装配式桥梁技术应用研究
时间：2023-01-25 18:10:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
宋勇强 赵小强 熊超
中交第二航务工程局有限公司第六工程分公司 湖北 武汉 430014
桥梁作为交通基础设施的重要组成部分和关键控制工程，“十四五”期间乃至2030年仍有巨大的市场需求，当前我国混凝土梁桥施工仍以现浇为主，存在质量控制难、环境影响大、劳动力消耗高等不足，不能适应新时代中国高质量发展需要，我国公路桥梁装配化率有待进一步提高，随着高质量发展的需求越来越迫切，发展装配式结构、钢结构桥梁成为国家政策导向[1]，装配式桥梁将大量的预制块由车间生产加工完成，主要包括分块预制的主梁、墩柱、盖梁等，然后通过现场吊装作业将预制构件拼接。在现场作业方面，装配式建造方法施工机械化程度高，需要的人力资源较少，受气候影响小。相较于传统的现浇法，作业量大幅减少，可以大大缩短工期。在环保方面，装配式桥梁对节能环保大有益处，可以大量减少建筑垃圾和废水排放[1]，降低建筑噪音与有害粉尘的排放，更加符合新形势政策下的“绿色建筑”要求。中交二航局自2004年在国内首次大规模引入短线匹配预制工艺，完成箱梁节段预制约3.1万榀，占国内总数约50%。以苏通大桥为起点，攻克从设计到施工、控制、材料、装备等成套技术难题，取得丰硕成果。
2.1 装配式组合梁分类发展历程
由于海上建设条件恶劣，对预制墩柱需求高；
且具备大重量构件运输、起吊作业条件，预制墩柱技术最早应用于海上桥梁；
且海上桥梁预制墩柱多采用整体或大节段。由于运输、吊装不便，国外陆上预制墩身多采用小节段，美国预制墩柱节段多采用预应力钢绞线/粗钢筋+胶接缝的连接方式，国内预制墩柱发展也始于海上桥梁，且多为整节段预制；
预制墩柱连接形式从现浇湿接缝，发展到墩身节段预制、胶接缝连接，我国上海率先开始在市政桥梁、公路桥梁中大规模应用预制墩柱，目前我国市政、公路桥梁多采用整节段预制墩柱，且连接形式多采用灌浆套筒。由于预制盖梁、墩柱技术相似，预制盖梁与预制墩柱同步发展，盖梁由于体量
较大，运输吊装不便，通常采用分节段预制安装进行轻量化，经过多年技术发展，发展出了多种预制墩柱、盖梁连接构造，能满足不同工程需求。
2.2 装配式组组合梁分类
根据主梁形式不同，装配式组合梁有多种类型：钢箱组合梁、节段钢桁腹板组合梁、节段钢波腹板组合梁、钢板组合梁、钢桁组合梁[3]。
2.3 装配式组合梁安装工艺
装配式组合梁由预制混凝土板与钢主梁在现场或场内组合而成。组合梁预制完成后，可通过整跨吊装、顶推、架桥机安装、吊车散件拼装等装配式组合梁安装工艺进行安装。其中架桥机安装法具有施工效率高、占地面积少的优点。顶推施工不影响桥下交通，不需要大型起重设备，也没有高空作业，特别适合于城市桥梁、特大跨度桥梁、长线引桥和立体交叉的施工[4]。汽车吊散件拼装具有制作简单，装拆方便，受地形限制小的优点。整垮吊装具有施工快速，起重量大的优点。
3.1 装配式桥梁介绍
将整跨箱梁设计成若干个节段，在预制台座上利用专用模板系统逐榀匹配、流水预制，运至桥位，由架桥机等工具进行现场组拼成桥，混凝土节段梁是一种典型的预制构件[3]，由整跨箱梁按照一定吊重尺寸沿顺桥向划分而来。节段在预制台座上利用专用模板系统逐榀匹配、流水预制，运至桥位，由架桥机等工具进行现场组拼成桥[2]。目前混凝土节段梁已广泛应用于我国跨江跨海大桥、市政高架桥中。混凝土节段梁预制包括钢筋骨架绑扎安装、模板调位与合模、匹配浇筑以及转运堆存等几个环节，节段预制周期达到2d/节，节段梁存放期满后可采用模块车、驳船运输至桥位，由架桥机、桥面吊机进行安装，节段间通常需涂抹结构胶并张拉预应力。
