国际快速施工桥梁技术新进展

文 北京交通大学土木建筑工程学院 陈安 郭文健 孙静

近年来，随着国民经济发展，现代化进程加快，国民对公路桥梁的通行要求进一步提升。一方面，在保证桥梁结构安全性和耐久性之外，还应通过快速施工来减少对交通的影响，降低对施工现场周围的噪声和环境污染；另一方面，由于原先等级较低的桥梁受到车辆荷载的增加、环境侵蚀和结构老化等多方面的影响，导致桥梁结构性能变差，承载能力下降，使得安全性和耐久性降低，需要维修或构件更换。在这种情况下，快速施工桥梁技术应运而生。

快速施工桥梁技术的优势

快速施工桥梁(Accelerated Bridge Construction，ABC)是一种创新技术，运用新的规划、设计、材料和施工方法，采用高度预制化和快速拼装的形式，缩短建造新桥梁或更换、修复现有桥梁，以及现场施工和施工造成交通堵塞的时间，有效保证了桥梁质量，保障了安全性和经济性。

与传统现场施工技术相比，快速施工桥梁技术，优点更多，包括建设时间可以缩短至数周甚至数天之内；高度预制化可有效把控桥梁构件和成桥质量，提升生产和施工效率及施工安全性；减少了现场作业量，简化了现场设施，并降低人力投入，节约了建造成本，还在一定程度上降低了对施工现场及周围环境的不利影响，比如减少了施工噪音，降低了粉尘污染等；由于预制构件的模数化，该技术使得后期对于损坏构件的更换和维修更为简便。

在国外对快速施工桥梁的研究内容中，80%左右是关于预制构件组装和连接的研究，15%左右是关于桥梁上部结构的型式和材料的研究，5%左右是关于下部结构的研究。这是由于预制构件的连接在整体性和抗震性能方面起着至关重要的作用，决定着快速施工桥梁的方法是否可行。

快速施工桥梁的结构型式

桥面板

应用于快速桥梁建设的桥面板，主要是全高预制混凝土桥面板，其生产质量易于控制、桥面板间的连接及桥面板和主梁间的连接，相比于部分预制混凝土桥面板更加简便。目前，全高预制桥面板的型式由最初的混凝土桥面板发展为多种改型的桥面板型式，一方面是为了改善混凝土板受弯引起下部开裂的问题，另一方面是减轻桥面板的自重，优化结构设计。美国佛罗里达国际大学土木与环境工程系萨哈尔·加西米（Sahar Ghasemi）等提出一种超轻超薄实心桥面板，其采用非对称双向密肋板的型式，如图1所示。这种不对称来自于主次肋的布置，肋条分别垂直于交通方向和平行于交通方向。密肋板由超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）和高强度钢（High Strength Steel，HSS）或碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber-Reinforced Polymer，CFRP）加固而成。采用UHPCCFRP桥面板，一方面可以发挥CFRP轻质高强的特性，另一方面由于UHPC的存在，可以改善CFRP变形过大的问题，从而形成一个整体的延性体系。

图1 非对称双向密肋板

图2 预制混凝土桥梁护栏

加拿大艾伯塔大学塔瑟夫·桑森（Tassew Samson）等研究了陶瓷预制混凝土板作为桥面板的可行性。胶凝材料采用磷酸盐水泥来代替传统的硅酸盐水泥，因为磷酸盐水泥与普通的硅酸盐水泥相比，早期强度增长更快，尺寸稳定性好，并且具备更好的耐火性能。通过实验研究表明，陶瓷预制混凝土板的板带刚度和强度可以达到要求，是一种可行的替代方法。

美国佛罗里达国际大学土木与环境工程系亚扎德·贾比里·贾罗米（Azadeh Jaberi Jahromi）等提出一种新的桥面板连接方式，将搭接钢筋接头做成90度弯钩型式，再利用直筋横向加固，最后浇筑混凝土。这种连接方式可以减小钢筋的搭接长度，并且提高桥面板连接处的延性。

加拿大瑞尔森大学赛义德·艾哈迈德·马哈茂德（Sayed-Ahmed Mahmoud）等研究了采用GFRP（Glass FRP）筋加固的全高预制混凝土桥面板间连接的疲劳强度，桥面板之间采用角形企口接缝，使用超高性能纤维增强混凝土（Ultra High Performance Fiber-Reinforced Concrete，UHPFRC）连接。通过研究表明，UHPFRC材料的性能优于普通混凝土，接缝的疲劳强度可以达到设计要求。

