公路橋梁下部結構工業化建造技術探討

王衛宏

（中鐵十二局集團有限公司，山西 太原 030012）

在對公路橋梁建設過程進行優化時，預制拼裝是非常重要的措施，工廠化預制在國外橋梁建設中運用得比較成熟，采用預制的形式生產構件、銜接拼裝過程是公路橋梁建設實現工廠化的關鍵[1]。在公路橋梁建設領域中，工業化建造技術已成為發展趨勢。現階段我國通過預制的方式能完成大部分橋梁上部結構，同時也制定了相關的國家標準和規范，生產規模已經形成了初步產業化。但是公路橋梁下部結構的預制裝配技術還處在實驗階段，下部結構很少選擇裝配式橋梁[2]。在進行工程建設項目施工時，基本要求包括質量可靠、經濟性好、節約工期。除此之外，對環保、節能材料、低噪聲的要求也越來越高。因此，在開展公路橋梁建設時，橋梁下部結構的預制裝配技術具有非常大的發展潛力。在進行公路橋梁下部結構的建設施工時，采用工業化建造技術能對橋梁工業化系統進行完善，能夠促進橋梁產業實現裝配化、標準化、工廠化，明顯提升建設質量和耐受性，為后期運營養護創造便利條件；除此之外，還能讓混凝土用量明顯減少，讓橋梁結構自重明顯減輕，從而獲得比較理想的經濟效益和社會效益[3]。

1 公路橋梁下部結構工業化建造技術的現狀

1.1 樁基工業化建造技術

橋梁樁基很早就開始了采用工業化建造技術，預制樁基礎的代表主要為預制PHC管樁。PHC管樁在俄羅斯、新西蘭、日本、英國、美國等發達國家得到了非常廣泛的應用。菲律賓、馬來西亞、中國等發展中國家在20世紀80年代末才開始生產應用PHC管樁，并逐漸普及，起步較晚[4]。PHC管樁的優勢比較顯著，如提升施工質量、縮短工期、節省造價等，因此最近幾年PHC管樁基礎開始應用于部分橋梁設計中。特別是在廣東、上海等地區，PHC管樁得到了比較廣泛的應用。

1.2 橋臺工業化建造技術

國外的預制橋臺研究起步相對較晚，美國國家交通部門在2001年開始研究預制橋臺技術，這為其在全國推廣實施創造了條件。預制橋梁構件包括橋臺的側墻、帽梁、樁基等。上部結構構件在美國已經得到了廣泛應用，而下部結構構件特別是橋臺構建的應用則比較少，下部結構構件主要應用于交通量少、單跨小跨徑的橋梁[5]。國內現階段還缺乏有關預制橋臺的相關研究報道和實施先例。

1.3 承臺工業化建造技術

采用預制承臺能讓水上現場作業實現工廠化預制攻堅，明顯降低了深水基礎施工難度，從而加快施工進度、提高基礎結構施工質量。根據不同地質水文條件和橋梁上部結構型式，國外已對預制基礎技術進行了大量研究，發展出很多預制基礎形式，并且成功應用到大型橋梁工程中[6]。國外在研究預制基礎時，主要集中在跨海大橋，如在挪威、加拿大以及日本等跨海大橋項目中，預制基礎得到了較為廣泛的應用。而跨海大橋建設在我國逐漸興起的過程中，預制承臺套箱、預制墩身的預制技術才開始逐漸出現。我國的港珠澳大橋、廣州黃洲大橋均選擇了預制承臺技術，其中黃洲大橋選擇了工字型界面預制承臺。

1.4 蓋梁工業化建造技術

在對橋梁整體進行預制時，蓋梁預制拼裝技術是非常關鍵的環節，蓋梁在橋梁工程中的作用主要為承上啟下，非常重要。國內外有關預制蓋梁的研究基本上與裝配式橋墩同步。國內預制蓋梁技術主要應用于市政工程，包括上海S6、S26、嘉閔高架（北段）、虹梅南路、北橫通道等工程。嘉閔高架的上部結構選擇標準為30m的跨徑小箱梁，而下部結構則選擇雙柱式橋墩、倒T型蓋梁[7]。因為主線高架所處區域的公路交通比較繁忙，為了讓工程建設質量得以保證，減輕施工期間對周圍交通的影響，減少施工對周圍環境的干擾，該區域橋梁結構選擇全預制裝配式橋梁方案，且主要采用套筒連接模式，而預制蓋梁則選擇上下分層的方式。