3.2 装配式节段梁预制
混凝土节段梁是一种典型的预制构件，由整跨箱梁按照一定吊重尺寸沿顺桥向划分而来。节段在预制台座上利用专用模板系统逐榀匹配、流水预制，运至桥位，由架桥机等工具进行现场组拼成桥[2]。目前混凝土节段梁已广泛应用于我国跨江跨海大桥、市政高架桥中混凝土节段梁预制包括钢筋骨架绑扎安装、模板调位与合模、匹配浇筑以及转运堆存等几个环节，节段预制周期达到2d/节，节段梁存放期满后可采用模块车、驳船运输至桥位，由架桥机、桥面吊机进行安装，节段间通常需涂抹结构胶并张拉预应力。
3.2.1 大跨墩顶块预制
前期研发的关键技术，港珠澳香港段节段梁跨径180米，墩丁块尺寸为9米长，10米高，重约几百吨。采用大型浮吊施工造价较高，为此研发了全预制分段壳体结构，单重小于220t，采用架桥机来回踩位的方法安装。墩丁块预制采用A+B+A(A梁预制（见图1）+B梁夹心预制（见图3）+A梁内隔墙浇筑（见图2）+B梁横板浇筑（见图4）)的夹心预制技术，隔墙及横板：可作为二次浇筑模板，内壁剪力键：无需预留连接钢筋。解决了墩顶块预制难题，大幅提高了预制效率和施工质量,大跨墩顶块预制全预制分段壳体结构，减少了后浇量；
研发了夹心预制技术，解决了墩顶块预制难题，大幅提高了预制效率和施工质量。技术优势：减少匹配次数提高效率,二次浇筑，模板设计及拆装难度小。
图4 B梁横板浇筑
3.2.2 大跨径变截面节段匹配预制
针对大跨径变截面节段梁尺寸变化大的特点，从钢筋绑扎、模板、堆存等方面进行了全面创新：
高大腹板钢筋绑扎：分离式可调钢筋绑扎胎架，可实现腹板钢筋整体翻转安装。
自动化液压模板系统：调节块适应变截面、大块钢模方便拆装、局部柔性适应三维扭曲。
3.3 节段梁安装
不断创新梁段安装工艺，提升架桥机安装的适用性，对于小曲率半径节段梁，架桥机需适应曲率半径的变化。研发出一种可弯折架桥机，通过主梁间的偏转铰实现导梁弯折，确保支腿均支立于墩顶块上。对于大跨节段梁，节段重量及跨度的增长对架设装备及工艺提出了更高的要求，当跨径大于70米后，架桥机主梁钢结构为了承担自重和节段梁荷载需要做得足够强大，基本上就不经济了。所以，对于大跨节段的吊装基本采用桥面吊机。为解决钢齿坎安装麻烦、预留孔洞多的问题，提出一种安拆便利、结构轻巧的剪力锥构造，永久预应力张拉之前，要用临时预应力拉紧节段保证节段间0.3～0.5MPa的压应力，临时预应力的钢赤坎安装麻烦、而且很笨重，转换时抬不动。同时预留孔洞多，后期不好修补也容易渗水。在某段开发了一种新型的剪力锥构造，结构轻巧，安拆方便，孔洞少，修补易，预埋精度要求低。
节段梁安装要精细化施工控制，研究并提出成套控制方法及配套软件，达到毫米级的精度控制目标，将桥梁施工全过程纳入施工控制系统，包括模型计算与预测、误差分析与修正、预制放样与拼装测量等[3]。另外就是节段梁的线形控制。我们研发了成套控制方法及配套软件，达到毫米级的精度控制目标。因为匹配预制，需要在预制场还原两两匹配节段的相对关系，需要对线形进行精确测控。研发的线控软件将桥梁施工全过程纳入施工控制系统，包括模型计算与预测、误差分析与修正、预制放样与拼装测量等子系统。精度与国外同类软件比经工程验证满足要求，同时彻底将费用打下来。
3.4 组合结构与预制拼装技术
将组合结构与预制拼装技术相结合，可实现节段梁的轻型化。
结构优点：自重降低25%，跨越能力强、充分发挥材料性能、解决接缝抗剪问题、造型美观、装配化建造。
技术难点：连接构造需适应预制拼装、接缝对组合梁受力性能影响钢混节段梁施工期受力、波腹板入模及定位、全过程施工控制。
3.5 技术研究
3.5.1 连接构造研究
