預制裝配式混凝土橋梁結構2019年度研究進展

張子飏 鄧開來 徐騰飛

摘 要：預制裝配式結構具有施工速度快、占用場地少、構件質量高、建造過程綠色環保等顯著優勢，是實現建筑工業化的可靠途徑，近年來獲得了學界、工業界的高度重視。在橋梁工程領域，預制裝配式混凝土橋梁結構得到了快速發展，針對預制裝配式混凝土橋梁結構的研究快速增加，諸多新型預制裝配式混凝土橋梁結構已應用于實際工程。總結2019年預制裝配式混凝土橋梁結構的研究進展，從下部結構與上部結構兩個方面論述了該領域內的新技術、新構造以及典型工程應用。經過總結發現：預制裝配式橋墩的連接構造及其抗震性能是本領域的研究重點，也是阻礙裝配式橋梁結構向高烈度地震區發展的關鍵問題;預制裝配式上部結構中，基本預制構件之間的連接構造形式受到大量學者的關注，連接構造的抗裂能力，疲勞性能等有待進一步提升，旨在實現“等同現澆”的力學性能。

關鍵詞：預制裝配橋梁;裝配式橋墩;裝配式橋面;橋梁快速建造

中圖分類號：U445.47 ? 文獻標志碼：R ? 文章編號：2096-6717（2020）05-0183-09

收稿日期：2020-04-02

基金項目：國家自然科學基金（51708466、51778535）

作者簡介：張子飏（1995- ），男，博士生，主要從事裝配式橋梁結構抗震性能研究，E-mail： zzyzzy0512@gmail.com。

徐騰飛（通信作者），男，博士，副教授，博士生導師，E-mail： tengfeixu@swjtu.edu.cn。

Received：2020-04-02

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No.51708466， 51778535）

Author brief：Zhang Ziyang （1985- ）， PhD candidate ， main research interest： seismic performance of assembled bridge structures， E-mail： zzyzzy0512@gmail.com.

Xu Tengfei （corresponding author）， PhD， associate professor， doctorial supervisor， E-mail： tengfeixu@swjtu.edu.cn.

Abstract： Prefabricated structure hasthe advantages of accelerating the construction， saving energy and resource， and mitigating the impact on the environment. Prefabricated structure is a reliable way to realize the industrialization of buildings. In recent years， researchers and design engineers have carried out studies on the prefabricated structure. In the field of bridge engineering， due to the rapid development of prefabricated concrete bridge structures， research on prefabricated concrete bridge structures has increased rapidly， and many new prefabricated concrete bridge structures have been applied in practical engineering. This paper presents state of the art on prefabricated concrete bridges in 2019， in views of prefabricated substructure and prefabricated superstructure to discuss the new technology， new structure and typical engineering applications in this field. From the summary of this paper， it was found that the structure of connection and seismic performance of prefabricated bridge piers are the focuses of the research in this field. It is also a key issue that hinders the construction of prefabricated bridge in high intensity region. In the prefabricated superstructure field， the connection structure between the basic prefabricated components has attracted a lot of researchers attention. The crack resistance and fatigue performance of the connection structure need to be further improved， aiming to achieve the 'emulative' mechanical properties.

Keywords：prefabricated bridge; prefabricated pier;prefabricated deck; accelerated bridge construction

與傳統混凝土橋梁施工相比，預制裝配化施工能加快建造速度，節約資源、能源，既降低環境對施工的干擾，又降低施工對環境（含既有交通）的影響，提升建設質量與安全水平等。因此，預制裝配混凝土橋梁特別適用于交通復雜的市政道路、艱險環境下的公路與鐵路建設。

隨著混凝土橋梁的預制裝配工藝被廣泛應用，預制裝配混凝土橋梁也逐漸成為研究熱點。筆者通過文獻調研的方式，梳理2019年度預制裝配式混凝土橋梁的研究進展，希望可以為廣大同行開展相關研究工作提供參考與思路，期待預制裝配橋梁在中國得到更合適與更廣泛的應用。

根據上部結構與下部結構的不同，將預制裝配混凝土橋梁研究分為橋墩與上部結構的預制裝配等兩部分。在橋墩的預制裝配中，介紹預制墩柱的連接工藝與節點性能、預制裝配橋墩的抗震性能、高性能新材料的應用與新型預制裝配橋墩體系等。在上部結構的預制裝配中，介紹橋面連接節點的力學性能、預制裝配橋面的整體性能、預制裝配組合梁等。

1 橋墩的預制裝配

總體而言，2019年預制裝配橋墩的研究占比相對較高，這與橋梁預制裝配工藝的技術演進有關。橋梁上部結構建造已經較多地使用預制裝配技術，相關技術也比較成熟;而預制裝配橋墩體系自1955年新奧爾良Pontchartrain橋首次采用以來，工藝技術有了長足的進步，但無論是連接構造、節點性能還是裝配式墩柱的整體性能都需要進一步研究與發展。

