國際快速施工橋梁技術新進展

文 北京交通大學土木建筑工程學院 陳安 郭文健 孫靜

近年來，隨著國民經濟發展，現代化進程加快，國民對公路橋梁的通行要求進一步提升。一方面，在保證橋梁結構安全性和耐久性之外，還應通過快速施工來減少對交通的影響，降低對施工現場周圍的噪聲和環境污染；另一方面，由于原先等級較低的橋梁受到車輛荷載的增加、環境侵蝕和結構老化等多方面的影響，導致橋梁結構性能變差，承載能力下降，使得安全性和耐久性降低，需要維修或構件更換。在這種情況下，快速施工橋梁技術應運而生。

快速施工橋梁技術的優勢

快速施工橋梁(Accelerated Bridge Construction，ABC)是一種創新技術，運用新的規劃、設計、材料和施工方法，采用高度預制化和快速拼裝的形式，縮短建造新橋梁或更換、修復現有橋梁，以及現場施工和施工造成交通堵塞的時間，有效保證了橋梁質量，保障了安全性和經濟性。

與傳統現場施工技術相比，快速施工橋梁技術，優點更多，包括建設時間可以縮短至數周甚至數天之內；高度預制化可有效把控橋梁構件和成橋質量，提升生產和施工效率及施工安全性；減少了現場作業量，簡化了現場設施，并降低人力投入，節約了建造成本，還在一定程度上降低了對施工現場及周圍環境的不利影響，比如減少了施工噪音，降低了粉塵污染等；由于預制構件的模數化，該技術使得后期對于損壞構件的更換和維修更為簡便。

在國外對快速施工橋梁的研究內容中，80%左右是關于預制構件組裝和連接的研究，15%左右是關于橋梁上部結構的型式和材料的研究，5%左右是關于下部結構的研究。這是由于預制構件的連接在整體性和抗震性能方面起著至關重要的作用，決定著快速施工橋梁的方法是否可行。

快速施工橋梁的結構型式

橋面板

應用于快速橋梁建設的橋面板，主要是全高預制混凝土橋面板，其生產質量易于控制、橋面板間的連接及橋面板和主梁間的連接，相比于部分預制混凝土橋面板更加簡便。目前，全高預制橋面板的型式由最初的混凝土橋面板發展為多種改型的橋面板型式，一方面是為了改善混凝土板受彎引起下部開裂的問題，另一方面是減輕橋面板的自重，優化結構設計。美國佛羅里達國際大學土木與環境工程系薩哈爾·加西米（Sahar Ghasemi）等提出一種超輕超薄實心橋面板，其采用非對稱雙向密肋板的型式，如圖1所示。這種不對稱來自于主次肋的布置，肋條分別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）和高強度鋼（High Strength Steel，HSS）或碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber-Reinforced Polymer，CFRP）加固而成。采用UHPCCFRP橋面板，一方面可以發揮CFRP輕質高強的特性，另一方面由于UHPC的存在，可以改善CFRP變形過大的問題，從而形成一個整體的延性體系。

圖1 非對稱雙向密肋板

圖2 預制混凝土橋梁護欄

加拿大艾伯塔大學塔瑟夫·桑森（Tassew Samson）等研究了陶瓷預制混凝土板作為橋面板的可行性。膠凝材料采用磷酸鹽水泥來代替傳統的硅酸鹽水泥，因為磷酸鹽水泥與普通的硅酸鹽水泥相比，早期強度增長更快，尺寸穩定性好，并且具備更好的耐火性能。通過實驗研究表明，陶瓷預制混凝土板的板帶剛度和強度可以達到要求，是一種可行的替代方法。

美國佛羅里達國際大學土木與環境工程系亞扎德·賈比里·賈羅米（Azadeh Jaberi Jahromi）等提出一種新的橋面板連接方式，將搭接鋼筋接頭做成90度彎鉤型式，再利用直筋橫向加固，最后澆筑混凝土。這種連接方式可以減小鋼筋的搭接長度，并且提高橋面板連接處的延性。

加拿大瑞爾森大學賽義德·艾哈邁德·馬哈茂德（Sayed-Ahmed Mahmoud）等研究了采用GFRP（Glass FRP）筋加固的全高預制混凝土橋面板間連接的疲勞強度，橋面板之間采用角形企口接縫，使用超高性能纖維增強混凝土（Ultra High Performance Fiber-Reinforced Concrete，UHPFRC）連接。通過研究表明，UHPFRC材料的性能優于普通混凝土，接縫的疲勞強度可以達到設計要求。

