五隆興科技發(fā)展有限公司裝配式橋梁的應(yīng)用前景分析
裝配式橋梁的優(yōu)勢(shì)
目前，我國(guó)的公路和城市橋梁多數(shù)采用現(xiàn)澆混凝土這種傳統(tǒng)橋梁的建造模式，施工周期長(zhǎng)、對(duì)交通影響較大、整體耗能高、現(xiàn)場(chǎng)施工人員多、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。美國(guó)早在1970年開始，便啟動(dòng)了ABC計(jì)劃，即橋梁快速施工，工廠化預(yù)制主梁、橋面板及橋臺(tái)等，再運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)橋位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速拼裝。這一施工方法大大加快了橋梁的建造速度，減小了橋梁建設(shè)對(duì)交通及環(huán)境的不利影響。
相對(duì)于傳統(tǒng)建橋方法，裝配式橋梁的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：
（1）施工效率高。模塊化設(shè)計(jì)及預(yù)制裝配，流水化作業(yè)程度高，可縮短工期、提升質(zhì)量、大大減少橋梁施工的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，對(duì)城市交通流的影響也可降到最低。
（2）節(jié)能環(huán)保。預(yù)制構(gòu)件均已在工廠內(nèi)制作完成，節(jié)約模板用材及施工場(chǎng)地，避免了現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)降低施工噪音，減少現(xiàn)場(chǎng)物料堆放，等。
裝配式橋梁具有傳統(tǒng)橋梁建造方法無(wú)法比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的理念，是我國(guó)橋梁建造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的大趨勢(shì)。
?裝配式橋梁的發(fā)展現(xiàn)狀
2.1上部結(jié)構(gòu)拼裝
2.1.1 裝配式鋼筋混凝土箱梁
裝配式鋼筋混凝土箱梁。沿縱向把橋梁的梁體劃分為節(jié)段，在工廠預(yù)制后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)橋位進(jìn)行組拼，并施加預(yù)應(yīng)力使之成為整體。節(jié)段預(yù)制拼裝法主要有長(zhǎng)線法和短線法。
（1）長(zhǎng)線法
長(zhǎng)線法是按照橋梁底緣曲線制作一個(gè)足夠長(zhǎng)度的固定臺(tái)座，依次序逐塊預(yù)制，完成半跨至整跨主梁，再脫離節(jié)段。該方法為傳統(tǒng)技術(shù)，施工相對(duì)成熟，但對(duì)臺(tái)座基礎(chǔ)要求高，當(dāng)橋梁縱坡變化大時(shí)，難以適用。
（2）短線法
預(yù)制臺(tái)座的底模為一個(gè)節(jié)段的長(zhǎng)度，一側(cè)采用端模，另一側(cè)利用預(yù)制完成的相鄰節(jié)段作為端模，逐段預(yù)制。短線匹配法節(jié)段預(yù)制拼裝，靈活機(jī)動(dòng)性大，施工速度快，適于梁段類型變化多的橋型，但對(duì)模板的靈活性和剛度要求較高，施工精度要求高。
按照預(yù)制節(jié)段之間不同的連接形式，可劃分為濕接縫、膠結(jié)縫和干接縫等。三者區(qū)別在于相鄰預(yù)制梁段間填充物不同，填充材料包括混凝土或干硬性水泥砂漿、環(huán)氧樹脂等，干接縫通過(guò)榫頭和預(yù)應(yīng)力完成連接。隨著起重設(shè)備能力提升，大節(jié)段整體吊裝方法越來(lái)越多的用于橋梁建設(shè)；減少了拼接縫的數(shù)量，將制造及主要的控制工作轉(zhuǎn)移到制作工廠內(nèi)；減小了現(xiàn)場(chǎng)控制的難度，易于保證施工質(zhì)量，建造速度更快。
廈門集美大橋總長(zhǎng)3470m，分為道路橋和BRT橋兩大部分，跨徑布置均為55m+2×100m+55m，兩座橋共長(zhǎng)620m，根部梁高5.6m，跨中梁高3m；采用短線法預(yù)制拼裝。集美大橋節(jié)段拼裝如圖 1所示。
圖 1? 集美大橋節(jié)段拼裝
