裝配式橋梁技術(shù)應(yīng)用研究

宋勇強(qiáng) 趙小強(qiáng) 熊超

中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司 湖北 武漢 430014

1 引言

橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分和關(guān)鍵控制工程，“十四五”期間乃至2030年仍有巨大的市場(chǎng)需求，當(dāng)前我國(guó)混凝土梁橋施工仍以現(xiàn)澆為主，存在質(zhì)量控制難、環(huán)境影響大、勞動(dòng)力消耗高等不足，不能適應(yīng)新時(shí)代中國(guó)高質(zhì)量發(fā)展需要，我國(guó)公路橋梁裝配化率有待進(jìn)一步提高，隨著高質(zhì)量發(fā)展的需求越來(lái)越迫切，發(fā)展裝配式結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)橋梁成為國(guó)家政策導(dǎo)向[1]，裝配式橋梁將大量的預(yù)制塊由車間生產(chǎn)加工完成，主要包括分塊預(yù)制的主梁、墩柱、蓋梁等，然后通過現(xiàn)場(chǎng)吊裝作業(yè)將預(yù)制構(gòu)件拼接。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)方面，裝配式建造方法施工機(jī)械化程度高，需要的人力資源較少，受氣候影響小。相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆法，作業(yè)量大幅減少，可以大大縮短工期。在環(huán)保方面，裝配式橋梁對(duì)節(jié)能環(huán)保大有益處，可以大量減少建筑垃圾和廢水排放[1]，降低建筑噪音與有害粉塵的排放，更加符合新形勢(shì)政策下的“綠色建筑”要求。中交二航局自2004年在國(guó)內(nèi)首次大規(guī)模引入短線匹配預(yù)制工藝，完成箱梁節(jié)段預(yù)制約3.1萬(wàn)榀，占國(guó)內(nèi)總數(shù)約50%。以蘇通大橋?yàn)槠瘘c(diǎn)，攻克從設(shè)計(jì)到施工、控制、材料、裝備等成套技術(shù)難題，取得豐碩成果。

2 裝配式橋梁工藝及發(fā)展歷程

2.1 裝配式組合梁分類發(fā)展歷程

由于海上建設(shè)條件惡劣，對(duì)預(yù)制墩柱需求高；且具備大重量構(gòu)件運(yùn)輸、起吊作業(yè)條件，預(yù)制墩柱技術(shù)最早應(yīng)用于海上橋梁；且海上橋梁預(yù)制墩柱多采用整體或大節(jié)段。由于運(yùn)輸、吊裝不便，國(guó)外陸上預(yù)制墩身多采用小節(jié)段，美國(guó)預(yù)制墩柱節(jié)段多采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線/粗鋼筋+膠接縫的連接方式，國(guó)內(nèi)預(yù)制墩柱發(fā)展也始于海上橋梁，且多為整節(jié)段預(yù)制；預(yù)制墩柱連接形式從現(xiàn)澆濕接縫，發(fā)展到墩身節(jié)段預(yù)制、膠接縫連接，我國(guó)上海率先開始在市政橋梁、公路橋梁中大規(guī)模應(yīng)用預(yù)制墩柱，目前我國(guó)市政、公路橋梁多采用整節(jié)段預(yù)制墩柱，且連接形式多采用灌漿套筒。由于預(yù)制蓋梁、墩柱技術(shù)相似，預(yù)制蓋梁與預(yù)制墩柱同步發(fā)展，蓋梁由于體量

較大，運(yùn)輸?shù)跹b不便，通常采用分節(jié)段預(yù)制安裝進(jìn)行輕量化，經(jīng)過多年技術(shù)發(fā)展，發(fā)展出了多種預(yù)制墩柱、蓋梁連接構(gòu)造，能滿足不同工程需求。

2.2 裝配式組組合梁分類

根據(jù)主梁形式不同，裝配式組合梁有多種類型：鋼箱組合梁、節(jié)段鋼桁腹板組合梁、節(jié)段鋼波腹板組合梁、鋼板組合梁、鋼桁組合梁[3]。

2.3 裝配式組合梁安裝工藝

裝配式組合梁由預(yù)制混凝土板與鋼主梁在現(xiàn)場(chǎng)或場(chǎng)內(nèi)組合而成。組合梁預(yù)制完成后，可通過整跨吊裝、頂推、架橋機(jī)安裝、吊車散件拼裝等裝配式組合梁安裝工藝進(jìn)行安裝。其中架橋機(jī)安裝法具有施工效率高、占地面積少的優(yōu)點(diǎn)。頂推施工不影響橋下交通，不需要大型起重設(shè)備，也沒有高空作業(yè)，特別適合于城市橋梁、特大跨度橋梁、長(zhǎng)線引橋和立體交叉的施工[4]。汽車吊散件拼裝具有制作簡(jiǎn)單，裝拆方便，受地形限制小的優(yōu)點(diǎn)。整垮吊裝具有施工快速，起重量大的優(yōu)點(diǎn)。