由于橋面板間存在伸縮縫，會使一些腐蝕性材料通過伸縮縫進入結構內部，導致橋梁出現耐久性問題，同時一些碎屑和雜質進入伸縮縫中，影響運動導致損壞。美國愛荷華州立大學貝魯茲·沙飛（Behrouz Shafei）等提出了采用纖維混凝土（Fiber-Reinforced Concrete，FRC）或UHPC結合GFRP筋的連接板代替伸縮縫的方法，通過有限元數值模擬和實驗分析，證明了連接板的設置可以取代伸縮縫，并且可提升結構的整體性，改善結構的性能。

對于橋面兩側護欄的快速施工方法，美國愛荷華州立大學阿什莉·埃克倫德（Ashley Ecklund）等研究出一種預制混凝土橋梁護欄，可分段預制護欄，護欄間通過X型螺栓連接，如圖2（a）所示。護欄與橋面板之間通過護欄內插入的斜桿與橋面板形成機械連接，如圖2（b）所示。通過實驗證明，這種預制混凝土橋梁護欄與橋面板間的連接性能良好，且自身強度可以達到使用要求。

主梁

快速施工橋梁的主梁可分為鋼梁橋、混凝土梁橋和鋼-混組合梁橋。鋼梁橋由于截面面積較小，應在一定間距設置腹板加勁肋，以防止腹板的局部屈曲，并且應在一定間隔處設置橫梁，確保其側向穩定，防止發生扭轉屈曲。對于混凝土梁橋來說，由于運輸、吊裝條件的限制，一般采用分段預制，節段拼裝的方法，節段拼裝的混凝土梁采用體外預應力體系，其相比于體內預應力體系來說，可以縮短施工工期，減小梁截面尺寸，降低結構自重。同時體外預應力體系預應力筋的替換更為簡便，方便后期的維修和更換。混凝土連續梁主要劃分為錨固節段、標準節段和轉向節段，在轉向節段中設置轉向塊，以傳遞體外束產生的水平力和豎向力，同時可以限制體外束的自由長度，改變預應力筋線性，來改善結構抗彎和抗剪性能。

下部結構

快速施工橋梁的下部結構與采用現澆的方法施工的傳統橋梁相比，多采用預制的方法。下部結構包括蓋梁、橋臺、橋墩、承臺和基礎等。

由于受到運輸條件、施工場地條件的限制，寬度較大、重量較重的蓋梁和高度較高的墩柱多采用分段預制。蓋梁主要采用上下分層預制和橫向分段預制的方法，再進行現場拼裝。分段預制的橋墩可通過濕接縫連接、干接縫連接、預應力連接和灌漿套筒連接等方式連接。由于濕接縫連接和預應力連接現場施工比較復雜，施工作業時間較長，因此在快速施工橋梁中較少使用，而更多的則是使用施工方式簡便，受力性能較好的灌漿套筒連接。

美國愛荷華州立大學特拉維斯·霍森（Travis Hosteng）等研究了分塊預制橋臺的連接，實驗采用了灌漿套筒連接方式，結果表明灌漿套筒連接的鋼筋接頭強度要比現澆結構中鋼筋接頭處的屈服強度低17%。這種影響主要是由于灌漿施工操作不精細，鋼筋受力的力矩長度減小和灌漿處混凝土與鋼筋之間黏結性能較差造成的。

美國華盛頓大學海瑟姆·達胡德（Haitham Dawood）等研究了采用后張拉式的分段預制橋墩的抗震性能。其中，混凝土柱采用混凝土填充纖維增強符合材料管（Concrete Filled FRP Tube，CFFT）分段預制的形式，并在柱間連接處放置氯丁橡膠。通過實驗分析和有限元模擬，驗證了這種橋墩在地震荷載作用下側移量明顯減小，且易于震后修復。研究對橋墩的設計給出了一系列設計參考系數，包括段高與柱徑比、氯丁橡膠厚度和硬度值和應力張拉水平等。

美國華盛頓大學喬納森·瓦克（Jonathan M. Wacker）等研究了地震區的預制混凝土橋墩設計方法，考慮了墩柱的3種破壞形式，即混凝土保護層的剝落、縱筋屈曲、縱筋斷裂。采用兩種不同的設計方法，基于力的設計方法和基于位移的設計方法。研究表明，這兩種設計方法均可保證在相應的抗震等級下墩柱不發生嚴重破壞 。

快速施工橋梁中的預制構件連接

在快速施工橋梁中，各預制構件的連接是否可靠，直接關系到結構的整體性和抗震性能，也直接關系到快速施工橋梁設計方法是否可行。對于預制構件間的連接方式和連接性能，國外一些學者開展了大量研究。

美國內華達大學莫斯塔法·塔扎夫（Mostafa Tazarv）等研究了帶凹槽的預制蓋梁與橋墩承插式連接的各方面性能。實驗表明，這種連接方式表現出了良好的整體性，對抗震性能的影響與整體現澆結構相比可忽略不計，同時，這種蓋梁還可通過后張法施加預應力來提高梁的剛度，從而減小截面尺寸。與整體現澆結構相比，現場施工時間可以降低75%，可以大大節省橋梁建設時間。

