一次產業(yè)轉型的契機——工業(yè)化裝配式橋梁技術的探索與實踐

工業(yè)化裝配式橋梁技術，是將橋梁的主要構件先在工廠中預制、后運至現場拼裝完成橋梁建設的一種創(chuàng)新技術，是加快施工速度、減少現場污染、實現低碳化建設的有效手段。目前橋梁上部結構的預制拼裝，經過若干年的實踐與探索已較成熟，而對于橋梁下部結構的裝配式技術，雖然起步較晚，但通過近些年的探索也積累了一定的經驗。近年來，隨著交通運輸壓力增大，降低市政施工對日常生活影響的需求越來越強，裝配式橋梁技術也將會有更廣闊的應用空間。

圖1 上海滬閔高架二期工程

圖2 美國I-5 Grand Mound to Maytown Stage 2橋

圖3 嘉閔高架裝配式立柱施工

圖4 嘉閔高架裝配式蓋梁施工

裝配式立柱

裝配式立柱的關鍵是橋墩與承臺以及蓋梁的連接方式。目前國內外采用的裝配式立柱連接方式大致有以下幾種：

1.有粘結后張預應力筋連接

有粘結后張預應力筋連接構造往往配合砂漿墊層或環(huán)氧膠接縫構造實現節(jié)段預制橋墩的建造，方案中的預應力筋可采用鋼絞線或精軋螺紋鋼等高強鋼筋。該構造特點是預應力筋通過接縫，實際工程應用較多，設計理論和計算分析以及施工技術經驗成熟；不足的是墩身造價相對傳統(tǒng)現澆混凝土橋墩要高許多，同時現場施工需對預應力筋進行張拉、灌漿等操作，施工工藝復雜，施工時間較長。

2.灌漿套筒連接

預制墩身節(jié)段通過灌漿聯接套筒連接伸出的鋼筋，在墩身與蓋梁或承臺之間的接觸面往往采用砂漿墊層，墩身節(jié)段之間采用環(huán)氧膠接縫構造，如圖5所示。構造特點是施工精度要求較高，現場施工時間短，同時也不需要張拉預應力筋，現場工作量顯著減小，其正常使用條件下的力學性能與傳統(tǒng)現澆混凝土橋墩類似，因此具有一定的經濟優(yōu)越性。國外應用經驗，低地震危險區(qū)已開始廣泛應用，高地震危險區(qū)域的應用和科學研究還在進行中。

圖5 預制拼裝橋墩和灌漿套筒連接構造圖

圖6 灌漿金屬波紋管連接

預制拼裝橋墩預先伸出一定數量的鋼筋，以便與相鄰構件預留鋼筋搭接，需設臨時支撐，鋼筋連接部位需通過后澆混凝土（濕接縫）方式連接，這也是目前國內較多采用的節(jié)段拼裝橋墩的設計思路。采用該構造建造橋墩，力學性能往往與傳統(tǒng)現澆混凝土橋墩類似，但濕接縫的存在會增加施工時間和現場鋼筋搭接、澆筑的作業(yè)量，從快速施工角度考慮，該方案存在一定不足。

6.承插式連接

承插式接縫連接構造是將預制墩身插入基礎對應的預留孔內，插入長度一般為墩身截面尺寸的1.2～1.5倍，底部鋪設一定厚度的砂漿，周圍用半干硬性混凝土填充。優(yōu)點是施工工序簡單，現場作業(yè)量少，不足的是接縫處的力學行為、特別是抗震性能如何，尚需進一步研究，國內北京積水潭橋采用該連接構造建造，美國一些橋梁也采用該連接構造。

此外，近年來國內外一些研究人員還提出其他一些類型的預制墩身節(jié)段聯接構造，如增設耗能鋼筋連接構造、混合式連接構造等，但由于種種限制條件，目前仍處于學術研究階段。

裝配式蓋梁

蓋梁的主要作用是將主梁承擔的荷載傳遞至橋墩，目前常見的施工方法以現澆為主。國內外對蓋梁的裝配式進行了初步探索，已完成部分嘗試。按其分段方法分類，裝配式蓋梁可分為全預制蓋梁和半預制蓋梁。

