裝配式橋梁技術應用研究

宋勇強 趙小強 熊超

中交第二航務工程局有限公司第六工程分公司 湖北 武漢 430014

1 引言

橋梁作為交通基礎設施的重要組成部分和關鍵控制工程，“十四五”期間乃至2030年仍有巨大的市場需求，當前我國混凝土梁橋施工仍以現澆為主，存在質量控制難、環境影響大、勞動力消耗高等不足，不能適應新時代中國高質量發展需要，我國公路橋梁裝配化率有待進一步提高，隨著高質量發展的需求越來越迫切，發展裝配式結構、鋼結構橋梁成為國家政策導向[1]，裝配式橋梁將大量的預制塊由車間生產加工完成，主要包括分塊預制的主梁、墩柱、蓋梁等，然后通過現場吊裝作業將預制構件拼接。在現場作業方面，裝配式建造方法施工機械化程度高，需要的人力資源較少，受氣候影響小。相較于傳統的現澆法，作業量大幅減少，可以大大縮短工期。在環保方面，裝配式橋梁對節能環保大有益處，可以大量減少建筑垃圾和廢水排放[1]，降低建筑噪音與有害粉塵的排放，更加符合新形勢政策下的“綠色建筑”要求。中交二航局自2004年在國內首次大規模引入短線匹配預制工藝，完成箱梁節段預制約3.1萬榀，占國內總數約50%。以蘇通大橋為起點，攻克從設計到施工、控制、材料、裝備等成套技術難題，取得豐碩成果。

2 裝配式橋梁工藝及發展歷程

2.1 裝配式組合梁分類發展歷程

由于海上建設條件惡劣，對預制墩柱需求高；且具備大重量構件運輸、起吊作業條件，預制墩柱技術最早應用于海上橋梁；且海上橋梁預制墩柱多采用整體或大節段。由于運輸、吊裝不便，國外陸上預制墩身多采用小節段，美國預制墩柱節段多采用預應力鋼絞線/粗鋼筋+膠接縫的連接方式，國內預制墩柱發展也始于海上橋梁，且多為整節段預制；預制墩柱連接形式從現澆濕接縫，發展到墩身節段預制、膠接縫連接，我國上海率先開始在市政橋梁、公路橋梁中大規模應用預制墩柱，目前我國市政、公路橋梁多采用整節段預制墩柱，且連接形式多采用灌漿套筒。由于預制蓋梁、墩柱技術相似，預制蓋梁與預制墩柱同步發展，蓋梁由于體量

較大，運輸吊裝不便，通常采用分節段預制安裝進行輕量化，經過多年技術發展，發展出了多種預制墩柱、蓋梁連接構造，能滿足不同工程需求。

2.2 裝配式組組合梁分類

根據主梁形式不同，裝配式組合梁有多種類型：鋼箱組合梁、節段鋼桁腹板組合梁、節段鋼波腹板組合梁、鋼板組合梁、鋼桁組合梁[3]。

2.3 裝配式組合梁安裝工藝

裝配式組合梁由預制混凝土板與鋼主梁在現場或場內組合而成。組合梁預制完成后，可通過整跨吊裝、頂推、架橋機安裝、吊車散件拼裝等裝配式組合梁安裝工藝進行安裝。其中架橋機安裝法具有施工效率高、占地面積少的優點。頂推施工不影響橋下交通，不需要大型起重設備，也沒有高空作業，特別適合于城市橋梁、特大跨度橋梁、長線引橋和立體交叉的施工[4]。汽車吊散件拼裝具有制作簡單，裝拆方便，受地形限制小的優點。整垮吊裝具有施工快速，起重量大的優點。

3 裝配式橋梁產品工業化建造實踐

3.1 裝配式橋梁介紹

將整跨箱梁設計成若干個節段，在預制臺座上利用專用模板系統逐榀匹配、流水預制，運至橋位，由架橋機等工具進行現場組拼成橋，混凝土節段梁是一種典型的預制構件[3]，由整跨箱梁按照一定吊重尺寸沿順橋向劃分而來。節段在預制臺座上利用專用模板系統逐榀匹配、流水預制，運至橋位，由架橋機等工具進行現場組拼成橋[2]。目前混凝土節段梁已廣泛應用于我國跨江跨海大橋、市政高架橋中。混凝土節段梁預制包括鋼筋骨架綁扎安裝、模板調位與合模、匹配澆筑以及轉運堆存等幾個環節，節段預制周期達到2d/節，節段梁存放期滿后可采用模塊車、駁船運輸至橋位，由架橋機、橋面吊機進行安裝，節段間通常需涂抹結構膠并張拉預應力。

