裝配式混凝土橋梁設計施工關鍵問題研究

丘福連 歐智菁 林上順

(福建工程學院，福州 350118)

0 引言

采用傳統的現場澆筑混凝土的橋梁施工方法，與如今加快生態文明建設、綠色發展、推動新型工業化發展的理念相悖[1]。 具有鋼橋和混凝土橋各自優點的裝配式混凝土橋梁，發揮材料各種優勢的合理性及便于施工的優點[2]，越來越廣泛地應用于跨海大橋、城市橋梁等，取得了顯著的經濟效益和社會效益。 世界各國都在追求建筑的工業化，而裝配式混凝土橋梁結構的標準化和模數化，能夠推動新型工業化的發展、提高勞動生產率，同時積極響應了建設綠色城市的號召[3]。并且裝配式混凝土橋梁已經在國外的橋梁工程中得到廣泛應用， 發展裝配式橋梁結構是建設工業化的必由之路。

我國于20 世紀60 年代開始對裝配式混凝土橋梁進行研究[4]，成昆鐵路舊莊河的一號橋于1966 年建成[5]，采用懸臂拼裝的裝配式方法，連接香港、澳門、珠海的港珠澳大橋也熟練地運用到裝配式預制橋梁技術[6]。除此之外，上海嘉閔高架橋、國定東路下匝道橋梁、杭州灣跨海大橋等都將裝配式技術運用其中。

我國混凝土裝配式技術已經比較成熟地運用于大型跨海大橋建設中，在城市高架或橋梁等工程運用較少。混凝土裝配式橋梁的施工工序， 如工廠預制節段、 節段運輸、 施工現場將其拼裝等， 能夠有效解決城市因交通復雜、交通量大而造成的短施工周期的問題，同時有效地保護城市環境，減少對市民出行的影響。

1 預制裝配式混凝土橋梁特點

預制裝配式混凝土橋梁的構建由工廠統一嚴格生產，相比于現澆，質量更能得到保障，運輸到現場后安裝連接，有效提高施工效率，同時也能減少對周邊環境的干擾。 總結起來，裝配式混凝土橋梁具有如下優勢。

裝配式混凝土橋梁技術中，因部件生產的統一標準，使得同一部件能運用在多種橋梁上， 能夠推動新型工業化的發展；由工廠規模化生產、運輸到現場拼裝連接，能夠提高勞動生產率，減少對環境的污染，因此混凝土裝配式橋梁技術還積極響應了國家建設綠色城市的號召。

現階段，市場經濟發展迅速，人民生活質量、水平明顯提高，因此勞動力相比于過去出現資源短缺的現象，而裝配式混凝土橋梁技術使得橋梁施工變得更機械化、簡單化，可減少勞動力的使用，符合現階段的勞動力情況。

2 主梁裝配式施工技術

預制裝配式混凝土橋梁的上部結構主要有板梁、T梁、組合箱梁等結構形式，主要應用于中小跨徑橋梁。 目前主梁的預制拼裝技術主要有懸臂拼接施工法和移動支架逐跨施工法[7]，發展相對比較成熟。

(1)懸臂拼接施工法

懸臂拼接是指從橋墩兩側用專門的懸臂吊機[8]，將其安裝在已建成的節段上，吊起橋梁節段，由施工人員將該節段與已成型的節段錨固在一起， 逐步向跨中合龍的技術，如圖1 所示。 懸拼施工工序主要包括工廠預制構件、構件的運輸[8]，梁段起吊拼裝、懸拼梁體體系轉換、合攏段施工，節段的預制是懸臂拼接技術的基礎。

圖1 懸臂拼接施工法

(2)移動支架逐跨施工法

移動支架逐跨施工方法，顧名思義，是指利用能夠縱向移動的支架， 將預制梁體節段運到施工位置進行拼接或者利用移動模板現澆梁體， 并逐跨對其施加預應力的方法。

圖2 移動支架逐跨施工法

3 裝配式混凝土橋梁下部結構主要連接方式

裝配式混凝土橋梁的下部結構之間的連接是該技術的關鍵，包括墩身節段之間、墩身與承臺之間及墩身與蓋梁之間的連接[9]，主要以承受壓力為主，連接的方式主要為灌漿套筒、灌漿金屬波紋管、預應力筋、承插式連接等。下面分別對這些連接方式進行介紹。

3.1 灌漿套筒連接

灌漿套筒連接方法指將鋼筋插入專門制定的套筒中，其間隙用高強度水泥基灌漿料填充，待填充物凝固后將鋼筋錨固在套筒內的一種常見的裝配式混凝土橋梁下部結構的連接方式。

該技術對施工精度的要求比較高， 但能夠有效減短施工時間，減少現場的施工工作量，其力學性質在正常使用的前提下與傳統的現澆施工方法類似， 卻比傳統的現澆混凝土橋墩更加經濟， 并且已廣泛用于低地震危險區域。 下面以嘉閔高架橋為例介紹灌漿套筒連接技術在裝配式混凝土橋梁中的應用。

