節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工技術(shù)應(yīng)用研究綜述

喬德華 常亮亮 閆 嵩 何 偉?

(1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.許昌市建設(shè)投資有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000；3.中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 朝陽 100018)

傳統(tǒng)的橋梁施工方式，已無法滿足綠色發(fā)展、新型工業(yè)化進(jìn)程的需求[1]。橋梁節(jié)段預(yù)制拼裝施工方法是按照設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況把橋梁分成眾多節(jié)段，節(jié)段梁在預(yù)制場(chǎng)預(yù)制完成，現(xiàn)場(chǎng)只需要將預(yù)制好的構(gòu)件進(jìn)行定位、安裝即可[2]。與傳統(tǒng)施工方法相比，橋梁節(jié)段預(yù)制拼裝能夠大幅提升橋梁的建造質(zhì)量和施工效率，現(xiàn)場(chǎng)施工更加規(guī)范化[3]，環(huán)境污染和噪聲問題明顯減少，現(xiàn)場(chǎng)施工工程量和人力都相對(duì)減少，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間縮短，工期易控制且環(huán)保，越來越多地被應(yīng)用在跨海大橋、城市橋、公路橋、鐵路橋等領(lǐng)域，并取得了顯著的社會(huì)效益[4-5]。節(jié)段預(yù)制橋梁的規(guī)范化，符合建設(shè)新型工業(yè)化城市的發(fā)展要求，建設(shè)效率高。

當(dāng)前，節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)逐步完善和成熟，在國(guó)內(nèi)外眾多建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用也更加廣泛，極大地推動(dòng)了國(guó)家工業(yè)化建設(shè)[6-7]。本文綜述了節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁在國(guó)外及我國(guó)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，梳理了節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)節(jié)段預(yù)制拼裝施工技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁在國(guó)外的應(yīng)用

節(jié)段預(yù)制施工橋梁最早起源于20世紀(jì)中期，法國(guó)設(shè)計(jì)師弗萊西奈在馬恩河上采用節(jié)段預(yù)制施工技術(shù)建造了Luzancy橋[8]。1962年在法國(guó)建造的Chois-Le-Roi橋，不僅是首次采用懸臂拼裝方法施工建造的預(yù)制橋梁，還首次使用了長(zhǎng)線法施工，橋的節(jié)段梁接縫處采用膠接縫進(jìn)行膠結(jié)，此后節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)開始在世界各地推廣開來[9]。1980年建成的美國(guó)Long Key橋，首次提出體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行預(yù)制，橋梁的基礎(chǔ)、橋墩和節(jié)段梁均采用預(yù)制拼裝而成，對(duì)環(huán)境影響大幅減小，是新一代的體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的典范[10]。2000年建造的泰國(guó)曼谷曼納高速公路橋，全長(zhǎng)55km，由于采用了短線匹配預(yù)制、節(jié)段拼裝、干接縫和體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，僅用時(shí)26個(gè)月就建造完成[11]。最早在鐵路建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)的是1976年法國(guó)建成的Marne La Vallee高架橋，該橋采用短線法預(yù)制、環(huán)氧樹脂膠黏結(jié)，通過上行式支架懸臂拼裝。到20世紀(jì)90年代，隨著體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)和鋼筋防腐技術(shù)的發(fā)展，搭配先進(jìn)的節(jié)段拼裝架橋機(jī)設(shè)備，節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工速度快、環(huán)境污染小等優(yōu)勢(shì)在城市輕軌和高速鐵路橋梁領(lǐng)域逐漸顯現(xiàn)。1991年建成的墨西哥新萊昂州蒙特雷市輕軌線高架橋，采用短線法施工結(jié)合體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，節(jié)段接縫處使用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行膠結(jié)，采用逐跨拼裝方法進(jìn)行拼裝施工[12]。1997年，法國(guó)首次嘗試在高速鐵路橋梁上采用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)、體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度混凝土建造了跨度超過100m的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁——阿維尼翁特大橋[13]。隨著體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展和完善，節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)在各國(guó)工程建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛。雖然節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣，但標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)在公路橋、城市高架橋、城市軌道高架橋梁以及高速鐵路橋等方面均有較好的應(yīng)用。