①在节段梁的研究基础上，结合波腹板组合梁的特点，比选出便于施工、受力可靠的连接构造（见图5）。首先是比选便于施工、受力可靠的连接构造，包括波腹板间接缝和混凝土是同缝还是错缝布置，波腹板之间是栓接还是焊接，又或者栓焊组合（见图6）。
图5 接缝方案比选
图6 连接构造
②为便于波腹板定位及钢筋笼下放，提出一种新型连接件，开展四组对比试验，验证了其受力性能，特点是：翼缘板兼做底模，便于波腹板定位，无需贯穿连接钢筋钢，便于筋笼整体下放。连接构造的主要问题就是解决顶底板钢筋笼整体预制与波腹板的连接。常规剪力键都需要后穿钢筋（见图7），无法保证顶底板钢筋笼的整体安装，影响施工效率。提出一种新型连接件，翼缘板兼做底模，便于波腹板定位，无需贯穿连接钢筋钢，便于筋笼整体下放。开展了四组对比力学试验，验证了其受力性能满足要求。
图7 剪力键布置
3.5.2 整体受力性能研究
开展了波形钢腹板节段梁缩尺模型试验，研究了接缝、连接、预应力对整体受力性能的影响规律，接缝带来的抗弯折减系数为0.80~0.9之间；
偏载下位移、剪应力分别放大15%/25%左右。这些都为波腹板节段梁的设计提供了理论基础。足尺模型试验，掌握了新型节段箱梁抗扭、横向弯曲受力性能及其计算方法。
3.6 工程应用
3.6.1 节段预制--钢筋骨架入模及波腹板定位
钢筋骨架采用分部入模工艺，通过三向调位装置实现波腹板精确定位,其中采用分部还是整体入模工艺也是我们工艺试验的一个重点。所谓分部、整体，试验中发现整体入模，波腹板在模板中需要二次定位，反倒更花时间，最后决定采用分别绑扎好顶底板钢筋笼，和波腹板在模板系统里分部安装的工艺。
3.6.2 节段预制--梁段吊装及存放
开展梁段吊装及存放计算分析，确定吊点以及支点布置，并提出交叉型钢截面变形控制措施。从足尺模型试验也可看出，因刚度低，横向变形较常规节段梁大4~5倍，研发了x形交叉型斜撑控制横向变形能减少至0.8mm，抗扭性能得到明显加强。另外，从8吊点优化至12吊点，顶底板无开裂风险。
3.6.3 节段预制--节段安装
0号块现浇、1~2号块支架拼装，标准节段采用架桥机进行悬拼安装。
3.6.4 节段预制--匹配预制施工控制
为实现精细化控制，将施工控制延伸至准备阶段和波形钢腹板制造阶段，并提出波腹板定位标准见下表1。
表1 波腹板定位标准
3.6.5 节段预制-推广
作为国内乃至国际首创，成套技术丰富了装配式桥梁类型，可改善常规节段梁桥接缝性能，显著降低结构自重，增强观赏性，具有良好的应用前景。
4.1 预制桥面板施工工艺
4.2 新型桥面板结构
通过高性能材料（UHPC）的应用，增强预制桥面板力学性能、耐久性、耐磨性，提升产品质量。优化预制桥面板连接构造，提升接缝力学性能及现场安装工效。在常规UHPC组分中，加入粒径不大于8mm的粗骨料和细度模数为2.6~3.0的细骨料，在保证结构的超高强度、耐久及耐磨的基础上，节约原材料成本。通过智能化生产线降低生产中的人为因素干扰，提升桥面板预制质量。
装配式桥梁将大量的预制块由车间生产加工完成，主要包括分块预制的主梁、墩柱、盖梁等，然后通过现场吊装作业将预制构件拼接。在现场作业方面，装配式建造方法施工机械化程度高，需要的人力资源较少，受气候影响小。相较于传统的现浇法，作业量大幅减少，可以大大缩短工期。在环保方面，装配式桥梁对节能环保大有益处，可以大量减少建筑垃圾和废水排放，降低建筑噪音与有害粉尘的排放，更加符合新形势政策下的“绿色建筑”要求。
在质量提升方面，降低制造过程人为因素干扰，大幅提升质量与效率。
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