嘉閔高架路位于嘉定區內，全長為1.56km，車道數為雙向六車道。上部結構以預應力砼連續箱梁為主，在跨路立交地段采用鋼箱梁。

圖3 嘉閔高架路裝配式柱式墩臺施工

嘉閔高架路是國內首次大規模采用裝配式混凝土橋梁拼裝技術的工程。其中蓋梁上部為現澆部分，蓋梁下部為預制構件， 在立柱位置設套筒與上節立柱以套筒壓漿連接；上節立柱下端設套筒和下節立柱以套筒壓漿連接，上端設預留主筋；下節立柱長為3m 的固定長度，下端設錨固鋼筋和現澆承臺固結，上端設預留主筋。

鋼筋與套筒接頭的處理方式包括全灌漿接頭和半灌漿接頭兩種。 全灌漿接頭即接頭兩端的帶肋鋼筋均采用灌漿連接，其結構如圖4a 所示。 半灌漿接頭則是一端同全灌漿接頭一樣采用灌漿連接， 但另一端采用的是螺紋連接，其結構如圖4b 所示。

如圖5、圖6 所示，全灌漿接頭連接一般用于橫梁受力的鋼筋與套筒的連接，而預制柱等鋼筋受豎向力時，一般采用半灌漿接頭方法與套筒連接， 也可采用全灌漿接頭。

圖4 灌漿接頭結構示意圖

圖5 橫向受力鋼筋接頭處理示意圖

圖6 豎向受力鋼筋接頭處理示意圖

3.2 灌漿金屬波紋管連接

灌漿金屬波紋管連接方法常用于墩身與承臺或墩身與蓋梁之間的連接。 該連接方法是將預制墩身內預留的鋼筋插入承臺或蓋梁體內預留的灌漿金屬波紋管內，并采用砂漿墊層填充兩者的接觸面的連接技術[10]。

該連接方法同灌漿套筒一樣能夠有效減短施工時間，力學性能也與傳統現澆混凝土橋墩類似，但其縱向鋼筋需要有足夠的錨固長度，連接構造如圖7 所示。

圖7 灌漿金屬波紋管連接構造

下面以國定東路下匝道橋梁為例介紹該連接技術。

國定東路下匝道橋梁，除樁基承臺外，預制拼裝技術運用于上、下部構件，承臺與立柱的連接方式采用的是新型灌漿金屬波紋管連接技術， 拼接縫處采用高強砂漿連接[11]，如圖8 所示。 施工方案為采用立柱底部先座漿，波紋管單個壓漿。 此工藝施工時，承臺頂鋪設M60 墊層砂漿， 在立柱坐落在墊層砂漿上之后不得再進行立柱垂直度調節，防止出現立柱底與砂漿脫離的現象。

圖8 承臺立柱連接示意圖

3.3 有粘結后張預應力筋連接

有粘結后張預應力筋連接構造通過預埋管道、穿筋、張拉、灌漿，配合砂漿墊層或環氧膠接縫構造實現節段預制橋墩的建造[12]，如圖9 所示。 同前面介紹的兩種連接方法一樣， 有粘結后張預應力筋連接的變形能力也與現澆混凝土橋墩相近，但其缺點是耗能能力較弱[12]，且墩身的造價相對傳統現澆混凝土橋墩要高出許多， 同時現場施工的工藝復雜，施工時間較長。

圖9 節段拼裝橋墩系統及施工方法

國內的港珠澳大橋橋梁工程非通航孔橋預制墩臺施工就運用到了后張預應力筋連接技術， 下面對其施工進行介紹。

港珠澳大橋全長為49.968km，其中主體工程“海中橋隧”長達35.578km，車道數為雙向六車道，設計行車速度為100km/h。

港珠澳大橋的橋梁下部墩身與承臺為一體預制；其中，承臺為倒凹形結構，其上設有多個導向孔、多個排氣補注孔和多個支撐墊板；承臺位于水平防沖墊層上表面，墩身與承臺圍成的空腔下口為防沖墊層封閉， 空腔內充有填芯混凝土；每個導向孔內固接有一導向樁，導向樁垂直穿過防沖墊層插入海、江或河床中；多個支撐樁與承載樁分布在預制基礎下方，垂直穿過防沖墊層插入海、江或河床中，與防沖墊層、空腔內填芯混凝土固接；支撐樁或承載樁的樁頂有填芯混凝土， 填芯混凝土頂面為樁頂設計標高，樁頂填芯混凝土高度5～30m；其中，支撐樁的樁頂設支撐樁定位構件， 支撐樁定位構件與承臺內頂面的支撐墊板相對應，并經支撐樁定位構件與支撐墊板固接。圖10 所示為港珠澳大橋裝配式柱式墩臺施工。構件間連接采用墩帽頂上張拉。

