一次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的契機——工業(yè)化裝配式橋梁技術(shù)的探索與實踐

工業(yè)化裝配式橋梁技術(shù)，是將橋梁的主要構(gòu)件先在工廠中預(yù)制、后運至現(xiàn)場拼裝完成橋梁建設(shè)的一種創(chuàng)新技術(shù)，是加快施工速度、減少現(xiàn)場污染、實現(xiàn)低碳化建設(shè)的有效手段。目前橋梁上部結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝，經(jīng)過若干年的實踐與探索已較成熟，而對于橋梁下部結(jié)構(gòu)的裝配式技術(shù)，雖然起步較晚，但通過近些年的探索也積累了一定的經(jīng)驗。近年來，隨著交通運輸壓力增大，降低市政施工對日常生活影響的需求越來越強，裝配式橋梁技術(shù)也將會有更廣闊的應(yīng)用空間。

圖1 上海滬閔高架二期工程

圖2 美國I-5 Grand Mound to Maytown Stage 2橋

圖3 嘉閔高架裝配式立柱施工

圖4 嘉閔高架裝配式蓋梁施工

裝配式立柱

裝配式立柱的關(guān)鍵是橋墩與承臺以及蓋梁的連接方式。目前國內(nèi)外采用的裝配式立柱連接方式大致有以下幾種：

1.有粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋連接

有粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋連接構(gòu)造往往配合砂漿墊層或環(huán)氧膠接縫構(gòu)造實現(xiàn)節(jié)段預(yù)制橋墩的建造，方案中的預(yù)應(yīng)力筋可采用鋼絞線或精軋螺紋鋼等高強鋼筋。該構(gòu)造特點是預(yù)應(yīng)力筋通過接縫，實際工程應(yīng)用較多，設(shè)計理論和計算分析以及施工技術(shù)經(jīng)驗成熟；不足的是墩身造價相對傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩要高許多，同時現(xiàn)場施工需對預(yù)應(yīng)力筋進行張拉、灌漿等操作，施工工藝復(fù)雜，施工時間較長。

2.灌漿套筒連接

預(yù)制墩身節(jié)段通過灌漿聯(lián)接套筒連接伸出的鋼筋，在墩身與蓋梁或承臺之間的接觸面往往采用砂漿墊層，墩身節(jié)段之間采用環(huán)氧膠接縫構(gòu)造，如圖5所示。構(gòu)造特點是施工精度要求較高，現(xiàn)場施工時間短，同時也不需要張拉預(yù)應(yīng)力筋，現(xiàn)場工作量顯著減小，其正常使用條件下的力學(xué)性能與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩類似，因此具有一定的經(jīng)濟優(yōu)越性。國外應(yīng)用經(jīng)驗，低地震危險區(qū)已開始廣泛應(yīng)用，高地震危險區(qū)域的應(yīng)用和科學(xué)研究還在進行中。

圖5 預(yù)制拼裝橋墩和灌漿套筒連接構(gòu)造圖

圖6 灌漿金屬波紋管連接

預(yù)制拼裝橋墩預(yù)先伸出一定數(shù)量的鋼筋，以便與相鄰構(gòu)件預(yù)留鋼筋搭接，需設(shè)臨時支撐，鋼筋連接部位需通過后澆混凝土（濕接縫）方式連接，這也是目前國內(nèi)較多采用的節(jié)段拼裝橋墩的設(shè)計思路。采用該構(gòu)造建造橋墩，力學(xué)性能往往與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩類似，但濕接縫的存在會增加施工時間和現(xiàn)場鋼筋搭接、澆筑的作業(yè)量，從快速施工角度考慮，該方案存在一定不足。

6.承插式連接

承插式接縫連接構(gòu)造是將預(yù)制墩身插入基礎(chǔ)對應(yīng)的預(yù)留孔內(nèi)，插入長度一般為墩身截面尺寸的1.2～1.5倍，底部鋪設(shè)一定厚度的砂漿，周圍用半干硬性混凝土填充。優(yōu)點是施工工序簡單，現(xiàn)場作業(yè)量少，不足的是接縫處的力學(xué)行為、特別是抗震性能如何，尚需進一步研究，國內(nèi)北京積水潭橋采用該連接構(gòu)造建造，美國一些橋梁也采用該連接構(gòu)造。

此外，近年來國內(nèi)外一些研究人員還提出其他一些類型的預(yù)制墩身節(jié)段聯(lián)接構(gòu)造，如增設(shè)耗能鋼筋連接構(gòu)造、混合式連接構(gòu)造等，但由于種種限制條件，目前仍處于學(xué)術(shù)研究階段。

裝配式蓋梁

蓋梁的主要作用是將主梁承擔(dān)的荷載傳遞至橋墩，目前常見的施工方法以現(xiàn)澆為主。國內(nèi)外對蓋梁的裝配式進行了初步探索，已完成部分嘗試。按其分段方法分類，裝配式蓋梁可分為全預(yù)制蓋梁和半預(yù)制蓋梁。