廈門BRT高架橋坐落在交通極度繁忙的廈禾路和蓮前路上，需縮短施工工期，減少對(duì)現(xiàn)有交通的影響。采用預(yù)制節(jié)段拼裝連續(xù)箱梁，其中廈禾路段內(nèi)預(yù)制拼裝總長(zhǎng)3512m，蓮前路及聯(lián)絡(luò)線段內(nèi)預(yù)制拼裝總長(zhǎng)3330m。施工現(xiàn)場(chǎng)照片如圖 2所示。
圖 2? 廈門BRT高架橋施工現(xiàn)場(chǎng)照片
2.1.2 裝配式鋼箱梁
港珠澳大橋采用約16km的鋼箱梁和6km的組合梁，是國(guó)際上建設(shè)規(guī)模最大的海上鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)橋。鋼箱梁自重較輕，在橫風(fēng)作用下穩(wěn)定性好，抗震性能好。港珠澳大橋如圖3所示。
圖 3? 港珠澳大橋
2.1.3 裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)
（1）鋼桁腹組合梁
鋼桁腹預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋采用鋼桁式腹桿代替混凝土腹板，是一種新型組合結(jié)構(gòu)橋梁，適用于中等或大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)。如南京繞城高速江山車行天橋（見圖 4）和深圳大學(xué)1號(hào)橋（見圖 5）。
圖 4? 南京繞城高速–江山車行天橋
圖 5? 深圳大學(xué)1號(hào)橋
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（2）裝配式組合鋼箱梁
裝配式組合鋼箱梁采用耐候鋼、波形鋼腹板等新材料，結(jié)合雙鋼箱閉合截面新工藝，提高了承載能力，使得橋梁結(jié)構(gòu)更輕盈，如京港澳高速保定互通小半徑曲線橋，其橋墩、蓋梁、主梁均實(shí)現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)和裝配化施工，見圖 6所示。
圖 6? 裝配式組合鋼箱梁在曲線橋中的應(yīng)用
（3）波形鋼腹板組合梁
波形鋼腹板組合梁，把預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁中的混凝土腹板采用波形鋼板替代。工廠預(yù)制波形鋼腹板工字組合梁如圖7所示。
圖 7? 波形鋼腹板工字組合梁
常莊水庫(kù)橋也采用波形鋼腹板PC組合箱梁，如圖8所示。
圖 8? 常莊水庫(kù)大橋
（4）波形鋼腹板-鋼管混凝土組合梁
波形鋼腹板-鋼管混凝土組合梁橋，該橋型結(jié)構(gòu)新穎，由混凝土頂板、鋼管混凝土下弦桿、波形鋼腹板組合而成，其中波形鋼腹板-鋼管混凝土制造中的空間曲面焊接問題是結(jié)構(gòu)難點(diǎn)（見圖9）。
圖 9? 組合梁制造
（5）H型波形鋼梁-GFRP橋面板組合梁
H型波形鋼梁-GFRP組合橋面板組合梁，主梁采用H型波形鋼梁，橋面板采用GFRP橋面板。工程實(shí)例：京港澳高速柏鄉(xiāng)服務(wù)區(qū)人行橋（如圖10所示）。
圖 10? 京港澳高速柏鄉(xiāng)服務(wù)區(qū)人行橋
（6）鋼箱組合梁
將混凝土橋面板與半閉合鋼板箱梁連接成整體，形成鋼箱組合梁。這種組合梁能夠充分發(fā)揮鋼材所具有的抗拉性能和混凝土所具有的抗壓性能。采用該結(jié)構(gòu)形式的邢衡高速沙窩溝北支大橋如圖11所示。
圖 11? 沙窩溝北支大橋
（7）鋼板組合梁
鋼板組合梁由外露的工字型鋼與鋼筋混凝土頂板通過(guò)剪力鍵鏈接形成的一種組合結(jié)構(gòu)。該橋型充分發(fā)揮了鋼材和混凝土各自的材料性能，承載力高、抗震性能和動(dòng)力性能好、施工快捷。采用該結(jié)構(gòu)形式的曲港高速主線橋如圖12所示。
圖 12? 曲港高速公路主線橋
（8）鋼桁組合梁
鋼桁組合梁以鋼管或型鋼作為主要受力構(gòu)件，主梁由上、下弦桿、腹桿和混凝土橋面板組成，是一種具有高強(qiáng)度、高剛度、高穩(wěn)定性的鋼桁組合梁。采用該結(jié)構(gòu)的雅西高速干海子大橋如圖13所示。
圖 13? 雅西高速–干海子大橋
2.1.4 預(yù)制橋面板
預(yù)制橋面板主要為全厚度混凝土橋面板，采用剪力鍵與主梁進(jìn)行連接。一般有鋼格構(gòu)橋面系、波紋鋼橋面系和華夫板橋面系。其中波紋鋼橋面系是利用螺栓將波紋鋼板固定在主梁上，用混凝土或?yàn)r青混凝土灌注填平。湖州五一大橋人行橋預(yù)制橋面板（如圖14所示）。
圖 14? 湖州五一大橋預(yù)制橋面板
2.2下部結(jié)構(gòu)拼裝
2.2.1 裝配式橋梁墩柱