3 裝配式橋梁產(chǎn)品工業(yè)化建造實(shí)踐

3.1 裝配式橋梁介紹

將整跨箱梁設(shè)計(jì)成若干個(gè)節(jié)段，在預(yù)制臺(tái)座上利用專用模板系統(tǒng)逐榀匹配、流水預(yù)制，運(yùn)至橋位，由架橋機(jī)等工具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組拼成橋，混凝土節(jié)段梁是一種典型的預(yù)制構(gòu)件[3]，由整跨箱梁按照一定吊重尺寸沿順橋向劃分而來(lái)。節(jié)段在預(yù)制臺(tái)座上利用專用模板系統(tǒng)逐榀匹配、流水預(yù)制，運(yùn)至橋位，由架橋機(jī)等工具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組拼成橋[2]。目前混凝土節(jié)段梁已廣泛應(yīng)用于我國(guó)跨江跨海大橋、市政高架橋中?；炷凉?jié)段梁預(yù)制包括鋼筋骨架綁扎安裝、模板調(diào)位與合模、匹配澆筑以及轉(zhuǎn)運(yùn)堆存等幾個(gè)環(huán)節(jié)，節(jié)段預(yù)制周期達(dá)到2d/節(jié)，節(jié)段梁存放期滿后可采用模塊車、駁船運(yùn)輸至橋位，由架橋機(jī)、橋面吊機(jī)進(jìn)行安裝，節(jié)段間通常需涂抹結(jié)構(gòu)膠并張拉預(yù)應(yīng)力。

3.2 裝配式節(jié)段梁預(yù)制

混凝土節(jié)段梁是一種典型的預(yù)制構(gòu)件，由整跨箱梁按照一定吊重尺寸沿順橋向劃分而來(lái)。節(jié)段在預(yù)制臺(tái)座上利用專用模板系統(tǒng)逐榀匹配、流水預(yù)制，運(yùn)至橋位，由架橋機(jī)等工具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組拼成橋[2]。目前混凝土節(jié)段梁已廣泛應(yīng)用于我國(guó)跨江跨海大橋、市政高架橋中混凝土節(jié)段梁預(yù)制包括鋼筋骨架綁扎安裝、模板調(diào)位與合模、匹配澆筑以及轉(zhuǎn)運(yùn)堆存等幾個(gè)環(huán)節(jié)，節(jié)段預(yù)制周期達(dá)到2d/節(jié)，節(jié)段梁存放期滿后可采用模塊車、駁船運(yùn)輸至橋位，由架橋機(jī)、橋面吊機(jī)進(jìn)行安裝，節(jié)段間通常需涂抹結(jié)構(gòu)膠并張拉預(yù)應(yīng)力。

3.2.1 大跨墩頂塊預(yù)制

前期研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，港珠澳香港段節(jié)段梁跨徑180米，墩丁塊尺寸為9米長(zhǎng)，10米高，重約幾百噸。采用大型浮吊施工造價(jià)較高，為此研發(fā)了全預(yù)制分段殼體結(jié)構(gòu)，單重小于220t，采用架橋機(jī)來(lái)回踩位的方法安裝。墩丁塊預(yù)制采用A+B+A(A梁預(yù)制（見圖1）+B梁夾心預(yù)制（見圖3）+A梁內(nèi)隔墻澆筑（見圖2）+B梁橫板澆筑（見圖4）)的夾心預(yù)制技術(shù)，隔墻及橫板：可作為二次澆筑模板，內(nèi)壁剪力鍵：無(wú)需預(yù)留連接鋼筋。解決了墩頂塊預(yù)制難題，大幅提高了預(yù)制效率和施工質(zhì)量,大跨墩頂塊預(yù)制全預(yù)制分段殼體結(jié)構(gòu)，減少了后澆量；研發(fā)了夾心預(yù)制技術(shù)，解決了墩頂塊預(yù)制難題，大幅提高了預(yù)制效率和施工質(zhì)量。技術(shù)優(yōu)勢(shì)：減少匹配次數(shù)提高效率,二次澆筑，模板設(shè)計(jì)及拆裝難度小。

