節段預制拼裝法建造橋梁技術綜述

張立青

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

節段預制拼裝法建造橋梁技術綜述

張立青

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

節段預制拼裝法造橋是分段建造橋梁的一種,在原理上是從預應力結構、箱梁設計和分段施工法綜合而成,經濟技術性強,適用范圍廣。結合課題研究成果和工程實例,從包括技術特點、優缺點、分類等節段預制拼裝造橋基本理論入手,對包括節段預制基本方法、通用制梁技術、節段梁吊裝和運輸技術等的節段預制技術,包括逐跨拼裝法節段拼裝裝備、平衡懸臂法節段拼裝裝備等的節段拼裝裝備,包括節段拼裝方法、通用拼裝技術等的節段拼裝技術,最后特別強調節段預制拼裝線形控制技術,并對采用該技術進行橋梁設計提出建議。

預應力混凝土;橋梁;節段;預制;拼裝

1 概述

自1962年J·M·米勒爾第一個采用預制拼裝建造法國舒瓦齊勒羅瓦大橋以來,節段預制拼裝造橋技術持續發展,并從歐洲逐步推廣到全世界,成為建造橋梁主要技術之一。在我國,節段拼裝應用較早, 1966年竣工的成昆鐵路舊莊河一號橋采用了預制節段逐跨拼裝施工,但由于工程條件限制,試驗未取得滿意效果,該技術在后續工程中未得到很好推廣[1]。

隨著我國橋梁技術發展,20世紀90年代始,節段預制拼裝造橋技術重新得到應用和發展,在公路和市政領域,有福州洪塘大橋(預制節段逐跨拼裝施工)、上海滬閔二期高架橋梁(短線法預制)、上海新瀏河大橋(采用專用造橋機逐跨拼裝)等,廣州城市軌道交通4號線和廈門BRT則較大規模采用了該技術;在鐵路領域,有靈武楊家灘黃河特大橋(專用移動支架造橋機、短線法預制逐跨拼裝)、石長湘江特大橋(懸臂拼裝連續梁)、蘭武河口黃河特大橋(移動支架造橋機逐跨拼裝小半徑連續彎梁)、鄭西磨溝河大橋(高速鐵路、單箱單室雙線簡支梁)、溫福白馬河特大橋(高速鐵路、雙幅單箱單室縱橫向濕接縫縱橫向預應力)、黃韓候芝水溝大橋(膠拼)等[1-6]。但整體而言,相對于我國每年建造的橋梁總量,采用該技術的橋梁所占比例極少,其應用范圍與其技術優勢不匹配;近年來工程領域內橋梁設計電算與仿真分析、試驗檢測和精確控制、工程機械起重與液壓電控等技術長足發展,原來限制該技術規模應用的主要難題得到有效解決,節段預制拼裝法建造橋梁技術值得進一步推廣。

2 節段預制拼裝法建造橋梁基本理論[7]

節段預制拼裝造橋技術一般指以縱向為主進行分段預制和拼裝的造橋技術,即是將橋梁的梁體沿縱向劃分為節段,在工廠預制后運輸至橋位進行橋位組拼,即先“化整為零”后“化零為整”,并施加預應力使之成為整體結構物的一種橋梁建造方法。由于工藝要求,其梁體截面一般采用箱形梁,國外也見槽形梁形式。節段預制拼裝造橋技術本質上和常規懸臂分段澆筑、節段預制頂推一樣,是分段建造橋梁的一種,在原理上是由預應力結構、箱梁設計和分段施工法綜合而成。

2.1 技術優缺點

從應用角度來看,節段預制拼裝造橋技術不僅適用于常規中小跨度,也可適用于大跨度橋梁;尤其在施工困難或者生態敏感區域,節段預制拼裝都已被證明是一種有價值的建造橋梁技術。其主要優缺點如下。

(1)可廣泛應用于各種橋型和跨度,不僅限于常用的簡支梁(逐跨拼裝)和連續梁(懸臂拼裝),更可采用大跨度斜拉橋(斜拉索拼裝),公路和市政橋梁常見的小半徑和超高等技術問題也可得到較好的解決。

(2)投資少,經濟效益高,據相關文獻顯示[7],采用節段預制拼裝造橋技術較常規方法可節約10%～20%工程造價;同時由于平行施工,縮短建造時間,更間接降低工程造價。