橋墩通常包含帽梁、墩柱、承臺(tái)和基礎(chǔ)4個(gè)部分，裝配式橋墩將橋墩分解成若干構(gòu)件，如承臺(tái)、柱、蓋梁(墩帽)等，在工廠或現(xiàn)場(chǎng)集中預(yù)制，再運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)裝配成橋墩，如圖15所示。相關(guān)研究表明，采用合理連接型式與構(gòu)造措施是實(shí)現(xiàn)快速橋墩拼裝的關(guān)鍵，拼裝墩柱的性能與現(xiàn)澆混凝土墩柱等同，甚至具有更好的動(dòng)力特性，可在中、高地震區(qū)應(yīng)用；目前對(duì)預(yù)制拼裝橋墩的研究和設(shè)計(jì)分析較多，而對(duì)預(yù)制拼裝橋臺(tái)研究相對(duì)較少，這方面有待加強(qiáng)。
圖 15? 分節(jié)式墩臺(tái)示意圖
2.2.2 裝配式橋臺(tái)
橋臺(tái)通常包含帽梁、臺(tái)身、翼墻和基礎(chǔ)4個(gè)部分，構(gòu)件的劃分與連接方式與橋墩類似。由于橋臺(tái)相對(duì)橋墩數(shù)量少，故相關(guān)的研究和應(yīng)用更少一些。典型形式有承插式預(yù)制拼裝橋臺(tái)（圖16）和H型鋼樁。
圖 16? 承插式預(yù)制拼裝橋臺(tái)
3.1 鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
鋼結(jié)構(gòu)橋梁適用于建造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、荷載很大、跨徑很長(zhǎng)的橋梁，適合用于地震高烈度地區(qū)、地震重點(diǎn)設(shè)防區(qū)。我國(guó)受經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平和鋼材產(chǎn)能制約，鋼結(jié)構(gòu)橋梁主要僅用于特大跨徑橋梁。隨著鋼鐵產(chǎn)能的提高和鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)已經(jīng)具備推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件。當(dāng)前，鋼鐵產(chǎn)能過(guò)剩、鋼材價(jià)格下降，是推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)、提升公路橋梁建設(shè)品質(zhì)的良好契機(jī)，是促進(jìn)鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要舉措。目前，砂、石等建筑材料供應(yīng)越來(lái)越緊張，商品混凝土生產(chǎn)成無(wú)米之炊，全國(guó)商品混凝土生產(chǎn)產(chǎn)量會(huì)逐年下降，鋼結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用將成為大勢(shì)所趨（圖17-圖20）。
圖 17? 梁與拱組合鋼橋
圖 18? 梁與懸吊系統(tǒng)組合鋼橋
圖 19? 梁與懸索+斜拉索組合鋼橋
圖 20? 梁與斜拉索組合鋼橋
值得一提的是，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁，通過(guò)兩種材料的結(jié)合，可充分發(fā)揮混凝土抗壓和鋼材抗拉性能上的優(yōu)勢(shì)，避免混凝土受拉開裂和鋼材受壓失穩(wěn)。城市橋梁以中小跨徑橋梁居多，大跨度和特大跨度橋梁較少，鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁便有了廣闊的應(yīng)用空間，可以發(fā)展成為我國(guó)城市中小跨徑橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式。
3.2 新型材料的研發(fā)及應(yīng)用
超高性能混凝土（UHPC）和纖維增強(qiáng)聚合物材料（FRP）等新材料，可以大幅提高抗拉能力，橋面板引入U(xiǎn)HPC和FRP等新型材料，能夠改善橋面板力學(xué)性能并提高耐久性。應(yīng)加快UHPC和FRP等新材料在快速橋梁施工中的應(yīng)用，提升橋面板性能、施工工藝和質(zhì)量控制水平。重點(diǎn)研究高性能混凝土材料的拌制及質(zhì)量控制、混凝土橋面板架設(shè)的施工控制、現(xiàn)場(chǎng)橋面板間連接構(gòu)造、鋼-混凝土剪力群釘連接的質(zhì)量控制等。