由于桥面板间存在伸缩缝，会使一些腐蚀性材料通过伸缩缝进入结构内部，导致桥梁出现耐久性问题，同时一些碎屑和杂质进入伸缩缝中，影响运动导致损坏。美国爱荷华州立大学贝鲁兹·沙飞（Behrouz Shafei）等提出了采用纤维混凝土（Fiber-Reinforced Concrete，FRC）或UHPC结合GFRP筋的连接板代替伸缩缝的方法，通过有限元数值模拟和实验分析，证明了连接板的设置可以取代伸缩缝，并且可提升结构的整体性，改善结构的性能。

对于桥面两侧护栏的快速施工方法，美国爱荷华州立大学阿什莉·埃克伦德（Ashley Ecklund）等研究出一种预制混凝土桥梁护栏，可分段预制护栏，护栏间通过X型螺栓连接，如图2（a）所示。护栏与桥面板之间通过护栏内插入的斜杆与桥面板形成机械连接，如图2（b）所示。通过实验证明，这种预制混凝土桥梁护栏与桥面板间的连接性能良好，且自身强度可以达到使用要求。

主梁

快速施工桥梁的主梁可分为钢梁桥、混凝土梁桥和钢-混组合梁桥。钢梁桥由于截面面积较小，应在一定间距设置腹板加劲肋，以防止腹板的局部屈曲，并且应在一定间隔处设置横梁，确保其侧向稳定，防止发生扭转屈曲。对于混凝土梁桥来说，由于运输、吊装条件的限制，一般采用分段预制，节段拼装的方法，节段拼装的混凝土梁采用体外预应力体系，其相比于体内预应力体系来说，可以缩短施工工期，减小梁截面尺寸，降低结构自重。同时体外预应力体系预应力筋的替换更为简便，方便后期的维修和更换。混凝土连续梁主要划分为锚固节段、标准节段和转向节段，在转向节段中设置转向块，以传递体外束产生的水平力和竖向力，同时可以限制体外束的自由长度，改变预应力筋线性，来改善结构抗弯和抗剪性能。

下部结构

快速施工桥梁的下部结构与采用现浇的方法施工的传统桥梁相比，多采用预制的方法。下部结构包括盖梁、桥台、桥墩、承台和基础等。

由于受到运输条件、施工场地条件的限制，宽度较大、重量较重的盖梁和高度较高的墩柱多采用分段预制。盖梁主要采用上下分层预制和横向分段预制的方法，再进行现场拼装。分段预制的桥墩可通过湿接缝连接、干接缝连接、预应力连接和灌浆套筒连接等方式连接。由于湿接缝连接和预应力连接现场施工比较复杂，施工作业时间较长，因此在快速施工桥梁中较少使用，而更多的则是使用施工方式简便，受力性能较好的灌浆套筒连接。

美国爱荷华州立大学特拉维斯·霍森（Travis Hosteng）等研究了分块预制桥台的连接，实验采用了灌浆套筒连接方式，结果表明灌浆套筒连接的钢筋接头强度要比现浇结构中钢筋接头处的屈服强度低17%。这种影响主要是由于灌浆施工操作不精细，钢筋受力的力矩长度减小和灌浆处混凝土与钢筋之间黏结性能较差造成的。

美国华盛顿大学海瑟姆·达胡德（Haitham Dawood）等研究了采用后张拉式的分段预制桥墩的抗震性能。其中，混凝土柱采用混凝土填充纤维增强符合材料管（Concrete Filled FRP Tube，CFFT）分段预制的形式，并在柱间连接处放置氯丁橡胶。通过实验分析和有限元模拟，验证了这种桥墩在地震荷载作用下侧移量明显减小，且易于震后修复。研究对桥墩的设计给出了一系列设计参考系数，包括段高与柱径比、氯丁橡胶厚度和硬度值和应力张拉水平等。

美国华盛顿大学乔纳森·瓦克（Jonathan M. Wacker）等研究了地震区的预制混凝土桥墩设计方法，考虑了墩柱的3种破坏形式，即混凝土保护层的剥落、纵筋屈曲、纵筋断裂。采用两种不同的设计方法，基于力的设计方法和基于位移的设计方法。研究表明，这两种设计方法均可保证在相应的抗震等级下墩柱不发生严重破坏 。

快速施工桥梁中的预制构件连接

在快速施工桥梁中，各预制构件的连接是否可靠，直接关系到结构的整体性和抗震性能，也直接关系到快速施工桥梁设计方法是否可行。对于预制构件间的连接方式和连接性能，国外一些学者开展了大量研究。

美国内华达大学莫斯塔法·塔扎夫（Mostafa Tazarv）等研究了带凹槽的预制盖梁与桥墩承插式连接的各方面性能。实验表明，这种连接方式表现出了良好的整体性，对抗震性能的影响与整体现浇结构相比可忽略不计，同时，这种盖梁还可通过后张法施加预应力来提高梁的刚度，从而减小截面尺寸。与整体现浇结构相比，现场施工时间可以降低75%，可以大大节省桥梁建设时间。

