装配式混凝土桥梁设计施工关键问题研究

丘福连 欧智菁 林上顺

(福建工程学院，福州 350118)

0 引言

采用传统的现场浇筑混凝土的桥梁施工方法，与如今加快生态文明建设、绿色发展、推动新型工业化发展的理念相悖[1]。 具有钢桥和混凝土桥各自优点的装配式混凝土桥梁，发挥材料各种优势的合理性及便于施工的优点[2]，越来越广泛地应用于跨海大桥、城市桥梁等，取得了显著的经济效益和社会效益。 世界各国都在追求建筑的工业化，而装配式混凝土桥梁结构的标准化和模数化，能够推动新型工业化的发展、提高劳动生产率，同时积极响应了建设绿色城市的号召[3]。并且装配式混凝土桥梁已经在国外的桥梁工程中得到广泛应用， 发展装配式桥梁结构是建设工业化的必由之路。

我国于20 世纪60 年代开始对装配式混凝土桥梁进行研究[4]，成昆铁路旧庄河的一号桥于1966 年建成[5]，采用悬臂拼装的装配式方法，连接香港、澳门、珠海的港珠澳大桥也熟练地运用到装配式预制桥梁技术[6]。除此之外，上海嘉闵高架桥、国定东路下匝道桥梁、杭州湾跨海大桥等都将装配式技术运用其中。

我国混凝土装配式技术已经比较成熟地运用于大型跨海大桥建设中，在城市高架或桥梁等工程运用较少。混凝土装配式桥梁的施工工序， 如工厂预制节段、 节段运输、 施工现场将其拼装等， 能够有效解决城市因交通复杂、交通量大而造成的短施工周期的问题，同时有效地保护城市环境，减少对市民出行的影响。

1 预制装配式混凝土桥梁特点

预制装配式混凝土桥梁的构建由工厂统一严格生产，相比于现浇，质量更能得到保障，运输到现场后安装连接，有效提高施工效率，同时也能减少对周边环境的干扰。 总结起来，装配式混凝土桥梁具有如下优势。

装配式混凝土桥梁技术中，因部件生产的统一标准，使得同一部件能运用在多种桥梁上， 能够推动新型工业化的发展；由工厂规模化生产、运输到现场拼装连接，能够提高劳动生产率，减少对环境的污染，因此混凝土装配式桥梁技术还积极响应了国家建设绿色城市的号召。

现阶段，市场经济发展迅速，人民生活质量、水平明显提高，因此劳动力相比于过去出现资源短缺的现象，而装配式混凝土桥梁技术使得桥梁施工变得更机械化、简单化，可减少劳动力的使用，符合现阶段的劳动力情况。

2 主梁装配式施工技术

预制装配式混凝土桥梁的上部结构主要有板梁、T梁、组合箱梁等结构形式，主要应用于中小跨径桥梁。 目前主梁的预制拼装技术主要有悬臂拼接施工法和移动支架逐跨施工法[7]，发展相对比较成熟。

(1)悬臂拼接施工法

悬臂拼接是指从桥墩两侧用专门的悬臂吊机[8]，将其安装在已建成的节段上，吊起桥梁节段，由施工人员将该节段与已成型的节段锚固在一起， 逐步向跨中合龙的技术，如图1 所示。 悬拼施工工序主要包括工厂预制构件、构件的运输[8]，梁段起吊拼装、悬拼梁体体系转换、合拢段施工，节段的预制是悬臂拼接技术的基础。

图1 悬臂拼接施工法

(2)移动支架逐跨施工法

移动支架逐跨施工方法，顾名思义，是指利用能够纵向移动的支架， 将预制梁体节段运到施工位置进行拼接或者利用移动模板现浇梁体， 并逐跨对其施加预应力的方法。

图2 移动支架逐跨施工法

3 装配式混凝土桥梁下部结构主要连接方式

装配式混凝土桥梁的下部结构之间的连接是该技术的关键，包括墩身节段之间、墩身与承台之间及墩身与盖梁之间的连接[9]，主要以承受压力为主，连接的方式主要为灌浆套筒、灌浆金属波纹管、预应力筋、承插式连接等。下面分别对这些连接方式进行介绍。

3.1 灌浆套筒连接

灌浆套筒连接方法指将钢筋插入专门制定的套筒中，其间隙用高强度水泥基灌浆料填充，待填充物凝固后将钢筋锚固在套筒内的一种常见的装配式混凝土桥梁下部结构的连接方式。

该技术对施工精度的要求比较高， 但能够有效减短施工时间，减少现场的施工工作量，其力学性质在正常使用的前提下与传统的现浇施工方法类似， 却比传统的现浇混凝土桥墩更加经济， 并且已广泛用于低地震危险区域。 下面以嘉闵高架桥为例介绍灌浆套筒连接技术在装配式混凝土桥梁中的应用。