橋墩作為下部結構的主要承重構件，一直是橋梁設計和施工關注的重點，橋墩預制裝配化也是橋梁全預制裝配的關鍵環節之一。

近年來，隨著橋梁工程中對預制拼裝橋墩需求的提高，學術界對預制拼裝橋墩的研究逐漸重視。2019年度，預制拼裝混凝土橋墩的研究主要有4類：預制墩柱的連接工藝與節點性能、預制裝配橋墩的抗震性能、高性能與新材料的應用、新型預制裝配橋墩體系。

1.1 預制墩柱的連接工藝與節點性能

預制墩柱的連接工藝研發與性能改進是預制裝配橋墩研究的首要問題。連接節點或相應構造的力學性能也是后續開展預制裝配橋墩抗震研究的基礎。

常用的預制墩柱連接工藝有：灌漿套筒連接、灌漿波紋管連接、承插式連接、插槽式連接、現澆濕接縫連接、后張預應力連接與法蘭盤連接等。套筒灌漿作為一種在預制裝配式橋墩中應用較為廣泛的連接方式，學者們對其研究較多。

隨著灌漿套筒連接的廣泛使用，現場施工發現，裝配工藝對預制構件的精度有較高的要求，無論是工程預制還是現場拼裝的施工偏差與缺陷將影響預制裝配橋墩的性能。Xu等[1]從粘結滑移關系出發，解釋了鋼筋連接套筒的約束作用對鋼筋與灌漿料間粘結強度的增強機理，考慮實際裝配過程中鋼筋在灌漿套筒中的偏心效應，提出了鋼筋與灌漿套筒粘結滑移本構。Lu等[2]研究了楔形灌漿套筒和楔形螺紋灌漿套筒這種新型套筒形單軸拉力下的力學性能，給出了鋼筋在接頭中所需嵌入長度約為接頭鋼筋直徑的6～6.4倍的結論。同時，接頭的抗拉能力隨著接頭桿錨固長度增加以及套管兩端楔形的長度和斜率的增加而增加，且螺紋不會顯著提高套筒的抗拉能力。匡志平等[3]通過人為控制灌漿料含量，研究了實際工程中灌漿不足的缺陷對灌漿套筒連接性能的影響。套筒灌漿連接承載力取決于灌漿料含量，且隨著鋼筋與灌漿料間黏結承載力和鋼筋抗拉承載力的相對大小的變化，會產生鋼筋拔出和鋼筋拉斷的破壞模式。這些研究表明：施工偏差與缺陷改變了預制裝配橋墩的性能。針對預制構件的連接工藝，開展預制裝配橋墩的無損檢測方法研究，以評估既有預制裝配橋墩性能是亟須解決的問題。

1.2 預制裝配橋墩的抗震性能

作為橋梁的主要承重和抗側力構件，預制裝配橋墩的抗震性能一直以來都是學術界與工程界關注的重點。裝配式橋墩在非震區、低烈度區中已得到較廣泛應用，但因對其抗震性能缺乏充分認識，導致預制橋墩體系在中高烈度區的應用受到限制。特別是中國幅員遼闊，地震帶多且頻繁，如果不具有良好的抗震性能，預制裝配橋墩在中國的應用將大大受限。因此，采用各種連接方式的預制裝配式橋墩在地震作用下的極限承載力、變形與耗能能力、結構韌性以及這些性能的改進方法均是研究的熱點。2019年度的文獻圍繞著鋼筋連接形式[3]、灌漿套筒埋置位置[4]、承插式橋墩插入深度和側向剪力的影響[5-6]、預應力連接的預應力度[7-8]等展開了相關的抗震性能研究。

在灌漿套筒方面，樊澤等[4]研究了灌漿套筒位置的影響，提出在合理的結構設計下套筒預埋在基礎的預制橋墩與套筒預埋在墩身的預制橋墩的抗震性能均能滿足要求。

承插式連接與灌漿套筒和灌漿波紋管等拼接工藝相比，施工精度要求較低;與現澆濕接縫、預應力節段拼接等工藝相比，現場作業少，是一種較為簡便的連接方式。對這種連接方式，徐艷等[5]研究了承插深度對整個橋墩抗震性能的影響，研究結果表明，在良好的施工情況下，承插深度對橋墩總體的抗震性能影響不大;并給出了利用嵌巖樁嵌入基巖的深度計算最小合理承插深度的方法。Cheng等[6]認為承插式連接中的側向抗剪機制可以提供顯著的阻力，從而有利于大垂直載荷的傳遞。

