的預(yù)制拼裝式橋梁在梁片吊裝方面有較為完善的設(shè)備和技術(shù)。但是，樁基成孔與吊裝設(shè)備不夠成熟，需要不斷改良。例如旋轉(zhuǎn)樁機、鉆孔樁機等設(shè)備在防踏孔、成孔垂直度以及施工周期等方面無法滿足大樁徑的預(yù)制樁施工需求，需要對設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改良。

4.8 優(yōu)化結(jié)構(gòu)計算分析方法

相比于混凝土現(xiàn)澆節(jié)點，預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的整體性相對較差，且抗震性能也比較差。因此，在進(jìn)行基于裝配式技術(shù)的節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工時不僅需要計算預(yù)制柱使用階段的強度，也需要根據(jù)吊裝與運輸時的受力情況以及混凝土的實際強度計算吊裝與運輸時的強度和裂縫寬度。

5 結(jié)語

在工程橋梁施工過程中應(yīng)用基于裝配式技術(shù)的節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)時應(yīng)優(yōu)化節(jié)點連接技術(shù)、拼裝設(shè)備技術(shù)以及結(jié)構(gòu)分析計算方法，在預(yù)制節(jié)段施工時應(yīng)控制節(jié)段幾何尺寸、節(jié)段長度、預(yù)制節(jié)段接縫，做好安裝定位與撓度控制工作、優(yōu)化合龍段與施工，保障橋梁施工的質(zhì)量。