基于新材料與新結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配式橋梁發(fā)展趨勢(shì)分析

李純

（佛山市廣佛肇高速公路有限公司，廣東佛山528000）

0 引言

預(yù)制裝配式橋梁由于具有施工快速以及質(zhì)量可控的優(yōu)點(diǎn)，在橋梁建設(shè)領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用。相對(duì)于現(xiàn)澆類橋梁，預(yù)制裝配式橋梁對(duì)施工環(huán)境帶來(lái)的影響性較小。但是，由于運(yùn)輸條件和施工裝配技術(shù)的局限性，預(yù)制裝配技術(shù)目前一般主要應(yīng)用于較小跨徑橋梁的主體以及大跨徑橋梁的局部構(gòu)造[1]。其局限性主要來(lái)源兩個(gè)方面：一是施工現(xiàn)場(chǎng)的地勢(shì)環(huán)境所帶來(lái)的預(yù)制裝配場(chǎng)地條件，對(duì)工程機(jī)械以及現(xiàn)場(chǎng)人員調(diào)動(dòng)具有極大的挑戰(zhàn)性；二是已有的運(yùn)輸條件無(wú)法滿足預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸要求或者說(shuō)運(yùn)輸存在安全隱患。

為了弱化預(yù)制裝配式橋梁的局限性，工程領(lǐng)域在機(jī)械、材料、結(jié)構(gòu)等方面，不斷提高預(yù)制裝配式橋梁的適用性。特別是近些年來(lái)對(duì)于新材料和新結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展、創(chuàng)新和優(yōu)化，也刺激了預(yù)制裝配式橋梁的突破。超高性能混凝土（UHPC）作為一種高強(qiáng)度且在橋梁領(lǐng)域逐漸廣泛應(yīng)用的混凝土材料，在基因上自帶適合預(yù)制的特性，因此UHPC 預(yù)制裝配式橋梁逐漸成為一種可行性方案，得到了廣泛的關(guān)注。與此同時(shí)，伴隨著多種高性能的土木工程材料的發(fā)展，為了充分地發(fā)揮材料的優(yōu)勢(shì)力學(xué)性能，組合結(jié)構(gòu)開(kāi)始在橋梁結(jié)構(gòu)的主體和局部結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用[2]。組合結(jié)構(gòu)由于本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以預(yù)制裝配施工方式成了該類結(jié)構(gòu)的主要施工方式。

將新材料和新結(jié)構(gòu)應(yīng)用于預(yù)制裝配式橋梁，將會(huì)在傳統(tǒng)預(yù)制裝配式橋梁的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)新的突破和改觀。在特性上，適于預(yù)制的新材料和新結(jié)構(gòu)，將會(huì)給未來(lái)預(yù)制裝配式橋梁的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)明顯的變化。在一定程度上，新材料和新結(jié)構(gòu)會(huì)引領(lǐng)預(yù)制裝配式橋梁的發(fā)展新浪潮。

1 預(yù)制裝配式橋梁的發(fā)展

1.1 預(yù)制裝配式橋梁的優(yōu)勢(shì)

隨著快速化建設(shè)和施工質(zhì)量可控的雙重目的的提出，以及響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排和保持環(huán)境的倡導(dǎo)，預(yù)制裝配式橋梁被視為一種具有應(yīng)用前景的橋梁類型。相比于施工現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆類橋梁，預(yù)制裝配式橋梁在某些方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

1.1.1 工廠化制備保證了預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量可控。由于工廠在室內(nèi)生產(chǎn)，預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量不會(huì)因?yàn)樘鞖獾脑颍霈F(xiàn)混凝土強(qiáng)度下滑或強(qiáng)度參差不齊等現(xiàn)象。

1.1.2 預(yù)制構(gòu)件的施工現(xiàn)場(chǎng)裝配對(duì)周圍自然環(huán)境和居民生活的影響程度大幅度降低，因此預(yù)制裝配式橋梁十分適用于市政類橋梁建設(shè)。

1.1.4 預(yù)制裝配式橋梁節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。根據(jù)橋梁的全壽命周期成本計(jì)量，不同于現(xiàn)澆類橋梁在耐久性、養(yǎng)護(hù)加固方面的費(fèi)用占比較高，預(yù)制裝配式橋梁后期的運(yùn)營(yíng)成本較低。

1.2 預(yù)制裝配式橋梁的設(shè)計(jì)與施工

預(yù)制裝配式橋梁常適用于簡(jiǎn)支梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋。若考慮材料的種類，預(yù)制裝配式橋梁可分為混凝土梁預(yù)制構(gòu)件和鋼混組合梁預(yù)制構(gòu)件。對(duì)于混凝土梁預(yù)制構(gòu)件，常采用的接縫類型主要有干接縫、膠接縫，通過(guò)體外預(yù)應(yīng)力張拉的方法將各梁段連接成整體。對(duì)于鋼混組合梁預(yù)制構(gòu)件，預(yù)制梁體之間一般留出部分鋼筋，經(jīng)過(guò)綁扎澆筑形成濕接縫。