全預制蓋梁是現階段快速施工采用的主要方式，其特征為將蓋梁橫向（或縱向）分段（或分片）預制，現場拼裝只對接縫進行處理，無需立模澆筑。根據節(jié)段分割方式，可繼續(xù)劃分為整體全預制、橫向切分、縱向切分和縱橫綜合切分三類。半預制蓋梁是目前新提出的快速施工方法，其特征為蓋梁部分預制、部分現澆。按不同的預制結構可細致劃分為后澆帶式和外殼預制。

在橋梁工程上，我國現階段主梁快速施工方式可統(tǒng)稱為“梁體橫向切分全預制”，蓋梁同樣沿用了這種方式，值得探究的是橫向切分方式的連接面處理。按連接面不同處，可將蓋梁橫向切分全預制方法繼續(xù)分解為：小鍵齒結合拼裝、大鍵齒結合拼裝、鋼鍵結合拼裝、牛腿結合拼裝等。

圖7 試件實際加載圖及加載變形后的圖

圖8 試件的破壞形態(tài)

目前，裝配式蓋梁采用整體預制橫向分段的方式較多，本文依托于工程實踐，選取25m的大懸臂蓋梁為研究對象，對其抗剪性能和抗彎性能進行試驗研究。

抗剪性能試驗考慮拼接縫間鍵齒個數、位置、大小等3個試驗參數，共設計了5個試件。通過模型試驗，研究了在荷載作用下，剪切裂縫的產生和發(fā)展、接縫破壞形態(tài)及抗剪承載力，考察了試驗參數對抗剪承載力的影響。

圖9 裝配式蓋梁抗剪性能試驗

標準中的特殊關鍵技術

標準的制定是用于指導工程實踐，以利于工程技術的推廣應用。裝配式橋梁結構設計總體上需要滿足現行行業(yè)標準《城市橋梁設計規(guī)范》CJJ 11和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTG 3362的規(guī)定。但在裝配式橋梁結構特有的技術方面，需要相應的標準規(guī)范給出規(guī)定，裝配式橋梁結構標準體系就需解決此類問題，尤其與傳統(tǒng)現澆結構不相一致的地方需要特別給出規(guī)定。包括：

1.灌漿套筒連接的錨固長度

灌漿套筒連接在建筑結構應用比較成熟，在建筑工業(yè)行業(yè)標準《鋼筋連接用灌漿套筒》JG/T 398-2012中規(guī)定，灌漿連接端長度不宜小于8倍鋼筋直徑。建筑中采用的鋼筋直徑較小，同時也較少承受動力荷載，因此可以將錨固長度控制在8倍鋼筋直徑左右；而對于橋梁工程，橋墩立柱中采用的鋼筋直徑普遍較大，且需要承受動力荷載，為保證安全取用10倍錨固長度是合理的。

2.預制構件的吊點設計

橋梁工程與建筑工程另一明顯區(qū)別是預制構件的重量。建筑工程中預制構件普遍重量較小，吊裝方便，因此在現行國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2010（2015版）中規(guī)定，吊環(huán)應采用HPB300 鋼筋或Q235B 圓鋼。在橋梁工程中，之前采用的預制節(jié)段梁吊裝較多，因此現行行業(yè)標準《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTG 3362-2018中，也規(guī)定吊環(huán)應采用HPB300鋼筋制作；然而對于預制橋梁下部結構，預制構件重量較大，同時在施工和運輸過程中會涉及構件的翻轉，因此限定吊環(huán)采用HPB300鋼筋制作并不合適。吊環(huán)可以采用預應力鋼絞線進行制作。

3.灌漿連接件的檢測

灌漿連接技術難以檢測也是阻礙裝配式橋梁結構的推廣應用的問題，預埋鋼絲拉拔法、芯片法、反射式超聲法等多種檢測技術已研發(fā)成功，將在新修訂的上海市地方標準中發(fā)布。

工業(yè)化裝配式橋梁技術，不僅能很好地控制工程質量，而且能加快施工速度、減少環(huán)境污染，同時也符合低碳化、和諧社會的發(fā)展要求，將是一套高效、低碳、環(huán)保的橋梁建造技術，具有廣闊的應用前景。裝配式橋梁技術的出現，也是一次產業(yè)轉型的契機。政府應在政策上進行鼓勵，設計師需要在理念上創(chuàng)新，承包商需要在管理上進行轉型。同時堅持產、學、研、用的整體技術開發(fā)路線，才能真正提升裝配式橋梁的質量和性能，進而推廣應用。