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
目前，我國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、對交通影響較大、整體耗能高、現(xiàn)場施工人員多、工人勞動強度大。美國早在1970年開始，便啟動了ABC計劃，即橋梁快速施工，工廠化預(yù)制主梁、橋面板及橋臺等，再運到現(xiàn)場橋位進行現(xiàn)場快速拼裝。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)對交通及環(huán)境的不利影響。
相對于傳統(tǒng)建橋方法，裝配式橋梁的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：
（1）施工效率高。模塊化設(shè)計及預(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)場作業(yè)，對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地，避免了現(xiàn)場施工對環(huán)境的污染，同時降低施工噪音，減少現(xiàn)場物料堆放，等。
裝配式橋梁具有傳統(tǒng)橋梁建造方法無法比擬的諸多優(yōu)點，符合我國節(jié)約資源、保護環(huán)境的理念，是我國橋梁建造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的大趨勢。
?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)制后運輸至現(xiàn)場橋位進行組拼，并施加預(yù)應(yīng)力使之成為整體。節(jié)段預(yù)制拼裝法主要有長線法和短線法。
（1）長線法
長線法是按照橋梁底緣曲線制作一個足夠長度的固定臺座，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)，施工相對成熟，但對臺座基礎(chǔ)要求高，當橋梁縱坡變化大時，難以適用。
（2）短線法
預(yù)制臺座的底模為一個節(jié)段的長度，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，靈活機動性大，施工速度快，適于梁段類型變化多的橋型，但對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3512m，蓮前路及聯(lián)絡(luò)線段內(nèi)預(yù)制拼裝總長3330m。施工現(xiàn)場照片如圖 2所示。
圖 2? 廈門BRT高架橋施工現(xiàn)場照片
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，是國際上建設(shè)規(guī)模最大的海上鋼結(jié)構(gòu)長橋。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號橋
.
（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（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，用混凝土或瀝青混凝土灌注填平。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、承臺和基礎(chǔ)4個部分，裝配式橋墩將橋墩分解成若干構(gòu)件，如承臺、柱、蓋梁(墩帽)等，在工廠或現(xiàn)場集中預(yù)制，再運送到現(xiàn)場裝配成橋墩，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，甚至具有更好的動力特性，可在中、高地震區(qū)應(yīng)用；目前對預(yù)制拼裝橋墩的研究和設(shè)計分析較多，而對預(yù)制拼裝橋臺研究相對較少，這方面有待加強。
圖 15? 分節(jié)式墩臺示意圖
2.2.2 裝配式橋臺
橋臺通常包含帽梁、臺身、翼墻和基礎(chǔ)4個部分，構(gòu)件的劃分與連接方式與橋墩類似。由于橋臺相對橋墩數(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（圖16）和H型鋼樁。
圖 16? 承插式預(yù)制拼裝橋臺
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、跨徑很長的橋梁，適合用于地震高烈度地區(qū)、地震重點設(shè)防區(qū)。我國受經(jīng)濟社會發(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)的進步，我國已經(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。當前，鋼鐵產(chǎn)能過剩、鋼材價格下降，是推進鋼結(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，是促進鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要舉措。目前，砂、石等建筑材料供應(yīng)越來越緊張，商品混凝土生產(chǎn)成無米之炊，全國商品混凝土生產(chǎn)產(chǎn)量會逐年下降，鋼結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用將成為大勢所趨（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，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UHPC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，它是以三維模型為載體的數(shù)據(jù)庫，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、采購、施工環(huán)節(jié)，真正實現(xiàn)設(shè)計施工一體化?？墒构ぷ髁鞒碳苫?，提高設(shè)計質(zhì)量，提升施工和運維管理水平。因此，在裝配式橋梁工程中應(yīng)用BIM技術(shù)對整個工程項目的意義重大。在設(shè)計階段，利用Revit等參數(shù)化建模工具建立橋梁三維實體模型，通過碰撞檢測，及時調(diào)整以避免后期設(shè)計變更，提高設(shè)計質(zhì)量；在施工階段，引入BIM技術(shù)4D、5D特性，更好地動態(tài)精細化管控項目進度、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)險和提高建設(shè)管理水平；在運營管理階段，包含設(shè)計、施工階段及項目其它建造信息的BIM模型，可整體傳遞至運管部門，進而可提高運營管理、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)場污染、實現(xiàn)低碳化建設(shè)的有效手段。在國家政策的引導(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，但還遠未完全推廣，發(fā)展的潛力巨大。我國是產(chǎn)鋼大國，但不是鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用強國。在橋梁工程中應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的比例較低，與發(fā)達國家占50-60%的比重相比，還有很大的差距。隨著政府對鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的鼓勵和扶持，特別是我國經(jīng)濟持續(xù)高速增長，規(guī)模大、跨徑長的特大型橋梁等大批建設(shè)項目待建，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BIM技術(shù)推動裝配式橋梁的發(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)對環(huán)境資源的壓力，提高橋梁的現(xiàn)代化建設(shè)管理水平。