預(yù)制裝配式橋梁的施工方式主要有以下三種：

1.2.1 逐跨拼裝施工

逐跨拼裝是通過(guò)將各預(yù)制梁段吊裝，并串聯(lián)裝配成整體后，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束的施工技術(shù)。逐跨拼裝技術(shù)通常是采用專用的架橋機(jī)拼裝施工的，因此架橋機(jī)的最大承載能力決定了整跨梁體的最大跨徑，一般而言預(yù)制裝配式橋梁的單跨跨徑不超過(guò)60m。同時(shí)，運(yùn)輸機(jī)械的最大運(yùn)載質(zhì)量限制了單個(gè)預(yù)制構(gòu)件的最大質(zhì)量，一般而言不超過(guò)70t。逐跨拼裝適用于梁體高度保持一致的簡(jiǎn)支梁橋和連續(xù)梁橋。

1.2.2 對(duì)稱懸臂施工

與現(xiàn)澆變截面連續(xù)梁橋和現(xiàn)澆變截面連續(xù)剛構(gòu)橋一樣，預(yù)制裝配式橋梁的對(duì)稱懸臂施工就是沿著橋墩分節(jié)段吊裝箱梁，節(jié)段拼裝后，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束的施工方法。對(duì)稱懸臂施工的梁體構(gòu)件約束和跨級(jí)限制同樣來(lái)源于架橋機(jī)械和運(yùn)輸機(jī)械的極限能力。

1.2.3 梁段濕接施工

逐跨拼裝施工和對(duì)稱懸臂施工的單個(gè)預(yù)制構(gòu)件梁體是完整截面，梁段橫縱向濕接施工是由眾多橫縱向的小型T 梁或小箱梁組成，且連接部分伸出鋼筋，用以現(xiàn)場(chǎng)澆筑橫向濕接縫和縱向濕接縫。梁段濕接施工明顯的優(yōu)點(diǎn)是減小了單個(gè)預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量，便于運(yùn)輸和吊裝。缺點(diǎn)是仍需要現(xiàn)場(chǎng)澆筑部分混凝土。

雖然在教學(xué)方面各個(gè)學(xué)校已經(jīng)意識(shí)到每個(gè)學(xué)科應(yīng)該有側(cè)重的能力提升，高中物理中比較重視的能力便是解題能力的培養(yǎng)，但是由于新課改倡導(dǎo)的時(shí)間有限以及各方面條件的限制，使得目前解題能力在高中物理教學(xué)中還存在著一定的不足.

1.3 結(jié)合新材料與新技術(shù)的預(yù)制裝配式橋梁的發(fā)展趨勢(shì)

基于前述的預(yù)制裝配式橋梁的優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)施工特點(diǎn)，明顯可以發(fā)現(xiàn)預(yù)制裝配式橋梁是一種可持續(xù)發(fā)展橋梁，但受限于施工機(jī)械的原因在橋梁設(shè)計(jì)跨徑和橋梁施工方面仍存在局限性。為此，根據(jù)土木前沿領(lǐng)域的新型土木工程材料以及新型制備技術(shù)，探究預(yù)制裝配式橋梁的發(fā)展趨勢(shì)。將從以下幾點(diǎn)展開(kāi)具體分析：

1.3.1 超高性能混凝土（UHPC）在預(yù)制裝配式橋梁中的應(yīng)用

超高性能混凝土（簡(jiǎn)稱為UHPC）是一種具備超高強(qiáng)度、較高延性、耐久性較好的水泥基材料。UHPC 的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度一般分別大于120MPa、5MPa，并且由于材料中鋼纖維的存在，UHPC 在開(kāi)裂后存在延性，即抗拉強(qiáng)度不會(huì)迅速失效，而是抗拉強(qiáng)度維持穩(wěn)定或者有小幅度上升。大部分學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)表明，UHPC 的質(zhì)強(qiáng)比是介于普通混凝土和鋼材之間的，就是說(shuō)在相同的承載力下，UHPC 制備的構(gòu)件的質(zhì)量小于普通混凝土。為此，若將UHPC 用于預(yù)制裝配式橋梁，對(duì)于簡(jiǎn)支箱梁橋、連續(xù)箱梁橋和連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋，其箱梁截面尺寸可往薄壁方向設(shè)計(jì)，這將極大地減小預(yù)制梁體的質(zhì)量。此外，UHPC 在澆筑完后，需采用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，可以較大地提升UHPC 的強(qiáng)度。而預(yù)制構(gòu)件的工廠化生產(chǎn)，為UHPC 蒸汽養(yǎng)護(hù)提供了場(chǎng)地條件。