圖4 B梁橫板澆筑

3.2.2 大跨徑變截面節(jié)段匹配預(yù)制

針對(duì)大跨徑變截面節(jié)段梁尺寸變化大的特點(diǎn)，從鋼筋綁扎、模板、堆存等方面進(jìn)行了全面創(chuàng)新：

高大腹板鋼筋綁扎：分離式可調(diào)鋼筋綁扎胎架，可實(shí)現(xiàn)腹板鋼筋整體翻轉(zhuǎn)安裝。

自動(dòng)化液壓模板系統(tǒng)：調(diào)節(jié)塊適應(yīng)變截面、大塊鋼模方便拆裝、局部柔性適應(yīng)三維扭曲。

3.3 節(jié)段梁安裝

不斷創(chuàng)新梁段安裝工藝，提升架橋機(jī)安裝的適用性，對(duì)于小曲率半徑節(jié)段梁，架橋機(jī)需適應(yīng)曲率半徑的變化。研發(fā)出一種可彎折架橋機(jī)，通過主梁間的偏轉(zhuǎn)鉸實(shí)現(xiàn)導(dǎo)梁彎折，確保支腿均支立于墩頂塊上。對(duì)于大跨節(jié)段梁，節(jié)段重量及跨度的增長(zhǎng)對(duì)架設(shè)裝備及工藝提出了更高的要求，當(dāng)跨徑大于70米后，架橋機(jī)主梁鋼結(jié)構(gòu)為了承擔(dān)自重和節(jié)段梁荷載需要做得足夠強(qiáng)大，基本上就不經(jīng)濟(jì)了。所以，對(duì)于大跨節(jié)段的吊裝基本采用橋面吊機(jī)。為解決鋼齒坎安裝麻煩、預(yù)留孔洞多的問題，提出一種安拆便利、結(jié)構(gòu)輕巧的剪力錐構(gòu)造，永久預(yù)應(yīng)力張拉之前，要用臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉緊節(jié)段保證節(jié)段間0.3～0.5MPa的壓應(yīng)力，臨時(shí)預(yù)應(yīng)力的鋼赤坎安裝麻煩、而且很笨重，轉(zhuǎn)換時(shí)抬不動(dòng)。同時(shí)預(yù)留孔洞多，后期不好修補(bǔ)也容易滲水。在某段開發(fā)了一種新型的剪力錐構(gòu)造，結(jié)構(gòu)輕巧，安拆方便，孔洞少，修補(bǔ)易，預(yù)埋精度要求低。

節(jié)段梁安裝要精細(xì)化施工控制，研究并提出成套控制方法及配套軟件，達(dá)到毫米級(jí)的精度控制目標(biāo)，將橋梁施工全過程納入施工控制系統(tǒng)，包括模型計(jì)算與預(yù)測(cè)、誤差分析與修正、預(yù)制放樣與拼裝測(cè)量等[3]。另外就是節(jié)段梁的線形控制。我們研發(fā)了成套控制方法及配套軟件，達(dá)到毫米級(jí)的精度控制目標(biāo)。因?yàn)槠ヅ漕A(yù)制，需要在預(yù)制場(chǎng)還原兩兩匹配節(jié)段的相對(duì)關(guān)系，需要對(duì)線形進(jìn)行精確測(cè)控。研發(fā)的線控軟件將橋梁施工全過程納入施工控制系統(tǒng)，包括模型計(jì)算與預(yù)測(cè)、誤差分析與修正、預(yù)制放樣與拼裝測(cè)量等子系統(tǒng)。精度與國(guó)外同類軟件比經(jīng)工程驗(yàn)證滿足要求，同時(shí)徹底將費(fèi)用打下來(lái)。

3.4 組合結(jié)構(gòu)與預(yù)制拼裝技術(shù)

將組合結(jié)構(gòu)與預(yù)制拼裝技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)節(jié)段梁的輕型化。

結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：自重降低25%，跨越能力強(qiáng)、充分發(fā)揮材料性能、解決接縫抗剪問題、造型美觀、裝配化建造。

技術(shù)難點(diǎn)：連接構(gòu)造需適應(yīng)預(yù)制拼裝、接縫對(duì)組合梁受力性能影響鋼混節(jié)段梁施工期受力、波腹板入模及定位、全過程施工控制。

3.5 技術(shù)研究

3.5.1 連接構(gòu)造研究

①在節(jié)段梁的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合波腹板組合梁的特點(diǎn)，比選出便于施工、受力可靠的連接構(gòu)造（見圖5）。首先是比選便于施工、受力可靠的連接構(gòu)造，包括波腹板間接縫和混凝土是同縫還是錯(cuò)縫布置，波腹板之間是栓接還是焊接，又或者栓焊組合（見圖6）。

圖5 接縫方案比選

圖6 連接構(gòu)造

②為便于波腹板定位及鋼筋籠下放，提出一種新型連接件，開展四組對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了其受力性能，特點(diǎn)是：翼緣板兼做底模，便于波腹板定位，無(wú)需貫穿連接鋼筋鋼，便于筋籠整體下放。連接構(gòu)造的主要問題就是解決頂?shù)装邃摻罨\整體預(yù)制與波腹板的連接。常規(guī)剪力鍵都需要后穿鋼筋（見圖7），無(wú)法保證頂?shù)装邃摻罨\的整體安裝，影響施工效率。提出一種新型連接件，翼緣板兼做底模，便于波腹板定位，無(wú)需貫穿連接鋼筋鋼，便于筋籠整體下放。開展了四組對(duì)比力學(xué)試驗(yàn)，驗(yàn)證了其受力性能滿足要求。