預應力節段拼裝橋墩因無需考慮接縫區鋼筋和不同齡期混凝土對橋墩整體性能的影響，目前在低烈度區得到了廣泛應用，而在中高烈度區，由于其性能尚不明確，目前應用較少。禹智濤等[7]分析了不同預應力軸壓比對節段拼裝式橋墩力學性能的影響， 提出軸壓比在10%～20%的結構擁有較好的力學性能。包龍生等[8]通過有限元模擬和擬靜力試驗對預應力度對節段拼裝橋墩抗震性能的影響進行研究，發現隨著預應力度的增大，承載力、屈服力和耗能能力有所增強，但對延性及殘余位移影響不大，并建議在節段間榫卯以提高抗滑移作用。

以上研究表明，通過合理設計預制構件間的連接形式，裝配式混凝土橋墩可以滿足不同水準的抗震需求。然而，預制裝配橋墩的抗震性能與連接構造密切相關，其地震響應與抗震性能與現澆橋墩存在一定差異，相關性能分析與計算依賴于試驗與非線性有限元方法。為了促進預制裝配橋墩的實際應用，應開展預制裝配橋墩的簡化分析方法與設計計算方法研究。

1.3 高性能新材料的應用

高性能新材料是提高結構性能的重要途徑。目前，應用于預制裝配式橋墩的新材料主要有超高性能混凝土、纖維增強復合材料、形狀記憶合金等。Zhang等[9]提出一種超高性能纖維混凝土（UHFRC）應用于預制分段橋墩墩柱底部的新型結構（圖1），可以獲得更大的側向承載力與耗能能力，減小震后的混凝土損傷與殘余位移。Zhuo等[10]提出高強耗能鋼筋用于預制分段式橋墩連接（圖2），以獲得更大的側向強度、自復位能力和耗能能力。Tong等[11]將無黏結預應力筋和H型高強度耗能鋼筋應用于預制混凝土橋墩加固中（圖3），以提高承載能力、屈服后剛度與耗能能力。

然而，高性能新材料通常伴隨著高成本，這又限制了其大規模應用于土木工程結構。預制裝配工藝設計與施工相對靈活，可以在預制構件中使用傳統材料，在連接構造上使用高性能新材料。一方面利用高性能新材料改善連接節點性能，另一方面降低高性能新材料的使用率，獲取更好的經濟效益。然而，預制構件連接位置采用高性能新材料引起的力學特性不連續也可能引發新的問題。例如，利用UHPC現澆段連接普通混凝土預制構件，UHPC與普通混凝土的收縮徐變特性差異，現澆UHPC與預制混凝土的齡期差異，都將導致UHPC與普通混凝土界面處的約束拉應力，從而產生開裂風險。

1.4 新型預制裝配橋墩體系

自復位橋墩是“非等同現澆”的新型抗震橋墩體系。在地震作用下，可以利用節點接縫的張開與閉合實現橋墩的轉動能力，避免結構損傷;同時，后張預應力提供預制橋墩震后恢復初始位置的自復位能力。Yang等[12]研究了界面摩擦系數、初始張拉力對自復位橋墩性能的影響，提出了提高自復位橋墩抗震性能的方法。Han等[13]提出了一種具有良好的耗能和自復位性能且修復便捷的自復位雙柱墩體系，從而提高了預制裝配橋墩的抗震韌性（圖4）。Mashal等[14]提出了一種在裝配式橋墩底部安裝金屬耗能裝置的自復位橋墩體系，以提高自復位預制裝配橋墩的耗能能力（圖5）。

除了自復位橋墩，也有一些混合體系橋墩被提出：墩柱和承臺采用承插式連接，墩柱到墩帽采用灌漿套筒連接的橋墩[15]（圖6）;底部與承臺同時預制的預應力連接橋墩[16]（圖7）;內嵌式法蘭拼裝的預制混凝土橋墩[17]（圖8）。

增加外置可更換耗能裝置，能克服自復位橋墩的耗能能力相對較差的缺點，也能提高“非等效現澆”預制裝配橋墩的震后性能恢復能力。同時，這也對“非等效現澆”橋墩的耐久性有了更高的要求，特別在是復雜服役環境下，連接裝置或構造的性能退化與控制措施還需深入研究。

2 上部結構的預制裝配

橋梁上部結構的預制裝配工藝有：預制節段拼裝混凝土、節段預制拼裝預應力束體系，預制裝配鋼混組合梁等。2019年學者們對連接節點的力學性能、預制裝配橋面的整體性能、預制裝配組合梁等主題進行了研究。