图3 耦合器类型

美国佛罗里达国际大学莫哈马德雷扎·沙菲伊法（Mohamadreza Shafieifar）等研究了用UHPC连接柱顶和盖梁的可行性，通过有限元数值模拟和实验分析，证明了利用UHPC连接，可以增强结构的整体性，并且在地震作用下，节点区延性提高。由于UHPC的强度等级较高，钢筋的搭接长度可适当减小，从而减少了混凝土现场浇筑体积，以提升施工效率。

美国内华达大学阿里雷扎·莫希比（Alireza Mohebbi）等研究了承插式连接柱的抗震性能，实验结果表明，利用UHPC和工程水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composite，ECC）来加固底部塑性铰区域，可以明显改善结构的抗震性能，有效防止塑性铰区域混凝土柱的破坏，并消除了地震荷载下传统钢筋混凝土结构柱中经常出现的低周期疲劳破坏现象。

莫斯塔法·塔扎夫（Mostafa Tazarv）等研究了承台和墩柱的机械连接方式，如图3所示，分别采用剪切型耦合器、螺纹钢筋耦合器、灌浆套筒耦合器和挤压型耦合器进行了研究。研究表明，耦合器的长度、位置和刚度对机械连接柱的延性有着显著的影响，耦合器刚度越大，位置越靠近柱脚，塑性铰区域的延性越差。但是，施工时间相比于传统施工方式来说可以缩短约60%。

图4 灌浆套筒连接

美国佛罗里达国际大学埃尔米拉·舒什塔里（Elmira Shoushtari）等利用地震模拟振动台研究了快速施工桥梁中构件连接处在地震作用下的响应。实验分别测试了柱脚和承台处的连接；墩柱和盖梁的灌浆套筒式连接;钢梁到盖梁的连接；主梁和桥面板之间的连接;桥面板之间UHPC的连接板连接；使用UHPC作为连接材料的墩柱连接。研究表明，快速施工桥梁的整体性可以满足抗震要求，仅在主梁和临近墩柱的桥面板底部观察到了一些细微裂缝，这在设计过程中是可以接受的。研究还指出，UHPC接头可以增大结构刚度，使结构在地震作用下保持良好的完整性，相比于机械连接或者灌浆套筒连接的方式，UHPC连接是一种更好的选择。

美国犹他大学土木与环境工程系克里斯·P·潘泰利德斯（Chris P·Pantelides）等对灌浆套筒连接方式的抗震性能进行了实验评估，实验采用了两种不同的灌浆套筒连接方式，一种是一端采用螺纹钢筋拧入套筒，另一端采用灌浆连接的方式，如图4（a）所示。另外一种是两侧搭接钢筋均采用灌浆连接的方式，如图4（b）所示。实验表明，这两种连接方式的抗震性能均可达到抗震设计要求。同时，研究还发现套筒位置的不同会影响其抗震性能，将套筒放置在基础顶部和盖梁底部而不是放置在柱端时，其结构的抗震性能会有所改善。

克里斯·P·潘泰利德斯（Chris P·Pantelides）等研究了灌浆套筒连接在地震损坏后的修复方法，提出使用碳纤维增强复合卷材、涂抹环氧树脂的低碳钢筋和非收缩混凝土作为加固材料，加固塑性变形过大的塑性铰区域(墩柱底部)；CFRP卷材包裹住加固用的钢筋和混凝土，对混凝土提供足够的侧向约束力；钢筋承担抗剪作用，如图5所示。实验表明，这种修复方法是可行的，修复后的强度不低于原本的设计强度值。

采用合理的连接方式是实现快速施工桥梁的关键，一系列的研究表明，灌浆套筒连接、UHPC连接等连接方式和现浇混凝土结构相比，能获得相近的甚至更佳的动力性能，从而实现快速施工桥梁在抗震设计中的应用。

快速施工桥梁在桥梁建设方面具有很大的优势，既节省了大量的建造时间和社会资源，同时对于桥梁质量的把控更加有利，对于后期的维修也更加方便，其发展前景无比广阔。但是由于相关施工技术的不成熟、相关行业规范不完善，再加之受到材料价格过高（如FRP、UHPC）的影响，导致快速施工桥梁的方法在我国还未能得到广泛的运用。

未来，随着城市化进程的加快，城市桥梁建设的需求量会不断增加，快速施工桥梁发展前景巨大，制定出相关行业规范和推广快速施工桥梁施工方法，对于其发展将会起到巨大的推动作用。

图5 CFRP卷材和钢筋混凝土加固示意图