圖7 剪力鍵布置

3.5.2 整體受力性能研究

開展了波形鋼腹板節(jié)段梁縮尺模型試驗(yàn)，研究了接縫、連接、預(yù)應(yīng)力對(duì)整體受力性能的影響規(guī)律，接縫帶來(lái)的抗彎折減系數(shù)為0.80~0.9之間；偏載下位移、剪應(yīng)力分別放大15%/25%左右。這些都為波腹板節(jié)段梁的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。足尺模型試驗(yàn)，掌握了新型節(jié)段箱梁抗扭、橫向彎曲受力性能及其計(jì)算方法。

3.6 工程應(yīng)用

3.6.1 節(jié)段預(yù)制--鋼筋骨架入模及波腹板定位

鋼筋骨架采用分部入模工藝，通過三向調(diào)位裝置實(shí)現(xiàn)波腹板精確定位,其中采用分部還是整體入模工藝也是我們工藝試驗(yàn)的一個(gè)重點(diǎn)。所謂分部、整體，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)整體入模，波腹板在模板中需要二次定位，反倒更花時(shí)間，最后決定采用分別綁扎好頂?shù)装邃摻罨\，和波腹板在模板系統(tǒng)里分部安裝的工藝。

3.6.2 節(jié)段預(yù)制--梁段吊裝及存放

開展梁段吊裝及存放計(jì)算分析，確定吊點(diǎn)以及支點(diǎn)布置，并提出交叉型鋼截面變形控制措施。從足尺模型試驗(yàn)也可看出，因剛度低，橫向變形較常規(guī)節(jié)段梁大4~5倍，研發(fā)了x形交叉型斜撐控制橫向變形能減少至0.8mm，抗扭性能得到明顯加強(qiáng)。另外，從8吊點(diǎn)優(yōu)化至12吊點(diǎn)，頂?shù)装鍩o(wú)開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.6.3 節(jié)段預(yù)制--節(jié)段安裝

0號(hào)塊現(xiàn)澆、1~2號(hào)塊支架拼裝，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段采用架橋機(jī)進(jìn)行懸拼安裝。

3.6.4 節(jié)段預(yù)制--匹配預(yù)制施工控制

為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制，將施工控制延伸至準(zhǔn)備階段和波形鋼腹板制造階段，并提出波腹板定位標(biāo)準(zhǔn)見下表1。

表1 波腹板定位標(biāo)準(zhǔn)

3.6.5 節(jié)段預(yù)制-推廣

作為國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際首創(chuàng)，成套技術(shù)豐富了裝配式橋梁類型，可改善常規(guī)節(jié)段梁橋接縫性能，顯著降低結(jié)構(gòu)自重，增強(qiáng)觀賞性，具有良好的應(yīng)用前景。

4 預(yù)制橋面板

4.1 預(yù)制橋面板施工工藝

4.2 新型橋面板結(jié)構(gòu)

通過高性能材料（UHPC）的應(yīng)用，增強(qiáng)預(yù)制橋面板力學(xué)性能、耐久性、耐磨性，提升產(chǎn)品質(zhì)量。優(yōu)化預(yù)制橋面板連接構(gòu)造，提升接縫力學(xué)性能及現(xiàn)場(chǎng)安裝工效。在常規(guī)UHPC組分中，加入粒徑不大于8mm的粗骨料和細(xì)度模數(shù)為2.6~3.0的細(xì)骨料，在保證結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度、耐久及耐磨的基礎(chǔ)上，節(jié)約原材料成本。通過智能化生產(chǎn)線降低生產(chǎn)中的人為因素干擾，提升橋面板預(yù)制質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

裝配式橋梁將大量的預(yù)制塊由車間生產(chǎn)加工完成，主要包括分塊預(yù)制的主梁、墩柱、蓋梁等，然后通過現(xiàn)場(chǎng)吊裝作業(yè)將預(yù)制構(gòu)件拼接。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)方面，裝配式建造方法施工機(jī)械化程度高，需要的人力資源較少，受氣候影響小。相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆法，作業(yè)量大幅減少，可以大大縮短工期。在環(huán)保方面，裝配式橋梁對(duì)節(jié)能環(huán)保大有益處，可以大量減少建筑垃圾和廢水排放，降低建筑噪音與有害粉塵的排放，更加符合新形勢(shì)政策下的“綠色建筑”要求。

在質(zhì)量提升方面，降低制造過程人為因素干擾，大幅提升質(zhì)量與效率。