鄭州107輔道高架橋梁應用預制裝配技術可行性探討

徐優

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

鄭州107輔道高架橋梁應用預制裝配技術可行性探討

徐優

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

裝配式橋梁因其契合當前城市建設中對快速施工和綠色施工的要求而越來越受到人們的重視。以鄭州市107輔道快速化工程預應力混凝土小箱梁橋為例，探討將裝配式技術應用在該工程上部結構和下部結構中的可行性，著重介紹了蓋梁和立柱應用裝配式技術的設計和施工方法。

小箱梁；蓋梁；立柱；預制裝配

1　概述

隨著城市居民對文明施工和環境影響的日益重視，降低市政工程施工對日常生活影響的需求越來越強，快速施工、綠色施工正成為城市橋梁建設面臨的迫切需求，因此橋梁預制裝配技術近年來得到世界各國的重視。預制裝配橋梁技術的研究在國內外呈現快速發展的趨勢。研究的最終目的是建立橋梁結構的工廠化制造，機械化裝配和標準化管理的集成技術，推動橋梁建設優質、節約、環保和工業化。

所謂預制裝配橋梁，是一種將混凝土橋梁上部和下部結構的主要構件在工廠或預制場集中預制、現場拼裝的橋梁［1］。預制裝配相對于傳統技術工藝有如下特點：

（1）縮短工期：將傳統的樁基、立柱、蓋梁、箱梁等從下到上的順序施工工序變成了上、下部同時施工的并行施工工序，通過合理安排預制、裝配工序可以加快施工進度，縮短施工工期。

（2）降低施工干擾：因省去了搭設支架、支設模板、綁扎鋼筋、拆除模板等大量現場工序，可顯著降低施工對周邊居住環境和正常交通的影響。

（3）提高工程質量：由于預制結構主要在工廠完成，同時裝配施工對精度要求較高，決定了施工質量比傳統施工質量要高。同時由于預制節段存放期的存在，使混凝土的收縮和徐變在橋梁施工期和運營期的影響減小［2］。

（4）降低工程成本：預制裝配主要投入是預制加工廠和相關生產、吊裝設備。通過大型工程的實施，施工機械成本和預制生產成本可以得到充分的分攤。總的來說，項目規模的擴大可以降低單位長度橋梁的造價，基于過去的項目經驗，發達國家1～1.5 km的橋梁項目采用預制裝配技術是有競爭力的，而發展中國家2.5 km以上的橋梁項目采用預制裝配技術才是有競爭力的［2］。

因此當工程對以上幾方面的某一方面要求較高時，可以優先考慮采用預制裝配技術施工。

鄭州107輔道高架北四環至南四環段，全長約20 km，除6座互通立交橋梁結構采用現澆箱梁外，其余均為裝配式預應力混凝土簡支小箱梁，主線標準段寬度為25.5 m（雙向6車道）和32.5 m（雙向8車道，橫斷面布置見圖1所示）兩種。下部為柱式墩，樁基礎，倒T形蓋梁。該工程線路規劃里程長，橋型單一，基礎、橋墩型式變化較少，工程量大，以上的這些特點和施工環境的需求，非常適合預制裝配技術的應用。

圖1　標準段32.5 m橫斷面布置圖

2　上部結構預制裝配

綜合考慮小箱梁的經濟跨徑和施工吊裝重量，該工程擬采用30 m和35 m作為標準跨徑。在交通部小箱梁標準圖的基礎上，增加了小箱梁腹板和底板厚度，以便于預應力波紋管定位和箱梁混凝土密實澆筑。30 m跨（或35 m跨）小箱梁主要結構尺寸如下：梁高取1.6 m（或1.8 m），中梁頂板寬2.4 m底板寬1.0 m，邊梁翼緣至中心線長度控制在1.4～1.8 m，頂板厚度0.18 m，腹板和底板厚度跨中處0.2 m，支點處0.3 m（或0.35 m）。上部結構的預制裝配技術出現的較早，目前在我國城市高架設計和施工中，多梁式的板梁、T梁、小箱梁等橋梁型式已廣泛采用預制裝配技術，工程實例眾多，此處不再贅述。

3　下部結構預制裝配

下部結構的預制裝配構件包括：樁基、橋臺（臺身、擋墻）、立柱、蓋梁等。特別是立柱和蓋梁施工，它們承上啟下是制約整個工程工期的關鍵構件，因此立柱和蓋梁的預制裝配技術對于提高工程質量、縮短施工工期具有重要意義。