2 節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

我國(guó)最早應(yīng)用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)的是1965年河南省建成的五陵衛(wèi)河橋，這是我國(guó)首次在公路上采用節(jié)段預(yù)制、懸臂拼裝技術(shù)建造的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁[14]。隨著體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋防腐技術(shù)的出現(xiàn)，結(jié)合先進(jìn)架橋設(shè)備的節(jié)段預(yù)制施工技術(shù)在我國(guó)開始投入使用。2001年在上海建造的高速公路橋新瀏河大橋采用長(zhǎng)線法進(jìn)行節(jié)段預(yù)制，并首次從國(guó)外引進(jìn)專用架橋機(jī)逐跨拼裝建造。2008年蘇通大橋采用短線法施工，現(xiàn)場(chǎng)使用懸臂拼裝法進(jìn)行拼裝。2018年建成的舉世矚目的港珠澳大橋中部分連續(xù)梁的建設(shè)也是使用節(jié)段預(yù)制拼裝法施工[15]。相較于節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)在公路和市政工程方面的應(yīng)用，我國(guó)在鐵路建設(shè)方面對(duì)節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)的使用還較少。但隨著高性能混凝土構(gòu)件預(yù)制、測(cè)量控制和新型膠結(jié)材料等技術(shù)的發(fā)展，節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)在鐵路橋梁建設(shè)領(lǐng)域得到進(jìn)一步推廣和發(fā)展。1999年建成的石長(zhǎng)鐵路湘江特大橋是國(guó)內(nèi)首次在公鐵兩用橋梁上采用節(jié)段預(yù)制架橋機(jī)懸臂拼裝的大跨度橋梁[16]。2003年建成的撫河特大橋是采用節(jié)段預(yù)制和移動(dòng)模架拼裝的雙線箱梁[17]。2013年建造的黃韓候鐵路芝水溝特大橋同樣采用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)[18]。眾多鐵路項(xiàng)目相繼對(duì)節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)進(jìn)行了試點(diǎn)并逐步推廣使用。

3 節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁其結(jié)構(gòu)構(gòu)件均在預(yù)制場(chǎng)按照嚴(yán)格的流水線流程進(jìn)行預(yù)制，構(gòu)件預(yù)制質(zhì)量可以得到保證，現(xiàn)場(chǎng)僅需要進(jìn)行安裝和連接，因此提高了施工效率，對(duì)環(huán)境和交通的影響也較小。節(jié)段預(yù)制技術(shù)體現(xiàn)了現(xiàn)代化、規(guī)范化施工的管理理念，響應(yīng)了國(guó)家綠色施工發(fā)展戰(zhàn)略。節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）建設(shè)周期短，經(jīng)濟(jì)效益好。節(jié)段的預(yù)制和養(yǎng)護(hù)過程均在預(yù)制梁場(chǎng)完成，現(xiàn)場(chǎng)只需進(jìn)行安裝連接即可，可大幅減少現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間。在節(jié)段預(yù)制時(shí)可以將橋梁根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行劃分，采用平行施工方法生產(chǎn)，其預(yù)制和拼裝速度相比其他施工方法有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此采用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)可以縮短現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，提高施工效率。

（2）質(zhì)量更可控，應(yīng)用更廣泛。橋梁的構(gòu)件在預(yù)制梁場(chǎng)集中預(yù)制和養(yǎng)護(hù)，可以有效減少混凝土收縮徐變對(duì)橋梁的影響，能夠較好地控制橋梁線形和節(jié)段梁的施工質(zhì)量。節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)適用于各種跨度的橋型，不僅適用于簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁，同樣可以應(yīng)用于大跨度斜拉橋，在公路、鐵路、市政橋梁中都可以適用。

（3）環(huán)境影響小，施工更方便。節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)施工時(shí)將大多施工工序放到預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行，節(jié)省了大量的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)只需采用架橋機(jī)將預(yù)制節(jié)段進(jìn)行安裝即可。相比傳統(tǒng)的施工方法，現(xiàn)場(chǎng)需要的施工人員少，占地面積小，施工對(duì)交通和周邊環(huán)境的影響小，適用于復(fù)雜交通環(huán)境下的施工，符合國(guó)家可持續(xù)化建造理念。

4 節(jié)段預(yù)制拼裝施工技術(shù)發(fā)展展望

節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁在設(shè)計(jì)和施工過程中雖然已經(jīng)有部分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化施工控制，但多數(shù)只是停留在操作層面上，且存在諸多問題。