1.5 墩柱工業化建造技術

裝配式橋墩的施工周期相對較短，施工方便，而且能有效降低橋梁施工對周圍居民生活和環境的影響，因此裝配式橋墩現階段在發達國家得到了非常廣泛的應用，如日本、美國等，同時也形成了相應的施工準則和設計準則[8]。現代橋梁技術在我國的起步時間相對較晚，對橋梁相關的試驗和研究也比較有限，現階段雖然對斜拉橋、懸索橋等的施工、設計和研究取得了一定成就，但是裝配式橋墩在我國還處于發展的初級階段。我國最近幾年開始在部分城市高架橋以及跨海大橋的建設中采用裝配式橋梁，但是因為缺乏經驗，數量較少，所以沒有形成系統的指導意見和理論。裝配式橋墩在我國的起步時間比較晚，但是最近幾年裝配式橋墩卻得到了較為廣泛的使用和研究，發展過程與國外類似，最初我國是在跨海大橋上采用裝配式橋墩，之后開始在城市高架橋中應用裝配式橋墩。海州灣跨海大橋的橋墩采用墩身預制的方式，選擇矩形空心墩的截面形式，并將橋墩分為兩部分進行預制，分別為墩身和墩帽，墩身結構為截面相同高度，墩帽選擇矩形單喇叭口形狀的結構型式。通過現澆混凝土墩座的方式對墩身和承臺進行連接，在墩座內對橋墩內的鋼筋進行有效錨固。該施工方式選擇整體支座內向導定位橋墩的方式，橋墩具有比較理想的整體性，在吊裝構件時比較方便，不僅能明顯提高施工效率，而且能顯著提高控制精度，不需要將橋墩主筋截斷，能充分保證工程質量。

2 公路橋梁下部結構工業化建造技術的具體應用

2.1 預制裝配橋墩

（1）節點性能與連接工藝：在研究預制裝配橋墩時，首先應了解預制墩柱的連接工藝、改進其性能。而相應構造以及連接節點的力學性能則是后續進行預制裝配橋墩抗震研究的前提。現階段應用比較廣泛的預制墩柱連接工藝包括法蘭盤連接、后張預應力連接、現澆濕接縫連接、插槽式連接、承插式連接、灌漿波紋管連接、灌漿套筒連接等。而套筒灌漿則是現階段最常用的連接方式之一。

（2）預制拼裝橋墩抗震：預制裝配橋墩時橋梁的主要抗側力和承重構件的抗震性能是人們關注的重點。在低烈度區和非抗震區，裝配式橋墩得到了非常廣泛的應用，然而因為并未充分了解其抗震性能，進而限制了其在中高烈度區的實際應用。從灌漿套筒方面分析發現，在合理和科學的結構設計下，采用套筒預埋在墩身或者基礎的預制橋墩，其抗震性能符合相關的標準。與灌漿波紋管、灌漿套筒等拼接構造相比，承插式連接對施工精度要求不高，現場作業較少，操作簡便。在保證施工良好的基礎上，承插深度并不會明顯影響橋墩的總體抗震性能。

（3）高性能新材料：選擇高性能新材料能讓結構性能明顯提高。但是高性能新材料的成本相對較高，這對其大規模應用造成了一定限制。預制裝配工藝的施工和設計比較靈活，在預制構件中可以選擇傳統材料，而在連接構造上則可以選擇高性能新材料。應用高性能新材料能對連接節點的性能進行改善，而減少高性能新材料的使用則能獲得更加理想的經濟效益。現階段在預制裝配式橋墩中，常用的新材料包括形狀記憶合金、纖維增強復合材料、超高性能混凝土等。

2.2 預制裝配上部結構

（1）連接節點性能：連接節點會直接影響預制裝配式橋面板的性能，是預制拼裝橋面板的主要研究內容之一。有學者評估了橋面板-蓋梁上部UHPC填充連接、橋面板連縫UHPC連接、梁-橋面板灌漿槽口連接、SDCL梁-蓋梁連接、灌漿波紋管連接以及鋼筋鉸槽口連接的抗震性能，并針對評估結構制訂了優化對策。有學者通過研究UHPC連接的抗震性能，對中高地震地區選擇UHPC連接的預制橋梁適用性進行了評估，通過研究UHPC連接的最大應變、兩個連接UHPC的預制應力梁整體相應、預應力梁的動力特性，結果顯示當處于高水平地震區時，選擇配置有直且短的鋼筋的UHPC連接，其抗震性能比較理想。

（2）預制橋面板性能：相關研究表明增加受拉接縫部分的碳化深度，會明顯縮短其使用壽命，因此維護期間應對接縫加以關注。有學者采用一種橫向上預張、縱向上后張的新型預制混凝土橋面板系統，結果顯示該預制橋面板系統的后張比較理想，主梁與橋面板結合比較理想；而且耐久性、承載能力、施工性能均得到了顯著提升。

（3）預制裝配組合梁：組合梁能讓橋梁力學性能顯著提高，同時施工性能比較理想。有效結合預制裝配和組合梁，減少預制梁長度，能有效保障橋梁工程的質量，讓施工進度明顯加快。然而現階段相關研究人員還未充分了解預制裝配組合梁的耐久性和受力性能。

3 結束語

在橋梁工程施工中，預制混凝土構件具有比較顯著的優勢，包括生產效率高、施工方便、質量穩定等，因為橋梁上部結構的工業化建造技術現階段已比較成熟，積極推行和開展橋梁下部結構的工業化建造技術，能完善并優化橋梁結構的全工業化建造技術。橋梁工業化建造技術作為環保、低碳、高效的橋梁建造技術，能為全行業低碳化的實現和推廣創造便利條件。