3.1連接方式

依據橋型特點、施工條件和所處工程環境等因素，國內外的研究人員對預制裝配墩柱連接構造提出很多類型，主要可歸結為：采用有粘結后張預應力筋鋼絞線（精軋螺紋鋼）、灌漿套筒連接、金屬波紋管連接、插槽式（Pocket）、承插式、濕接縫等構造來實現預制橋墩之間、預制墩身與蓋梁和預制墩身與承臺的連接［1］。墩身與蓋梁或墩身與承臺之間的接觸面往往采用砂漿墊層，墩身節段之間的接觸面常采用環氧膠接縫構造。針對這幾種連接的特點，從不同的角度和傳統現澆混凝土橋墩進行比較，結果見表1所列。

表1　各種預制裝配連接方式同現澆混凝土模式對比表

通過對上述連接類型的比較可以看出，灌漿套筒連接和灌漿金屬波紋管連接適用部位多且施工速度快，充分體現出了裝配式橋梁的特點。同時，在規范層面上，《鋼筋套筒灌漿連接應用技術規程》（JGJ 355-2015），以及其他諸如《鋼筋套筒連接用灌漿料》（JB/T408-2013）等一系列相關規范標準，也保證了這兩種連接方式在設計上有據可依。

因此可以認為在連接構造可靠的前提下，裝配式橋梁的力學行為和傳統現澆混凝土構件基本一致。試驗研究也表明，采用套筒（coupler）、波紋管（duct）預制裝配連接構造的橋墩與傳統現澆混凝土橋墩相比，具有相近的抗震性能，可滿足預期抗震性能的要求［1］。

鑒于此，該工程選用灌漿套筒作為立柱與蓋梁、立柱節段、立柱與承臺之間的連接方式，并采用現有規范中的計算方法來完成預制拼裝橋梁的計算和設計。

3.2立柱設計

該工程主線高架立柱設計高度從3.25 m～9.5 m不等，為減少預制時立柱模板種類，立柱截面歸并為以下三種：2 m×2 m、2 m×1.6 m、1.7 m×1.7 m。當立柱高度小于5 m時，采用整體預制，上下兩端均預留錨固主筋，與預埋在蓋梁和承臺中的灌漿連接套筒相連。立柱高度大于5 m時，分節預制，灌漿連接套筒布置于上節立柱底部，與下節立柱上端伸出的錨固主筋相連。立柱連接方式如圖2所示。

圖2　立柱節段連接處鋼筋圖

由于灌漿套筒內部需要預留灌漿空間，因此其外徑較大，為保證灌漿套筒之間留有足夠的空間，確保混凝土骨料澆筑密實，需要減少立柱縱向主筋的數量，以增大灌漿套筒之間的距離。此外，減少主筋數量還能方便施工，提高施工速度。借鑒已有的一些經驗，該工程通過加大立柱縱向主筋直徑和提高縱向主筋強度等級來實現減少主筋數量的目的。以該工程2 m×1.6 m立柱斷面為例，配筋如圖3所示。主筋采用直徑為40 mm的HRB400鋼筋，間距控制在150 mm左右，每隔一根用箍筋固定。

圖3　立柱橫斷面鋼筋圖

因灌漿套筒的外徑比主筋直徑大很多，導致在灌漿套筒連接段主筋和非連接段主筋有不同的鋼筋保護層厚度。當立柱整體預制時，灌漿套筒預埋入承臺和蓋梁，這樣可以保證立柱中主筋保護層厚度滿足規范要求。當立柱分段預制時，需要將灌漿套筒預埋入立柱，導致立柱非連接段主筋的保護層厚度過大，該工程采取在保護層內增加鋼筋網片的構造措施，防止開裂。

同樣由于在灌漿套筒連接段主筋和非連接段主筋保護層厚度不同，需要在灌漿套筒接段和非連接段采用不同的箍筋尺寸，以保證箍筋和相應的主筋匹配。

3.3蓋梁設計

該工程主線高架蓋梁按立柱個數可分為3類，分別是雙柱蓋梁，三柱蓋梁和四柱蓋梁。其中橋寬為25.5 m和32.5 m的標準段為雙柱蓋梁，橋寬大于32.5 m的變寬段為三柱或四柱蓋梁。施工時擬采用汽車吊進行蓋梁吊裝，考慮到汽車吊的工作半徑和吊裝高度，需對該工程蓋梁進行特殊設計，分段預制，以控制吊裝重量不宜過大。

3.3.1雙柱蓋梁

圖4所示為橋寬25.5 m的標準段蓋梁，蓋梁分為上下兩層，上層為現澆，下層為預制（含蓋梁骨架鋼筋）。蓋梁施工及鋼束張拉順序為：吊裝蓋梁預制段（鋼束N3和N4在預制廠內張拉），施工蓋梁上層現澆段，吊裝上部小箱梁并澆筑箱梁濕接縫，張拉鋼束N2和N1，施工橋面鋪裝及橋面系。