(3)有著較好環境效益,可有效減少施工對環境、交通等的影響,同整孔預制架設相比則大幅減少了預制場占地面積,有效實現節約和集約用地,降低工程和復墾數量。

(4)工程質量高,梁部結構主要部分為工廠(場)預制,質量更可靠,養護時間長,加載齡期晚,有效減少梁體徐變上拱和預應力損失。

(5)施工方便,節段小,制梁工藝簡單,運輸較少受到設備和通道的限制,預制拼裝均可實現機械化,安全性高。

(6)對設計和施工技術要求高,施工工藝相對復雜;節段預制時的線形控制和局部構造、安裝時的節段定位和連接等技術要求較高;拼裝需專用工裝設備,對工人技能素質要求較高。

2.2 節段預制拼裝橋梁分類

節段預制拼裝橋梁可按照橋梁用途、節段間連接形式和拼裝方法不同進行分類。

(1)根據橋梁用途,可將節段預制拼裝橋梁分為鐵路橋梁、城市軌道交通橋梁、公路和市政橋梁三類,其結構形式可采用簡支梁橋、連續梁(剛構)橋、拱橋和斜拉橋等。

(2)根據節段間連接形式的不同,節段預制拼裝橋梁可分為濕接縫、膠結縫和干接縫橋梁等,濕接縫形式即相鄰預制梁段間填充混凝土或干硬性水泥砂漿,膠結縫采用環氧樹脂等膠結材料,干接縫則不填充連接材料,完全靠節段榫頭和預應力實現聯結(全體外預應力、完全嵌合)[8]。

(3)在實際施工中,主要根據拼裝方法的不同對節段預制拼裝橋梁進行分類,常用拼裝方法包括平衡懸臂法、逐跨拼裝法等。

3 節段預制拼裝法建造橋梁技術與工程應用

3.1 節段預制技術與工程應用

3.1.1 節段預制方法

節段預制可分為長線法和短線法[1,9]。

(1)長線法

長線法是在足夠長度的預制臺座上,依整跨預制曲線做一次性調整后,依次序逐塊預制,再將節段逐塊脫離移至存梁區的節段預制方法。該方法按橋梁設計線型進行預制,可較好實現梁體線型控制,但對預制場地、臺座地基基礎、預制裝備等要求較高,為傳統技術,尤其適用于連續梁橋、拱橋和斜拉橋的節段預制。

(2)短線法

短線法是一側采用端模,另一側利用已澆筑成的相鄰節段作為端模(也可采用兩側均設置端模)來進行控制實現預制的節段預制方法。短線法幾何線形控制精度要求較長線法高,但對預制場地、裝備要求較少,預制靈活且可實現平行作業,隨著精密線形測控儀器的發展,短線法不僅可適用于簡支橋梁,也可廣泛適用于其他橋型。

3.1.2 通用制梁技術

節段梁預制技術主要覆蓋鋼筋、模板、混凝土等方面。鋼筋安裝宜采用整體綁扎、整體吊裝方式;外模宜采用整體鋼模,底模應具有足夠剛度,確保線形;混凝土澆筑應根據設計要求時間內分層澆筑完畢,并宜采用蒸汽養護。

3.1.3 節段梁吊裝和運輸

當采用門式起重機作搬移梁工具時,應對節段梁進行吊點設計,可按四點起吊三點平衡原則進行,確保節段梁各斷面的應力控制在允許范圍內。

節段梁運輸可采用輪軌運輸車的形式,也可采用輪胎式運梁車運輸,但應根據節段梁特點進行支撐點設置,避免節段梁翹曲和二次應力發生,支撐點宜盡量置于腹板下。

3.1.4 節段梁預制場

(1)平面布置

節段梁預制場一般由保障區、制梁區、存梁區、提梁區(裝車區)、生活區和辦公區等組成,平面布置應圍繞制梁臺座和存梁臺座進行,在滿足工藝設計合理前提下,遵循生產區和生活區既相互分開,又經道路有機聯系的原則進行布局,生產區按工藝流程分區劃塊,要求結構緊湊,占地面積較少,同時又便于流水作業生產。

由于節段梁一般體型較小,故預制場一般有臺后、橋下、橋位附近制梁3種布置形式,其中臺后制梁是優選形式,當橋墩高度較低時也可采用橋下制梁,橋位附近制梁存在運梁距離長、地基處理工程量大、運輸工效較低等缺點。