圖3 耦合器類型

美國佛羅里達國際大學莫哈馬德雷扎·沙菲伊法（Mohamadreza Shafieifar）等研究了用UHPC連接柱頂和蓋梁的可行性，通過有限元數值模擬和實驗分析，證明了利用UHPC連接，可以增強結構的整體性，并且在地震作用下，節點區延性提高。由于UHPC的強度等級較高，鋼筋的搭接長度可適當減小，從而減少了混凝土現場澆筑體積，以提升施工效率。

美國內華達大學阿里雷扎·莫希比（Alireza Mohebbi）等研究了承插式連接柱的抗震性能，實驗結果表明，利用UHPC和工程水泥基復合材料（Engineered Cementitious Composite，ECC）來加固底部塑性鉸區域，可以明顯改善結構的抗震性能，有效防止塑性鉸區域混凝土柱的破壞，并消除了地震荷載下傳統鋼筋混凝土結構柱中經常出現的低周期疲勞破壞現象。

莫斯塔法·塔扎夫（Mostafa Tazarv）等研究了承臺和墩柱的機械連接方式，如圖3所示，分別采用剪切型耦合器、螺紋鋼筋耦合器、灌漿套筒耦合器和擠壓型耦合器進行了研究。研究表明，耦合器的長度、位置和剛度對機械連接柱的延性有著顯著的影響，耦合器剛度越大，位置越靠近柱腳，塑性鉸區域的延性越差。但是，施工時間相比于傳統施工方式來說可以縮短約60%。

圖4 灌漿套筒連接

美國佛羅里達國際大學埃爾米拉·舒什塔里（Elmira Shoushtari）等利用地震模擬振動臺研究了快速施工橋梁中構件連接處在地震作用下的響應。實驗分別測試了柱腳和承臺處的連接；墩柱和蓋梁的灌漿套筒式連接;鋼梁到蓋梁的連接；主梁和橋面板之間的連接;橋面板之間UHPC的連接板連接；使用UHPC作為連接材料的墩柱連接。研究表明，快速施工橋梁的整體性可以滿足抗震要求，僅在主梁和臨近墩柱的橋面板底部觀察到了一些細微裂縫，這在設計過程中是可以接受的。研究還指出，UHPC接頭可以增大結構剛度，使結構在地震作用下保持良好的完整性，相比于機械連接或者灌漿套筒連接的方式，UHPC連接是一種更好的選擇。

美國猶他大學土木與環境工程系克里斯·P·潘泰利德斯（Chris P·Pantelides）等對灌漿套筒連接方式的抗震性能進行了實驗評估，實驗采用了兩種不同的灌漿套筒連接方式，一種是一端采用螺紋鋼筋擰入套筒，另一端采用灌漿連接的方式，如圖4（a）所示。另外一種是兩側搭接鋼筋均采用灌漿連接的方式，如圖4（b）所示。實驗表明，這兩種連接方式的抗震性能均可達到抗震設計要求。同時，研究還發現套筒位置的不同會影響其抗震性能，將套筒放置在基礎頂部和蓋梁底部而不是放置在柱端時，其結構的抗震性能會有所改善。

克里斯·P·潘泰利德斯（Chris P·Pantelides）等研究了灌漿套筒連接在地震損壞后的修復方法，提出使用碳纖維增強復合卷材、涂抹環氧樹脂的低碳鋼筋和非收縮混凝土作為加固材料，加固塑性變形過大的塑性鉸區域(墩柱底部)；CFRP卷材包裹住加固用的鋼筋和混凝土，對混凝土提供足夠的側向約束力；鋼筋承擔抗剪作用，如圖5所示。實驗表明，這種修復方法是可行的，修復后的強度不低于原本的設計強度值。

采用合理的連接方式是實現快速施工橋梁的關鍵，一系列的研究表明，灌漿套筒連接、UHPC連接等連接方式和現澆混凝土結構相比，能獲得相近的甚至更佳的動力性能，從而實現快速施工橋梁在抗震設計中的應用。

快速施工橋梁在橋梁建設方面具有很大的優勢，既節省了大量的建造時間和社會資源，同時對于橋梁質量的把控更加有利，對于后期的維修也更加方便，其發展前景無比廣闊。但是由于相關施工技術的不成熟、相關行業規范不完善，再加之受到材料價格過高（如FRP、UHPC）的影響，導致快速施工橋梁的方法在我國還未能得到廣泛的運用。

未來，隨著城市化進程的加快，城市橋梁建設的需求量會不斷增加，快速施工橋梁發展前景巨大，制定出相關行業規范和推廣快速施工橋梁施工方法，對于其發展將會起到巨大的推動作用。

圖5 CFRP卷材和鋼筋混凝土加固示意圖