預制裝配式混凝土橋梁研究現(xiàn)狀綜述

麥日浩 江松柏

（海南科技職業(yè)大學，海南 海口 570100）

0 引言

預制裝配式混凝土橋梁較傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋梁而言，具有綠色環(huán)保、建造效率高等優(yōu)勢，更符合建筑工業(yè)化、建筑產(chǎn)業(yè)化和綠色建筑等發(fā)展理念，目前被廣泛應用于河海、山地和市政道路等不同場地的橋梁建設中。

裝配式石橋、木橋、木石橋在我國有著悠久的歷史，預制裝配式混凝土橋梁的歷史卻很短，這與混凝土應用史有關。盡管預制裝配式混凝土橋梁起步晚，人們對其的研究卻不少。本文結合近年的文獻從預制裝配式混凝土橋梁上部結構、下部結構的預制拼裝及其抗震等性能和高性能新材料、BIM 技術應用等方面綜合闡述預制裝配式混凝土橋梁的研究現(xiàn)狀，并展望其研究前景。

1 上部結構的預制裝配及其性能研究

1951 年在Lahn 河上建造的第一座懸臂澆筑施工的預應力混凝土橋梁，形成現(xiàn)代意義上的懸臂澆筑施工法[1]。我國1966 年竣工的成昆鐵路舊莊河一號橋便采用預制節(jié)段懸臂拼裝施工法[2]。進入21 世紀后，隨著技術的逐漸成熟，上部結構預制裝配式橋梁在我國得到推廣和運用。橋梁上部結構的預制裝配工藝有：預制裝配鋼-混組合梁、階段預制拼裝預應力束體系、預制拼裝混凝土等[3]。

宋琢等[4]通過改進裝配式防撞欄桿的施工方法，節(jié)約了工期和施工成本，同時驗證了連接節(jié)點的可靠性。汪清泉[5]通過對高烈度區(qū)裝配式公路橋梁不同橋型抗震性能進行研究，表明在Ⅷ度烈度區(qū)進行裝配式橋梁抗震時可不考慮豎向地震作用；但該烈度地震作用下裝配式簡支橋梁橫橋向抗滑移穩(wěn)定性難以滿足要求。霍靜思、鐘瓊等[6-7]提出了一種預制裝配式鋼-混組合梁，并通過試驗驗證其工程可行性，該組合梁較現(xiàn)澆結構形式具有較大抗彎承載力和更好的延性，但存在預制裝配組合梁混凝土板頂面縱向裂縫開展較現(xiàn)澆結構形式更快等不利影響。李成君等[8]進行了不同層級縱向荷載作用下剪力釘（鋼-混組合梁中混凝土和鋼的剪力連接件）抗剪性能與極限承載力試驗研究，結果表明：裝配式剪力釘試件的抗剪承載力較常規(guī)剪力釘試件提高20%以上；剪力釘周邊核心區(qū)域混凝土所受到的約束作用對剪力釘縱向抗剪承載力和延性的提高有促進作用。趙秋等[9]提出了一種裝配式鋼-UHPC 組合橋面板彌補了鋼-UHPC 組合橋面板所使用的傳統(tǒng)剪力連接件的不足，并通過有限元軟件ANSYS 建模進行受力性能研究，結果表明：該裝配式鋼-UHPC 組合橋面板能滿足工程實際要求，且能較大程度地避免純鋼橋面板疲勞等危害。

2 下部結構的預制裝配及其性能研究

下部結構為主要承重部位，預制構件間連接節(jié)點的處理更為復雜，其裝配化施工的研究相對上部結構較晚，目前下部結構裝配式多數(shù)為橋墩、蓋梁預制拼裝，基礎、承臺現(xiàn)場澆筑，國內(nèi)典型的工程如上海嘉閔高架北二段工程、無錫鳳翔路工程、長沙湘府路工程等。近年來“全裝配式橋梁”（即主梁、擋土墻、防撞護欄、蓋梁、橋墩、橋臺、樁基等均為預制拼裝）在城市市政橋梁中得到推廣應用，全裝配式橋梁對連接節(jié)點的安全和可靠提出了更高要求。

下部結構預制構件之間的連接方式有：灌漿套筒連接、波紋管漿錨連接、UHPC現(xiàn)澆濕接縫連接、后張預應力筋節(jié)段連接、承插式或插槽式接縫連接等，其中，后張預應力筋連接屬于“非等同現(xiàn)澆”連接體系，其余屬于“等同現(xiàn)澆”連接體系，灌漿套筒連接、波紋管漿錨連接和UHPC 連接更為常用[10]。灌漿套筒多預埋于墩身，對橋墩塑性鉸的部位和損傷狀況有所影響；灌漿金屬波紋管多預埋于承臺或蓋梁內(nèi)；UHPC連接在承臺與橋墩、承臺與蓋梁連接時更具適應性，且施工流程較前兩類拼接方式更為簡化[10]。