4.1 智能化控制技術(shù)研究

在節(jié)段橋梁設(shè)計(jì)和施工過程中，雖然已經(jīng)有部分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化施工控制，但多數(shù)只是停留在操作層面上，大多數(shù)施工過程仍需要人工控制，因此存在調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)、匹配效率低、操作復(fù)雜等問題。現(xiàn)如今科技發(fā)展越來越快，現(xiàn)代化、智能化技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到眾多領(lǐng)域，如BIM技術(shù)在許多工程施工中已有應(yīng)用，但在高速鐵路領(lǐng)域應(yīng)用較少，在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中可以將傳統(tǒng)方法和BIM技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)和施工；也可以采用BIM技術(shù)建立橋梁模型，以用于橋梁的設(shè)計(jì)及橋梁線形調(diào)整。通過BIM技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配筋生成鋼筋參數(shù)，或進(jìn)行橋梁的預(yù)拼裝，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。在模板安裝和拆除方面，雖然現(xiàn)在已有全液壓整體鋼模板，但是在模板安裝和調(diào)整方面還是以人工為主，因此可以將智能控制技術(shù)同模板調(diào)整算法相結(jié)合，使模板拼裝裝備更加智能化，模板安裝調(diào)整更具效率和精度。

4.2 精確測(cè)量控制系統(tǒng)研究

對(duì)于節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁來說，最重要的就是線形控制技術(shù)，由于在施工過程中受多種不確定性因素的影響，節(jié)段預(yù)制和安裝難免會(huì)出現(xiàn)誤差。如若不及時(shí)處理使得誤差累積，就會(huì)影響橋梁的整體線形，因此需要提高測(cè)量設(shè)備的智能化和現(xiàn)代化水平，努力實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程的自動(dòng)化，以實(shí)現(xiàn)精確化測(cè)量和管控。目前，國(guó)內(nèi)外在節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁三維線形控制方面有不同的控制軟件，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，國(guó)外的控制軟件雖然精度相對(duì)較高，但同時(shí)存在成本高、適用性不強(qiáng)的問題，無法同國(guó)內(nèi)復(fù)雜的施工環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)體系相匹配，不適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)的控制軟件也存在適用性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，難以完全滿足復(fù)雜的橋梁建造環(huán)境和橋梁線形要求，不能保證線形控制的質(zhì)量。因此，在未來應(yīng)加強(qiáng)節(jié)段預(yù)制拼裝三維線形控制智能化技術(shù)研究，加強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用，提高線形控制的精度，實(shí)現(xiàn)橋梁節(jié)段的高精度預(yù)制拼裝施工控制，促進(jìn)節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域更加廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)語

節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了橋梁構(gòu)件的工廠化集中預(yù)制和現(xiàn)代化設(shè)備拼裝，不僅質(zhì)量更加可靠，其建設(shè)效率也大幅提高，而且對(duì)環(huán)境的影響也較小，展現(xiàn)了現(xiàn)代化建設(shè)管理理念，響應(yīng)了國(guó)家綠色建設(shè)的發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)于建造資源節(jié)約和環(huán)境友好社會(huì)起著重要的推動(dòng)作用，因此采用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)進(jìn)行橋梁建設(shè)是未來發(fā)展的趨勢(shì)。本文綜述了節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用，說明了節(jié)段預(yù)制 拼裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)節(jié)段預(yù)制拼裝施工技術(shù)未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。主要結(jié)論如下：

（1）隨著預(yù)應(yīng)力、高性能混凝土構(gòu)件預(yù)制、測(cè)量控制和新型膠結(jié)材料等技術(shù)的發(fā)展，橋梁節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)在各國(guó)工程建設(shè)中得到推廣，標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)段預(yù)制拼裝施工技術(shù)在公路、鐵路等橋梁建設(shè)中均有較好的應(yīng)用。

（2）節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)具有建設(shè)周期短、經(jīng)濟(jì)效益好、質(zhì)量可控、應(yīng)用廣泛、環(huán)境影響小、施工方便等優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了現(xiàn)代化、規(guī)范化施工的管理理念，響應(yīng)了國(guó)家綠色施工發(fā)展戰(zhàn)略，是未來工程建設(shè)領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展方向。

（3）節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)未來將會(huì)加強(qiáng)智能化控制技術(shù)、精確測(cè)量控制系統(tǒng)等研究。智能化和現(xiàn)代化技術(shù)將是節(jié)段預(yù)制拼裝施工重要研究方向，可不斷助力提升橋梁建設(shè)的工廠化和智能化水平，推動(dòng)工程建設(shè)領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展。