圖10 港珠澳大橋裝配式柱式墩臺施工

3.4 承插式連接

承插式連接主要應用于橋梁立柱與承臺之間的快速連接[13]。 承插式連接一般是將預制墩身插入基礎對應的預留孔內， 施工方法為將立柱安放在澆筑完成的承臺預留孔內，后用高強度混凝土填充，或者先將立柱安放到正確位置，與承臺一次性澆筑完成。 其結構示意圖如圖11所示。

圖11 承插式連接構造示意圖

承插式連接方法施工工序相對簡單， 現場作業量也較少，但其整體的抗震性能有待進一步研究。北京積水潭橋的施工中便采用了承插式連接。

4 預制節段接縫拼接方式

構件接縫拼接方法通常采用三種方法處理， 如表1所示。

表1 三種接縫拼接方法

4.1 干接縫

干接縫是指節段接縫間用起潤滑、錨栓、防水、傳遞應力等作用的無溶劑型環氧樹脂膠結劑粘結成一個整體的拼接方式[15]。

當使用了體外索的預應力混凝土節段或接縫處無冰凍穩定現象時可采用干接縫，相比于濕接縫，干接縫安裝速度較快，但其水密封性不完全，影響后期施工的質量，預應力索的防腐效果相應降低[16]，受力及耐久性方面存在缺陷。

4.2 濕接縫

濕接縫一般用于大跨度連續梁、 預制的預應力混凝土梁體間接縫的連接。 在雨水區及沿海區域所建設的預應力混凝土梁體段間的接縫一般采用濕接縫， 它不僅適用于體內索，也適用于體外索，濕接縫的密封性好，能有效防止水汽入侵[14]，保護體內的鋼筋，同時，相比于干接縫，能承受一定的拉力。

4.3 膠接縫

相對于濕接縫來說，膠接縫最大特點就是，在接縫處理方面采用環氧樹脂拼接膠代替混凝土連接， 同時在環氧樹脂拼接膠固化之前需要加載臨時預應力， 拆除臨時預應力的時候， 應以保證整個施工階段接縫不出現拉應力為原則。 如圖12 所示，T 梁或者箱梁在架設完成后留在兩片梁翼緣之間的縫隙用環氧膠粘劑粘合為一體。

圖12 膠接縫拼裝

5 預制裝配式技術與BIM 技術的結合

近年來， 建筑行業已逐漸趨向信息化和模型化，工程建設設計也與BIM 等技術緊密結合。 在公路、市政行業中，裝配式混凝土橋梁采用工廠預制和現場拼裝的形式，構件相對較為標準，易實現模塊化的設計、生產和管理[17]，符合BIM 技術的內在要求，因此，預制裝配式技術與BIM 技術的結合可待。

通過BIM 技術進行的信息建模[17-18]，如建立三維模型，一方面更便捷地進行圖紙設計，為預制廠和現場安裝提供非常直觀的圖紙，同時利于設計、施工、監理等不同職能崗位的相互溝通與交流；另一方面，可以對預制構件的進行碰撞檢查并進行優化設計，能夠提高構件鋼筋、預應力波紋管、鋼絞線等材料的下料精度，提升預制構件的質量，節省不必要的材料浪費，減少施工成本，并能更好達到設計外觀效果， 同時避免制造和安裝過程中出現鋼筋沖突、構件不匹配、連接不緊密等問題。 即便出現這些問題，也可以通過BIM 技術進行在線、實時地調整，從而為現場操作提供直接指令，提高效率。 通過BIM 技術還能夠進行施工方案模擬，優化施工方案，確保實施預制拼裝技術施工可行性和施工質量， 有效提高了施工管理水平，縮短施工周期[19]。

6 結語

裝配式混凝土橋梁技術不僅能夠保證構件的施工質量，同時達到要求的結構性能，并顯著提高工程施工的效率，減少環境污染和人力成本。 論文主要總結了如下幾點：

(1)裝配式技術降低橋梁施工時對現狀交通的干擾、提高施工質量、縮短施工周期、改善施工場所的安全性、降低施工中產生的噪聲等對周圍居民和環境的影響。

(2)裝配式混凝土橋梁預制構件間的連接包括墩身節段之間、墩身與承臺之間及墩身與蓋梁之間的連接，連接方式主要為灌漿套筒、灌漿金屬波紋管、有粘結后張預應力筋連接、承插式連接等，目前應用廣泛的連接方式為灌漿套筒連接。 當使用了體外索的預應力混凝土節段或接縫處無冰凍穩定現象時可采用干接縫； 在雨水區及沿海區域建設的預應力混凝土梁體段間的接縫一般采用濕接縫；膠接縫同濕接縫，但所用材料不同，施工要求更高。

(3)目前裝配式混凝土橋梁沒有完全實現構件的組拼，部分還是需現澆。灌漿套筒等連接方式工藝較復雜，連接效果、連接質量、施工質量不能完全保證。因此，在未來我們應著力于改進裝配式混凝土橋梁的連接方式， 提出快速連接、質量可靠的新型連接形式，同時結合BIM 等技術，優化施工方案，確保施工質量，縮短施工周期。