目前，在土木工程橋梁建設(shè)領(lǐng)域已表明，UHPC 預(yù)制箱梁裝配式橋梁是可行的，未來(lái)市政類橋梁可能會(huì)采用該類橋型，且UHPC 預(yù)制裝配式箱梁橋由于UHPC 突出的力學(xué)性能有望往更大跨徑發(fā)展。另外，由于UHPC 的抗壓性能是普通混凝土的幾倍，UHPC 預(yù)制空心橋墩也在不斷地探究和發(fā)展。部分專家針對(duì)拱橋也提出了UHPC 箱型拱的設(shè)計(jì)理念。

1.3.2 預(yù)制組合結(jié)構(gòu)技術(shù)在預(yù)制裝配式橋梁中的應(yīng)用

預(yù)制組合結(jié)構(gòu)技術(shù)是通過(guò)將多種土木工程材料[普通混凝土、UHPC、ECC（韌性混凝土）、鋼材、環(huán)氧樹(shù)脂膠、CFRP（碳纖維增強(qiáng)材料）等]組合成一個(gè)整體，充分利用相關(guān)材料的優(yōu)異性能，為此具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)。現(xiàn)有預(yù)制裝配式橋梁常采用的鋼混組合結(jié)構(gòu)，如工字鋼－混凝土組合梁、波形鋼－混凝土組合梁等，一般通過(guò)栓釘界面將鋼材和混凝土連接成整體。相類似的，工字鋼－UHPC 組合梁、工字鋼－ECC 組合梁、鋼－UHPC 組合橋面板等組合結(jié)構(gòu)在不斷發(fā)展，并應(yīng)用于橋梁建設(shè)中，以發(fā)揮其優(yōu)異的性能。此外，由于每種材料的力學(xué)性能存在差異，通過(guò)將材料以多層形式制備的組合梁也被廣泛研究，該種形式組合梁被稱為“三明治”結(jié)構(gòu)。以鋼－UHPC-ECC 組合結(jié)構(gòu)梁為例，為充分發(fā)揮UHPC 的抗壓強(qiáng)度和利用ECC 易變形性，則以鋼板將UHPC 和ECC 連接成整體組合受力。

預(yù)制組合結(jié)構(gòu)技術(shù)可以較大程度地發(fā)揮出材料的特性，提高梁體承載能力的同時(shí)，減小預(yù)制梁體的質(zhì)量。預(yù)制組合結(jié)構(gòu)不適用于現(xiàn)場(chǎng)澆筑，為此預(yù)制裝配式橋梁才是預(yù)制組合結(jié)構(gòu)的較優(yōu)選擇。

1.4 預(yù)制裝配式橋梁的應(yīng)用前景

預(yù)制裝配式橋梁的應(yīng)用前景比較開(kāi)闊，未來(lái)將朝著以下三個(gè)方向發(fā)展。

1.4.1 朝著施工簡(jiǎn)單化發(fā)展

預(yù)制裝配式橋梁現(xiàn)場(chǎng)拼裝對(duì)于吊裝機(jī)械的依賴性極大，且梁體拼裝的吻合程度需要人員的精準(zhǔn)對(duì)接，往往帶來(lái)的安全問(wèn)題也是比較明顯的。為了保證施工的簡(jiǎn)化，首先是從設(shè)計(jì)上，盡量減少拼接的工作量；其次是從施工上，需對(duì)拼接的精度達(dá)到系統(tǒng)性可控。

1.4.2 朝著運(yùn)輸便捷化發(fā)展

預(yù)制裝配式橋梁很突出的問(wèn)題是將預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，若要保證運(yùn)輸?shù)目旖荩皇峭ㄟ^(guò)結(jié)構(gòu)層面改變預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量，二是對(duì)工程機(jī)械的發(fā)展創(chuàng)新。

1.4.3 朝著結(jié)構(gòu)安全化發(fā)展

與現(xiàn)澆類橋型相比，預(yù)制裝配式橋梁存在薄弱位置接縫。保證接縫位置不成為結(jié)構(gòu)的主要破壞位置，以及提高接縫的極限承載能力將會(huì)成為發(fā)展預(yù)制裝配式橋梁的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)結(jié)合預(yù)制裝配式橋梁的優(yōu)勢(shì)以及設(shè)計(jì)施工特點(diǎn)，分析了預(yù)制裝配式橋梁現(xiàn)階段存在的部分問(wèn)題。預(yù)制裝配式橋梁將朝著與新型土木工程材料和新型結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)合的方向發(fā)展應(yīng)用，并尋求突破，其主要目的是施工的簡(jiǎn)化、預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸和吊裝的便捷以及結(jié)構(gòu)的安全。在一定程度上，由于新材料和新結(jié)構(gòu)的引入，預(yù)制裝配式橋梁將在傳統(tǒng)裝配式橋梁的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展創(chuàng)新，以此擴(kuò)展預(yù)制裝配式橋梁的適用范圍。