圖4　橋寬25.5 m雙柱蓋梁分段型式及配束方式圖

圖5所示為橋寬32.5 m的標準段蓋梁，蓋梁分為上下兩層，上層為現澆，下層為預制（含蓋梁骨架鋼筋）。其中預制段也分為兩段預制，中間設置2 m寬現澆縫。吊裝預制段時，蓋梁兩端用移動支架作為臨時支撐。蓋梁施工及鋼束張拉順序為：吊裝蓋梁預制段（鋼束N5在預制廠內張拉），施工2 m現澆縫，張拉鋼束N4，施工蓋梁上層現澆段，張拉鋼束N3，吊裝上部小箱梁并澆筑箱梁濕接縫，張拉鋼束N2和N1，施工橋面鋪裝及橋面系。

3.3.2三柱蓋梁

圖6所示為橋寬39.6 m的三柱加寬段蓋梁，蓋梁分為上下兩層，上層為現澆，下層為預制（含蓋梁骨架鋼筋）。其中預制段也分為兩段預制，中間設置2 m寬現澆縫。吊裝預制段時，分別用移動支架作為臨時支撐。蓋梁施工及鋼束張拉順序為：吊裝蓋梁預制段（鋼束N1和N2在預制廠內張拉），施工2m現澆縫，施工蓋梁上層現澆段，張拉鋼束N3，吊裝上部小箱梁并澆筑箱梁濕接縫，張拉鋼束N4和N5，施工橋面鋪裝及橋面系。

3.3.3四柱蓋梁

圖7所示為橋寬51.2 m的四柱加寬段蓋梁，中間設置10 mm斷縫將蓋梁分為左右兩節。每節蓋梁分為上下兩層，上層為現澆，下層為預制（含蓋梁骨架鋼筋）。蓋梁施工及鋼束張拉順序為：分別吊裝蓋梁左右兩節預制段（鋼束N2在預制廠內張拉），張拉鋼束N3，施工蓋梁上層現澆段，吊裝上部小箱梁并澆筑箱梁濕接縫，張拉鋼束N1，施工橋面鋪裝及橋面系。

圖5　橋寬32.5 m雙柱蓋梁分段型式及配束方式圖

圖6　三柱蓋梁分段型式及配束方式圖

此外，預制段蓋梁在存放、運輸、吊裝過程中，應嚴格按照設計位置布置支撐點或吊點，并且嚴格按照設計的順序張拉預應力。

圖7　四柱蓋梁分段型式及配束方式圖

4　結論與展望

以鄭州107輔道高架橋梁為例，探討了橋梁預制裝配技術在小箱梁結構中應用的可行性，特別是在下部結構設計和施工中的應用，得出如下結論：

（1）在連接構造可靠的前提下，采用灌漿套筒連接和傳統現澆混凝土構件具有基本一致的力學行為，可采用現有規范中的計算方法來完成預制拼裝橋梁的常規計算和設計。

（2）立柱設計時采用大直徑高強度鋼筋，以減少主筋數量以保證施工質量，提高施工速度，方便連接。

（3）立柱中預埋灌漿套筒時，由于灌漿套筒直徑較大，導致主筋保護層大于50 mm時，應在保護層內設置防裂鋼筋網。

（4）蓋梁重量較大時，可分段預制，分段吊裝。蓋梁設計時應使其滿足從預制、存放、運輸、吊裝等各狀態的受力要求。

（5）蓋梁存放、運輸和吊裝過程中，應嚴格按照設計位置布置支撐點或吊點，并且嚴格按照設計的順序張拉預應力。

綜上所述，裝配式結構，其易實現機械化、工廠化施工的特點正適應了建筑工業化的發展趨勢，也是城市建設低碳化的首選之路。預制裝配式橋梁在提高工程質量、加快工程進度、降低環境影響方面的作用已經為國內外諸多工程實例所證實，但該技術在城市橋梁中尚未得到廣泛應用，隨著城市建設理念的提升，其未來在橋梁工程中的應用必將越來越廣。

［1］周良，閆興非，等.橋梁全預制裝配技術的探索與實踐［J］.預應力技術，2014，（6）:15-17.

［2］John J.Sun，Gernot Komar.長大橋梁工程的先進節段預制技術及其應用［J］.公路，2009，（5）:73-80.

U445.4

B

1009-7716（2016）06-0153-04

2016-03-15

徐優（1981-），男，河南信陽人，碩士，從事橋梁工程設計工作。