全預(yù)制蓋梁是現(xiàn)階段快速施工采用的主要方式，其特征為將蓋梁橫向（或縱向）分段（或分片）預(yù)制，現(xiàn)場拼裝只對接縫進行處理，無需立模澆筑。根據(jù)節(jié)段分割方式，可繼續(xù)劃分為整體全預(yù)制、橫向切分、縱向切分和縱橫綜合切分三類。半預(yù)制蓋梁是目前新提出的快速施工方法，其特征為蓋梁部分預(yù)制、部分現(xiàn)澆。按不同的預(yù)制結(jié)構(gòu)可細(xì)致劃分為后澆帶式和外殼預(yù)制。

在橋梁工程上，我國現(xiàn)階段主梁快速施工方式可統(tǒng)稱為“梁體橫向切分全預(yù)制”，蓋梁同樣沿用了這種方式，值得探究的是橫向切分方式的連接面處理。按連接面不同處，可將蓋梁橫向切分全預(yù)制方法繼續(xù)分解為：小鍵齒結(jié)合拼裝、大鍵齒結(jié)合拼裝、鋼鍵結(jié)合拼裝、牛腿結(jié)合拼裝等。

圖7 試件實際加載圖及加載變形后的圖

圖8 試件的破壞形態(tài)

目前，裝配式蓋梁采用整體預(yù)制橫向分段的方式較多，本文依托于工程實踐，選取25m的大懸臂蓋梁為研究對象，對其抗剪性能和抗彎性能進行試驗研究。

抗剪性能試驗考慮拼接縫間鍵齒個數(shù)、位置、大小等3個試驗參數(shù)，共設(shè)計了5個試件。通過模型試驗，研究了在荷載作用下，剪切裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展、接縫破壞形態(tài)及抗剪承載力，考察了試驗參數(shù)對抗剪承載力的影響。

圖9 裝配式蓋梁抗剪性能試驗

標(biāo)準(zhǔn)中的特殊關(guān)鍵技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)的制定是用于指導(dǎo)工程實踐，以利于工程技術(shù)的推廣應(yīng)用。裝配式橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計總體上需要滿足現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》CJJ 11和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG 3362的規(guī)定。但在裝配式橋梁結(jié)構(gòu)特有的技術(shù)方面，需要相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范給出規(guī)定，裝配式橋梁結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)體系就需解決此類問題，尤其與傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)不相一致的地方需要特別給出規(guī)定。包括：

1.灌漿套筒連接的錨固長度

灌漿套筒連接在建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用比較成熟，在建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋連接用灌漿套筒》JG/T 398-2012中規(guī)定，灌漿連接端長度不宜小于8倍鋼筋直徑。建筑中采用的鋼筋直徑較小，同時也較少承受動力荷載，因此可以將錨固長度控制在8倍鋼筋直徑左右；而對于橋梁工程，橋墩立柱中采用的鋼筋直徑普遍較大，且需要承受動力荷載，為保證安全取用10倍錨固長度是合理的。

2.預(yù)制構(gòu)件的吊點設(shè)計

橋梁工程與建筑工程另一明顯區(qū)別是預(yù)制構(gòu)件的重量。建筑工程中預(yù)制構(gòu)件普遍重量較小，吊裝方便，因此在現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010（2015版）中規(guī)定，吊環(huán)應(yīng)采用HPB300 鋼筋或Q235B 圓鋼。在橋梁工程中，之前采用的預(yù)制節(jié)段梁吊裝較多，因此現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG 3362-2018中，也規(guī)定吊環(huán)應(yīng)采用HPB300鋼筋制作；然而對于預(yù)制橋梁下部結(jié)構(gòu)，預(yù)制構(gòu)件重量較大，同時在施工和運輸過程中會涉及構(gòu)件的翻轉(zhuǎn)，因此限定吊環(huán)采用HPB300鋼筋制作并不合適。吊環(huán)可以采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線進行制作。

3.灌漿連接件的檢測

灌漿連接技術(shù)難以檢測也是阻礙裝配式橋梁結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用的問題，預(yù)埋鋼絲拉拔法、芯片法、反射式超聲法等多種檢測技術(shù)已研發(fā)成功，將在新修訂的上海市地方標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)布。

工業(yè)化裝配式橋梁技術(shù)，不僅能很好地控制工程質(zhì)量，而且能加快施工速度、減少環(huán)境污染，同時也符合低碳化、和諧社會的發(fā)展要求，將是一套高效、低碳、環(huán)保的橋梁建造技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。裝配式橋梁技術(shù)的出現(xiàn)，也是一次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的契機。政府應(yīng)在政策上進行鼓勵，設(shè)計師需要在理念上創(chuàng)新，承包商需要在管理上進行轉(zhuǎn)型。同時堅持產(chǎn)、學(xué)、研、用的整體技術(shù)開發(fā)路線，才能真正提升裝配式橋梁的質(zhì)量和性能，進而推廣應(yīng)用。