(2)土建結構與制梁工裝

預制場主要土建結構和工裝設備有制梁臺座與模板、吊機軌道基礎(走行通道)、存梁臺座、鋼筋綁扎胎具、鋼筋骨架吊裝吊具等。

應根據施工工藝和移梁方式,合理選擇起重設備和存梁形式,移梁方式可采用吊機移梁和滑道移梁,當條件允許時,宜優先采用吊機(輪胎式或輪軌式);常見的存梁形式有單層、雙層和多層存梁等,當節段梁設計允許時宜雙層和多層存梁。

(3)工程應用

某節段梁預制場采用短線法預制節段梁,位置選為橋下制梁,設置7個制梁臺座,12個存梁臺座(3層存梁),采用門式吊機(提梁機)搬移梁,其生產區域如圖1所示[10]。

圖1 節段梁生產區平面布置

3.2 節段拼裝裝備

節段拼裝裝備可根據預制拼裝施工方法的不同進行分類,即逐跨拼裝法節段拼裝裝備和平衡懸臂法節段拼裝裝備。

3.2.1 逐跨拼裝法節段拼裝裝備

根據節段梁在逐跨拼裝法節段拼裝裝備的承重位置不同,可將逐跨拼裝法節段拼裝裝備分為上承式、中承式和下承式3種形式[11-12]。

(1)上承式

節段梁位于支架之上的逐跨拼裝法節段拼裝裝備可稱為上承式逐跨拼裝法節段拼裝裝備,其主要指上承式逐跨拼裝造橋機,根據工程實際可采用支架(落地或非落地)形式。

(2)中承式

中承式主跨拼裝造橋機的主要特征為節段梁置于造橋機腹內。節段梁在工地預制場預制后,由運梁臺車運至造橋機尾部的桁吊之下,由起吊天車將節段起吊運至支梁腹內,梁節之間用濕接縫連接,整孔張拉。由于節段梁置于主跨拼裝造橋機腹內,故限制了節段梁頂板寬度,制約了其使用范圍。

(3)下承式

節段梁位于主梁下部的逐跨拼裝造橋機可稱為下承式逐跨拼裝造橋機。主要特點是節段通過吊桿吊裝于造橋機主梁下方,對節段梁頂板寬度無限制,可廣泛適用于公路、市政橋梁。

3.2.2 平衡懸臂法節段拼裝裝備

平衡懸臂法節段拼裝裝備一般稱為懸臂拼裝造橋機,主要包括懸拼吊機和懸拼導架(整跨形式)兩種形式,其主要適用于連續梁;當建造對象為拱橋、斜拉橋時,也可采用固定式斜拉裝置,或利用自身的斜拉索。其原理與懸臂灌筑類似,不同的是節段梁在橋頭預制場分節預制后運至拼裝地點,節段梁通過懸拼造橋機吊至橋位拼裝,張拉預應力筋,兩端對稱拼裝成T構。

某型上承式逐跨拼裝法落地移動支架、某型中承式逐跨拼裝造橋機、某型下承式逐跨拼裝造橋機和某型懸臂導架、某型懸拼吊機分別如圖2～圖6所示。

圖2 某型上承式逐跨拼裝法落地移動支架應用于廈門BRT

圖3 某型中承式逐跨拼裝造橋機應用于呼準鐵路

圖4 某型下承式逐跨拼裝造橋機應用于南昌樞紐西環線

圖5 某型懸臂導架應用于石長鐵路

圖6 某型懸拼吊機應用于印度某橋

3.3 節段拼裝技術

3.3.1 節段拼裝方法

節段拼裝方法包括逐跨拼裝法、懸臂平衡拼裝法等。

(1)逐跨拼裝法

逐跨拼裝法是橋梁上部結構按一個方向架設,一次完成一跨,一跨接一跨地完成節段拼裝的橋梁建造方法。其方法是將節段梁運至梁位后在整跨形式造橋機或者支架上進行整孔拼裝,施加預應力,架橋機移至下一跨段,重復以上方法繼續施工。逐跨拼裝法可適用于簡支梁,也適用于連續梁和先簡支后連續的連續梁;其施工效率較佳,但當采用整跨形式造橋機時受經濟跨距控制,其經濟跨度一般為30～60 m,當采用落地支架的形式時,其跨度可適當增加。

(2)懸臂平衡拼裝法

平衡懸臂法是以一個橋墩為中心,對稱順序拼裝節段的橋梁建造方法,平衡懸臂法建造橋梁過程中的每一節段與前面的已裝節段連成一體,并作為下一節段的拼裝基礎,并與對稱側保持。對橋梁懸臂結構,通過張拉設置在梁節段中的預應力鋼束來確保其安全和穩定。懸臂平衡拼裝法一般采用懸拼吊機、懸拼導架或地面起重機實現,尤其適合連續梁和斜拉橋建造。