嘉闵高架路位于嘉定区内，全长为1.56km，车道数为双向六车道。上部结构以预应力砼连续箱梁为主，在跨路立交地段采用钢箱梁。

图3 嘉闵高架路装配式柱式墩台施工

嘉闵高架路是国内首次大规模采用装配式混凝土桥梁拼装技术的工程。其中盖梁上部为现浇部分，盖梁下部为预制构件， 在立柱位置设套筒与上节立柱以套筒压浆连接；上节立柱下端设套筒和下节立柱以套筒压浆连接，上端设预留主筋；下节立柱长为3m 的固定长度，下端设锚固钢筋和现浇承台固结，上端设预留主筋。

钢筋与套筒接头的处理方式包括全灌浆接头和半灌浆接头两种。 全灌浆接头即接头两端的带肋钢筋均采用灌浆连接，其结构如图4a 所示。 半灌浆接头则是一端同全灌浆接头一样采用灌浆连接， 但另一端采用的是螺纹连接，其结构如图4b 所示。

如图5、图6 所示，全灌浆接头连接一般用于横梁受力的钢筋与套筒的连接，而预制柱等钢筋受竖向力时，一般采用半灌浆接头方法与套筒连接， 也可采用全灌浆接头。

图4 灌浆接头结构示意图

图5 横向受力钢筋接头处理示意图

图6 竖向受力钢筋接头处理示意图

3.2 灌浆金属波纹管连接

灌浆金属波纹管连接方法常用于墩身与承台或墩身与盖梁之间的连接。 该连接方法是将预制墩身内预留的钢筋插入承台或盖梁体内预留的灌浆金属波纹管内，并采用砂浆垫层填充两者的接触面的连接技术[10]。

该连接方法同灌浆套筒一样能够有效减短施工时间，力学性能也与传统现浇混凝土桥墩类似，但其纵向钢筋需要有足够的锚固长度，连接构造如图7 所示。

图7 灌浆金属波纹管连接构造

下面以国定东路下匝道桥梁为例介绍该连接技术。

国定东路下匝道桥梁，除桩基承台外，预制拼装技术运用于上、下部构件，承台与立柱的连接方式采用的是新型灌浆金属波纹管连接技术， 拼接缝处采用高强砂浆连接[11]，如图8 所示。 施工方案为采用立柱底部先座浆，波纹管单个压浆。 此工艺施工时，承台顶铺设M60 垫层砂浆， 在立柱坐落在垫层砂浆上之后不得再进行立柱垂直度调节，防止出现立柱底与砂浆脱离的现象。

图8 承台立柱连接示意图

3.3 有粘结后张预应力筋连接

有粘结后张预应力筋连接构造通过预埋管道、穿筋、张拉、灌浆，配合砂浆垫层或环氧胶接缝构造实现节段预制桥墩的建造[12]，如图9 所示。 同前面介绍的两种连接方法一样， 有粘结后张预应力筋连接的变形能力也与现浇混凝土桥墩相近，但其缺点是耗能能力较弱[12]，且墩身的造价相对传统现浇混凝土桥墩要高出许多， 同时现场施工的工艺复杂，施工时间较长。

图9 节段拼装桥墩系统及施工方法

国内的港珠澳大桥桥梁工程非通航孔桥预制墩台施工就运用到了后张预应力筋连接技术， 下面对其施工进行介绍。

港珠澳大桥全长为49.968km，其中主体工程“海中桥隧”长达35.578km，车道数为双向六车道，设计行车速度为100km/h。

港珠澳大桥的桥梁下部墩身与承台为一体预制；其中，承台为倒凹形结构，其上设有多个导向孔、多个排气补注孔和多个支撑垫板；承台位于水平防冲垫层上表面，墩身与承台围成的空腔下口为防冲垫层封闭， 空腔内充有填芯混凝土；每个导向孔内固接有一导向桩，导向桩垂直穿过防冲垫层插入海、江或河床中；多个支撑桩与承载桩分布在预制基础下方，垂直穿过防冲垫层插入海、江或河床中，与防冲垫层、空腔内填芯混凝土固接；支撑桩或承载桩的桩顶有填芯混凝土， 填芯混凝土顶面为桩顶设计标高，桩顶填芯混凝土高度5～30m；其中，支撑桩的桩顶设支撑桩定位构件， 支撑桩定位构件与承台内顶面的支撑垫板相对应，并经支撑桩定位构件与支撑垫板固接。图10 所示为港珠澳大桥装配式柱式墩台施工。构件间连接采用墩帽顶上张拉。