薛文浩[11]針對方鋼管約束的裝配式混凝土橋墩進行擬靜力對比試驗研究，結果表明：與傳統(tǒng)的裝配式混凝土橋墩和現(xiàn)澆混凝土橋墩相比，灌漿套筒連接的方鋼管約束的裝配式混凝土橋墩水平承載力更高，且具有良好的抗震性能。包龍生、王娟等[12]建立節(jié)段預制無粘結后張預應力環(huán)形截面橋墩的有限元模型，探討預應力度、預應力筋配筋率、普通鋼筋配筋率對結構抗震性能的影響規(guī)律。葛繼平等[13]介紹了基于性能設計的橋梁設計方法，總結了裝配式預應力混凝土的工程應用和抗震性能研究現(xiàn)狀。歐智菁等[14]探討了裝配式橋墩的連接方式、施工工藝及檢測方式等。橋墩是影響橋梁結構抗震性能的關鍵構件，故裝配式橋梁抗震性能的研究多集中于其下部結構，張于曄[15]從抗剪能力、結構剛度、自復位能力和延性耗能等方面對比分析了提高裝配式橋墩抗震性能的不同方法，認為接下來裝配式橋墩抗震研究應從裝配式雙柱墩、裝配式橋墩地震作用下的傳力機理和接縫處的力學行為等方面開展，進行裝配式橋墩抗震研究時應考慮整個橋梁結構。

3 高性能新材料的應用

高性能新材料的應用是改進結構性能的重要途徑。應用于裝配式混凝土橋梁的高性能新材料目前主要有：纖維增強復合材料、形狀記憶合金和超高性能混凝土[3]。

Zhang 等[16]將一種超高性能纖維混凝土（UHFRC）應用于預制分段墩部橋墩墩柱底部，提高其側向承載力與耗能能力。邵旭東等[17]以超高性能混凝土（UHPC）為基礎，研發(fā)了裝配式UHPC 箱形結構、全預制UHPC“π”形梁和全預制鋼-UHPC輕型組合“π”形梁三種高性能裝配式主梁，使裝配式混凝土主梁實現(xiàn)自重降低、施工方便、抗腐蝕、抗凍、防滲漏性能優(yōu)良等方面的改進。Zhuo 等[18]將高強耗能鋼筋應用于預制分段式橋墩連接，以提高其耗能能力、側向剛度和自復位能力。耿佳碩[19]基于采用UHPC 連接的裝配式橋墩擬靜力試驗，通過有限元軟件ABAQUS 建立相應橋墩模型進行研究，結果表明：采用UHPC 現(xiàn)澆連接的裝配式混凝土橋墩可在一定程度上提高其自身的水平承載力和結構的延性。劉傳飛[20]分別對灌漿套筒橋墩、UHPC 連接橋墩和現(xiàn)澆橋墩三種縮尺橋墩試件進行低周反復荷載試驗和靜力破壞試驗，研究表明：裝配式橋墩UHPC連接節(jié)點的力學性能基本達到“等同現(xiàn)澆”，優(yōu)于鋼筋套筒連接節(jié)點。

高性能新材料的使用仍存在成本較高、新材料與傳統(tǒng)材料之間的界面易開裂和性能不連續(xù)等問題。

4 BIM技術的應用

BIM 作為一種新興的信息技術，具有三維可視化、參數(shù)化、信息化、模擬性、協(xié)同性、可出圖、可優(yōu)化、一體化等特性，應用在土建領域能大幅提高設計、施工效率，同時BIM 可與3D 打印、AR、VR、大數(shù)據(jù)和云技術等其它技術相結合，實現(xiàn)整個BIM 項目的信息管理[21]。BIM 技術的應用有助于提高預制裝配式混凝土橋梁的工業(yè)化生產(chǎn)、標準化施工和預制構件的深化設計。

李志峰[21]提出了基于Revit為核心建模軟件的參數(shù)化設計流程，通過創(chuàng)建標準族，參數(shù)驅(qū)動裝配式鋼板組合梁橋全橋BIM 模型的快速創(chuàng)建；借助Revit 和Navisworks 軟件，研究了基于BIM 技術的鋼板組合梁橋虛擬施工方法。陳文寶等[22]利用BIM 技術完成江西贛州快速路全預制裝配式橋梁項目的建模、深化設計、施工模擬、項目管理、數(shù)字化生產(chǎn)管理等工作，為BIM 技術在裝配式市政橋梁上的應用積累經(jīng)驗。周群等[23]應用Bently平臺建立BIM模型，基于南寧市快速綜合整治項目（北湖立交）改造工程的設計管理提出優(yōu)化方案，為BIM 技術應用于裝配式市政橋梁的設計管理提高效率提供參考。

5 結束語

綜合相關文獻，鋼-混組合橋梁結構剪力連接件、下部結構的連接構造、高烈度地區(qū)抗震性能研究和高性能新材料的應用等是目前預制裝配式混凝土橋梁領域的研究熱點，BIM 技術能大幅提高設計與施工效率。未來預制裝配式混凝土橋梁還需從以下幾個方面進行進一步的研究和發(fā)展。

（1）構件或部品標準化仍不足，全國范圍內(nèi)可建立相對完善的標準構件庫，裝配式混凝土橋梁預制時可直接從中選取合適的構件類型與尺寸或經(jīng)過簡單改進可使用，提高設計效率。

（2）下部結構尤其是橋墩作為整個橋梁結構力學性能中的關鍵構件，應不斷優(yōu)化其施工工藝和連接構造，深入研究各種連接方式的工程應用與抗震等力學性能。

（3）高性能新材料的應用能提升裝配式混凝土橋梁的整體力學性能，有望突破現(xiàn)有的技術瓶頸，在持續(xù)研究高性能新材料的應用時，應注意新材料與傳統(tǒng)材料連接界面的穩(wěn)定及兩者力學性能的連續(xù)。

（4）BIM 技術能大幅提高設計與施工效率，目前國內(nèi)大型設計與施工企業(yè)已較為普及。此外，應綜合考慮預制場地、預制工藝、運輸裝配和相關技術人員的培訓，以提高預制裝配式混凝土橋梁的生產(chǎn)和安裝效率，同時減少裝配式橋梁的建造成本。