3.3.2 通用拼裝技術

節段梁拼裝技術主要包括拼裝裝備組拆、接縫、預應力技術等。節段拼裝裝備組裝完畢后,宜進行加載預壓,加載預壓一般應用1.2倍設計荷載,并應采集1倍設計荷載節段拼裝裝備變形數據,以備后期梁體線形控制;在接縫技術上,當采用濕接縫時,應特別注意接縫波紋管的防漏處理,接縫混凝土應按順序對稱一次性澆筑完畢并嚴格控制養護,當采用膠結縫時,應在合理環境下,嚴格按照設計和供貨商要求進行膠結劑配比、拌制、涂膠、擠膠張拉;應按設計要求分批、分期進行雙控預應力鋼筋張拉,在進行第一次預應力作業時,應對預應力損失進行測量,并與理論設計預應力損失對比,必要時調整張拉力。

3.4 節段拼裝線形控制技術

節段預制拼裝技術線形控制貫穿橋梁建造的整個過程,也是節段預制拼裝法建造橋梁關鍵技術之一,包括了設計理論線形、節段預制線形、節段拼裝線形、張拉成橋后線形控制技術等內容[13-14]。

在建造過程中,主要以節段預制線形控制和節段拼裝線形控制為主:節段預制線形控制主要是對節段梁的幾何斷面進行控制,主要包括節段梁軸線、垂向、水平控制,宜采集三維坐標值,并計算和換算成該測點對應的安裝階段的線形坐標值;節段拼裝線形控制,應考慮節段拼裝裝備變形、預應力分期施加、二期恒載施加、混凝土收縮徐變效應等因素綜合設置,結合橋梁的平、豎曲線及預拱度設計參數,根據澆筑節段預埋測點進行,應特別注意對首節段的精確控制。

4 對節段預制拼裝建造設計的建議[15]

由于節段預制拼裝造橋對工藝、裝備要求較高,故對采用節段預制拼裝造橋設計提出幾點建議:在材料方面,節段梁應采用高性能混凝土;除梁端節段梁段外,節段梁段長度宜等長,節段梁段應取直;在節段梁橫斷面尺寸,斷面尺寸的變化宜局限于腹板高度和底板厚度;節段梁倒角設置應便于澆筑,節段梁各部分,特別是剪力鍵應便于脫模;節段預制拼裝橋梁為全預應力混凝土結構,應盡量減少預埋件引起的腹板和翼緣表面的不連貫性,預應力鋼筋和錨墊板等宜標準化;橫隔板和加勁肋數量宜盡量少。

5 結語

我國正處于建設資源節約、環境友好型社會的大環境下,采用節段預制拼裝造橋技術,對于形成節約資源和保護環境的產業結構是有著積極意義的,在鐵道行業,《鐵路預應力混凝土簡支梁節段拼裝施工技術指南》也正在編制。文章依托中鐵五院集團公司近年對節段預制拼裝技術研究成果和該領域的技術發展趨勢,對節段預制拼裝法建造橋梁技術進行闡述,希望對節段預制拼裝法建造橋梁提供參考。

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The Summary of Technologies for Building Bridges with Assembled Precast Segments

ZHANG Li-qing
(The Fifth Survey and Design Institute(Group)CO.,Ltd.of CRCC,Beijing 102600,China)

Bridge built with assembled precast segments is one kind of segmented bridge.In principle,it is built in combination of prestressed structures,box girder design and segmented construction method, which is superior in technology and economy with wide application.In view of the research results and project practices including technical features,advantages and disadvantages,and classification related to precast segment assembling,this paper summarizes precast segmental technologies forsegment fabrication,lifting,transport and assembly,the equipment for span-by-span assembling and the equipment with balanced cantilever,the segment assembling method and the general assembly techniques.At the same time,the paper addresses the alignment control technology and provides suggestions on the design of bridges employing such technologies.

Prestressed concrete;Bridges;Segments;Precast;Assemble

U448.21+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.016

1004-2954(2014)12-0063-04

2014-08-15;

2014-08-26

張立青(1978—),男,高級工程師,2001年畢業于西南交通大學土木工程專業,工學學士,E-mail:zhangliqing@outlook.com。