图10 港珠澳大桥装配式柱式墩台施工

3.4 承插式连接

承插式连接主要应用于桥梁立柱与承台之间的快速连接[13]。 承插式连接一般是将预制墩身插入基础对应的预留孔内， 施工方法为将立柱安放在浇筑完成的承台预留孔内，后用高强度混凝土填充，或者先将立柱安放到正确位置，与承台一次性浇筑完成。 其结构示意图如图11所示。

图11 承插式连接构造示意图

承插式连接方法施工工序相对简单， 现场作业量也较少，但其整体的抗震性能有待进一步研究。北京积水潭桥的施工中便采用了承插式连接。

4 预制节段接缝拼接方式

构件接缝拼接方法通常采用三种方法处理， 如表1所示。

表1 三种接缝拼接方法

4.1 干接缝

干接缝是指节段接缝间用起润滑、锚栓、防水、传递应力等作用的无溶剂型环氧树脂胶结剂粘结成一个整体的拼接方式[15]。

当使用了体外索的预应力混凝土节段或接缝处无冰冻稳定现象时可采用干接缝，相比于湿接缝，干接缝安装速度较快，但其水密封性不完全，影响后期施工的质量，预应力索的防腐效果相应降低[16]，受力及耐久性方面存在缺陷。

4.2 湿接缝

湿接缝一般用于大跨度连续梁、 预制的预应力混凝土梁体间接缝的连接。 在雨水区及沿海区域所建设的预应力混凝土梁体段间的接缝一般采用湿接缝， 它不仅适用于体内索，也适用于体外索，湿接缝的密封性好，能有效防止水汽入侵[14]，保护体内的钢筋，同时，相比于干接缝，能承受一定的拉力。

4.3 胶接缝

相对于湿接缝来说，胶接缝最大特点就是，在接缝处理方面采用环氧树脂拼接胶代替混凝土连接， 同时在环氧树脂拼接胶固化之前需要加载临时预应力， 拆除临时预应力的时候， 应以保证整个施工阶段接缝不出现拉应力为原则。 如图12 所示，T 梁或者箱梁在架设完成后留在两片梁翼缘之间的缝隙用环氧胶粘剂粘合为一体。

图12 胶接缝拼装

5 预制装配式技术与BIM 技术的结合

近年来， 建筑行业已逐渐趋向信息化和模型化，工程建设设计也与BIM 等技术紧密结合。 在公路、市政行业中，装配式混凝土桥梁采用工厂预制和现场拼装的形式，构件相对较为标准，易实现模块化的设计、生产和管理[17]，符合BIM 技术的内在要求，因此，预制装配式技术与BIM 技术的结合可待。

通过BIM 技术进行的信息建模[17-18]，如建立三维模型，一方面更便捷地进行图纸设计，为预制厂和现场安装提供非常直观的图纸，同时利于设计、施工、监理等不同职能岗位的相互沟通与交流；另一方面，可以对预制构件的进行碰撞检查并进行优化设计，能够提高构件钢筋、预应力波纹管、钢绞线等材料的下料精度，提升预制构件的质量，节省不必要的材料浪费，减少施工成本，并能更好达到设计外观效果， 同时避免制造和安装过程中出现钢筋冲突、构件不匹配、连接不紧密等问题。 即便出现这些问题，也可以通过BIM 技术进行在线、实时地调整，从而为现场操作提供直接指令，提高效率。 通过BIM 技术还能够进行施工方案模拟，优化施工方案，确保实施预制拼装技术施工可行性和施工质量， 有效提高了施工管理水平，缩短施工周期[19]。

6 结语

装配式混凝土桥梁技术不仅能够保证构件的施工质量，同时达到要求的结构性能，并显著提高工程施工的效率，减少环境污染和人力成本。 论文主要总结了如下几点：

(1)装配式技术降低桥梁施工时对现状交通的干扰、提高施工质量、缩短施工周期、改善施工场所的安全性、降低施工中产生的噪声等对周围居民和环境的影响。

(2)装配式混凝土桥梁预制构件间的连接包括墩身节段之间、墩身与承台之间及墩身与盖梁之间的连接，连接方式主要为灌浆套筒、灌浆金属波纹管、有粘结后张预应力筋连接、承插式连接等，目前应用广泛的连接方式为灌浆套筒连接。 当使用了体外索的预应力混凝土节段或接缝处无冰冻稳定现象时可采用干接缝； 在雨水区及沿海区域建设的预应力混凝土梁体段间的接缝一般采用湿接缝；胶接缝同湿接缝，但所用材料不同，施工要求更高。

(3)目前装配式混凝土桥梁没有完全实现构件的组拼，部分还是需现浇。灌浆套筒等连接方式工艺较复杂，连接效果、连接质量、施工质量不能完全保证。因此，在未来我们应着力于改进装配式混凝土桥梁的连接方式， 提出快速连接、质量可靠的新型连接形式，同时结合BIM 等技术，优化施工方案，确保施工质量，缩短施工周期。