3.3 BIM技術(shù)在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用
BIM技術(shù)作為一種高端的信息集成技術(shù)，在工程建設(shè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的推廣應(yīng)用。BIM技術(shù)具有可視化，協(xié)調(diào)性，模擬性，優(yōu)化性和可出圖性等五大特點(diǎn)，它是以三維模型為載體的數(shù)據(jù)庫(kù)，是模型和信息的共同體。
BIM技術(shù)與裝配式橋梁在多方面存在一致性，主要體現(xiàn)在裝配式橋梁的核心是“集成”，而BIM突出信息集成，契合裝配式體系發(fā)展需求，BIM技術(shù)可打通設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工環(huán)節(jié)，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)施工一體化。可使工作流程集成化，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，提升施工和運(yùn)維管理水平。因此，在裝配式橋梁工程中應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目的意義重大。在設(shè)計(jì)階段，利用Revit等參數(shù)化建模工具建立橋梁三維實(shí)體模型，通過(guò)碰撞檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整以避免后期設(shè)計(jì)變更，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量；在施工階段，引入BIM技術(shù)4D、5D特性，更好地動(dòng)態(tài)精細(xì)化管控項(xiàng)目進(jìn)度、成本等，優(yōu)化施工方案，確保橋梁工程的施工質(zhì)量，減少風(fēng)險(xiǎn)和提高建設(shè)管理水平；在運(yùn)營(yíng)管理階段，包含設(shè)計(jì)、施工階段及項(xiàng)目其它建造信息的BIM模型，可整體傳遞至運(yùn)管部門，進(jìn)而可提高運(yùn)營(yíng)管理、檔案管理水平。
橋梁的裝配式建造是加快施工速度、減少現(xiàn)場(chǎng)污染、實(shí)現(xiàn)低碳化建設(shè)的有效手段。在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，裝配式橋梁結(jié)構(gòu)在各類工程中雖已得到了部分應(yīng)用，但還遠(yuǎn)未完全推廣，發(fā)展的潛力巨大。我國(guó)是產(chǎn)鋼大國(guó)，但不是鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用強(qiáng)國(guó)。在橋梁工程中應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的比例較低，與發(fā)達(dá)國(guó)家占50-60%的比重相比，還有很大的差距。隨著政府對(duì)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的鼓勵(lì)和扶持，特別是我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)，規(guī)模大、跨徑長(zhǎng)的特大型橋梁等大批建設(shè)項(xiàng)目待建，為鋼結(jié)構(gòu)橋梁提供了廣闊的應(yīng)用前景。
裝配式橋梁在后續(xù)的發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)重視鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。加快UHPC和FRP等新材料的推廣應(yīng)用，改善橋梁的力學(xué)性能，提高橋梁的耐久性。通過(guò)BIM技術(shù)推動(dòng)裝配式橋梁的發(fā)展，將橋梁建造從傳統(tǒng)的作業(yè)方式向現(xiàn)代化施工模式提升，減輕橋梁在建造、使用、拆除的全生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境資源的壓力，提高橋梁的現(xiàn)代化建設(shè)管理水平。