3.2 裝配式節段梁預制

混凝土節段梁是一種典型的預制構件，由整跨箱梁按照一定吊重尺寸沿順橋向劃分而來。節段在預制臺座上利用專用模板系統逐榀匹配、流水預制，運至橋位，由架橋機等工具進行現場組拼成橋[2]。目前混凝土節段梁已廣泛應用于我國跨江跨海大橋、市政高架橋中混凝土節段梁預制包括鋼筋骨架綁扎安裝、模板調位與合模、匹配澆筑以及轉運堆存等幾個環節，節段預制周期達到2d/節，節段梁存放期滿后可采用模塊車、駁船運輸至橋位，由架橋機、橋面吊機進行安裝，節段間通常需涂抹結構膠并張拉預應力。

3.2.1 大跨墩頂塊預制

前期研發的關鍵技術，港珠澳香港段節段梁跨徑180米，墩丁塊尺寸為9米長，10米高，重約幾百噸。采用大型浮吊施工造價較高，為此研發了全預制分段殼體結構，單重小于220t，采用架橋機來回踩位的方法安裝。墩丁塊預制采用A+B+A(A梁預制（見圖1）+B梁夾心預制（見圖3）+A梁內隔墻澆筑（見圖2）+B梁橫板澆筑（見圖4）)的夾心預制技術，隔墻及橫板：可作為二次澆筑模板，內壁剪力鍵：無需預留連接鋼筋。解決了墩頂塊預制難題，大幅提高了預制效率和施工質量,大跨墩頂塊預制全預制分段殼體結構，減少了后澆量；研發了夾心預制技術，解決了墩頂塊預制難題，大幅提高了預制效率和施工質量。技術優勢：減少匹配次數提高效率,二次澆筑，模板設計及拆裝難度小。

圖4 B梁橫板澆筑

3.2.2 大跨徑變截面節段匹配預制

針對大跨徑變截面節段梁尺寸變化大的特點，從鋼筋綁扎、模板、堆存等方面進行了全面創新：

高大腹板鋼筋綁扎：分離式可調鋼筋綁扎胎架，可實現腹板鋼筋整體翻轉安裝。

自動化液壓模板系統：調節塊適應變截面、大塊鋼模方便拆裝、局部柔性適應三維扭曲。

3.3 節段梁安裝

不斷創新梁段安裝工藝，提升架橋機安裝的適用性，對于小曲率半徑節段梁，架橋機需適應曲率半徑的變化。研發出一種可彎折架橋機，通過主梁間的偏轉鉸實現導梁彎折，確保支腿均支立于墩頂塊上。對于大跨節段梁，節段重量及跨度的增長對架設裝備及工藝提出了更高的要求，當跨徑大于70米后，架橋機主梁鋼結構為了承擔自重和節段梁荷載需要做得足夠強大，基本上就不經濟了。所以，對于大跨節段的吊裝基本采用橋面吊機。為解決鋼齒坎安裝麻煩、預留孔洞多的問題，提出一種安拆便利、結構輕巧的剪力錐構造，永久預應力張拉之前，要用臨時預應力拉緊節段保證節段間0.3～0.5MPa的壓應力，臨時預應力的鋼赤坎安裝麻煩、而且很笨重，轉換時抬不動。同時預留孔洞多，后期不好修補也容易滲水。在某段開發了一種新型的剪力錐構造，結構輕巧，安拆方便，孔洞少，修補易，預埋精度要求低。

節段梁安裝要精細化施工控制，研究并提出成套控制方法及配套軟件，達到毫米級的精度控制目標，將橋梁施工全過程納入施工控制系統，包括模型計算與預測、誤差分析與修正、預制放樣與拼裝測量等[3]。另外就是節段梁的線形控制。我們研發了成套控制方法及配套軟件，達到毫米級的精度控制目標。因為匹配預制，需要在預制場還原兩兩匹配節段的相對關系，需要對線形進行精確測控。研發的線控軟件將橋梁施工全過程納入施工控制系統，包括模型計算與預測、誤差分析與修正、預制放樣與拼裝測量等子系統。精度與國外同類軟件比經工程驗證滿足要求，同時徹底將費用打下來。

3.4 組合結構與預制拼裝技術

將組合結構與預制拼裝技術相結合，可實現節段梁的輕型化。

結構優點：自重降低25%，跨越能力強、充分發揮材料性能、解決接縫抗剪問題、造型美觀、裝配化建造。

技術難點：連接構造需適應預制拼裝、接縫對組合梁受力性能影響鋼混節段梁施工期受力、波腹板入模及定位、全過程施工控制。

3.5 技術研究

3.5.1 連接構造研究

①在節段梁的研究基礎上，結合波腹板組合梁的特點，比選出便于施工、受力可靠的連接構造（見圖5）。首先是比選便于施工、受力可靠的連接構造，包括波腹板間接縫和混凝土是同縫還是錯縫布置，波腹板之間是栓接還是焊接，又或者栓焊組合（見圖6）。

圖5 接縫方案比選

圖6 連接構造

②為便于波腹板定位及鋼筋籠下放，提出一種新型連接件，開展四組對比試驗，驗證了其受力性能，特點是：翼緣板兼做底模，便于波腹板定位，無需貫穿連接鋼筋鋼，便于筋籠整體下放。連接構造的主要問題就是解決頂底板鋼筋籠整體預制與波腹板的連接。常規剪力鍵都需要后穿鋼筋（見圖7），無法保證頂底板鋼筋籠的整體安裝，影響施工效率。提出一種新型連接件，翼緣板兼做底模，便于波腹板定位，無需貫穿連接鋼筋鋼，便于筋籠整體下放。開展了四組對比力學試驗，驗證了其受力性能滿足要求。

圖7 剪力鍵布置

3.5.2 整體受力性能研究

開展了波形鋼腹板節段梁縮尺模型試驗，研究了接縫、連接、預應力對整體受力性能的影響規律，接縫帶來的抗彎折減系數為0.80~0.9之間；偏載下位移、剪應力分別放大15%/25%左右。這些都為波腹板節段梁的設計提供了理論基礎。足尺模型試驗，掌握了新型節段箱梁抗扭、橫向彎曲受力性能及其計算方法。

3.6 工程應用

3.6.1 節段預制--鋼筋骨架入模及波腹板定位

鋼筋骨架采用分部入模工藝，通過三向調位裝置實現波腹板精確定位,其中采用分部還是整體入模工藝也是我們工藝試驗的一個重點。所謂分部、整體，試驗中發現整體入模，波腹板在模板中需要二次定位，反倒更花時間，最后決定采用分別綁扎好頂底板鋼筋籠，和波腹板在模板系統里分部安裝的工藝。

3.6.2 節段預制--梁段吊裝及存放

開展梁段吊裝及存放計算分析，確定吊點以及支點布置，并提出交叉型鋼截面變形控制措施。從足尺模型試驗也可看出，因剛度低，橫向變形較常規節段梁大4~5倍，研發了x形交叉型斜撐控制橫向變形能減少至0.8mm，抗扭性能得到明顯加強。另外，從8吊點優化至12吊點，頂底板無開裂風險。

3.6.3 節段預制--節段安裝

0號塊現澆、1~2號塊支架拼裝，標準節段采用架橋機進行懸拼安裝。

3.6.4 節段預制--匹配預制施工控制

為實現精細化控制，將施工控制延伸至準備階段和波形鋼腹板制造階段，并提出波腹板定位標準見下表1。

表1 波腹板定位標準

3.6.5 節段預制-推廣

作為國內乃至國際首創，成套技術豐富了裝配式橋梁類型，可改善常規節段梁橋接縫性能，顯著降低結構自重，增強觀賞性，具有良好的應用前景。

4 預制橋面板

4.1 預制橋面板施工工藝

4.2 新型橋面板結構

通過高性能材料（UHPC）的應用，增強預制橋面板力學性能、耐久性、耐磨性，提升產品質量。優化預制橋面板連接構造，提升接縫力學性能及現場安裝工效。在常規UHPC組分中，加入粒徑不大于8mm的粗骨料和細度模數為2.6~3.0的細骨料，在保證結構的超高強度、耐久及耐磨的基礎上，節約原材料成本。通過智能化生產線降低生產中的人為因素干擾，提升橋面板預制質量。

5 結束語

裝配式橋梁將大量的預制塊由車間生產加工完成，主要包括分塊預制的主梁、墩柱、蓋梁等，然后通過現場吊裝作業將預制構件拼接。在現場作業方面，裝配式建造方法施工機械化程度高，需要的人力資源較少，受氣候影響小。相較于傳統的現澆法，作業量大幅減少，可以大大縮短工期。在環保方面，裝配式橋梁對節能環保大有益處，可以大量減少建筑垃圾和廢水排放，降低建筑噪音與有害粉塵的排放，更加符合新形勢政策下的“綠色建筑”要求。

在質量提升方面，降低制造過程人為因素干擾，大幅提升質量與效率。