2.1 預制裝配橋面板連接構造及力學性能

連接構造對預制裝配橋面板的各項性能影響顯著，是上部結構預制裝配的研究重點。

Shoushtari等[18]對鋼筋鉸槽口連接、灌漿波紋管連接、SDCL梁蓋梁連接、梁橋面板灌漿槽口連接、橋面板接縫UHPC連接、橋面板蓋梁上部UHPC填充連接這6種節點的抗震性能進行評估，給出了不同節點的優化措施。沈殷等[19]對節段預制拼裝混凝土橋梁腹板處多齒剪力鍵的剪應力分布規律進行推導，提出多齒剪力鍵根部剪應力分布的不均勻系數的概念。Ahmeda等[20]提出了提高剪力件抗剪能力的方法，并對AASHTO公式進行了優化。Huang等[21]對UHPC連接節點在地震作用下的響應進行評估，認為這種連接節點也適用于中高烈度區。Dong等[22]分析了影響預應力槽口的性能的因素，并給出相應建議。張勇等[23]對鋼板梁橋U形鋼筋濕接縫力學性能進行了研究，認為應預防濕接縫與橋面板的施工縫開裂。

同時，針對上述研究所展現的問題，也有一些學者提出了增強節點抗剪能力的一些新方法。Qi等[24]提出了一種使用鋼筋網來增強燕尾榫UHPC接頭的方法（圖9）。研究表明，這種方案可以提高UHPC平板的抗彎性能且UHPC試件開裂后仍有相當大的承載能力;同時，在受壓區UHPC僅出現了局部壓潰，認為對鋼筋網所需的最小搭接長度還需進一步研究。Youssef等[25]對UHPFRC節點連接受彎剪性能進行了研究。通過對測試結果討論和分析，給出了預測和實驗剪切強度的比較、最小拼接長度以及破壞的影響因素。Tawadrous等[26]提出一種橋面板槽口連接方案（圖10），并對選擇槽口尺寸，槽口錨固和加固進行了研究，以最大化其連接能力，并保證足夠的裝配誤差。邵旭東等[27]基于UHPC材料，提出了3類高性能裝配式橋梁結構，并初步建立了計算理論和設計方法。

當前，預制裝配橋面板的連接構造及力學性能大多是基于承載能力的研究。作為直接提供橋梁使用功能的主要構件，連接構造的正常使用性能與耐久性也需要關注。同時，在連接構造的防水、防銹等方面，還需要進一步開展研究。

2.2 預制裝配橋面板整體性能

在預制裝配橋面板整體性能方面，Koh等[28]對T型梁接縫的耐久性進行了研究，認為由于受拉接縫部分碳化深度的增加，使用壽命大大縮短，在維護過程中應特別注意接縫。Tawadrous等[29]開發了一種在橫向上預張，在縱向上后張的新型預制混凝土橋面板系統，試驗表明，這種預制橋面板系統的后張有效，且橋面板和主梁結合良好，其施工性能、承載能力和耐久性均有所提高。Minh Ha等[30]對不同粉煤灰含量的混凝土高耐久性預制預應力混凝土面板進行了彎曲和剪切試驗，發現含有粉煤灰的橋面板與不含粉煤灰的橋面板相比，遠期承載能力均有所提高。

2.3 鋼混組合梁的預制裝配化

鋼混組合梁可以充分發揮混凝土與鋼材的性能，提高橋梁整體性能，并且具有極好的施工性能，并充分發揮鋼結構的可裝配性，是實現鋼混組合梁的預制裝配化的有效途徑。這也使得鋼混組合梁的預制裝配化工藝、裝配組合梁的力學性能與耐久性均成為上部結構預制裝配研究的熱點。

Zhao等[31]引入預應力沉孔螺栓（圖11），實現預制UHPC組合橋面板全干式連接，模型試驗結果驗證了該連接工藝的有效性，以及采用該技術的UHPC組合橋面板的良好力學性能。為了增強燕尾形接頭的耐久性，Zhao等[32]提出了一種新型RPC混凝土燕尾形濕式接頭（圖12），研究了強度比和燕尾形的角度，給出了建議設計參數。在板梁連接構造上，Wang等[33]提出了埋入式螺栓的連接構造，實現了預制UHPC板和工字鋼的全干式連接（圖13）;足尺試驗表明，該構造具有良好的剛度和承載力，是實現預制橋梁建造的有效技術手段。

Balkos等[34]利用防滑貫通螺栓剪力連接件實現鋼混組合梁的預制裝配化（圖14），并用試驗驗證了其靜力和疲勞性能。Farzad等[35]提出了一種使用鋼UHPPFC鋼作為腹板的預制橋面板（圖15），研究表明，這種結構施工快捷，且抗凍、耐腐蝕、耐疲勞和耐磨損能力都較強。張瀚文等[36]提出一種用于鋼超薄UHPC新型短鋼筋剪力連接件（圖16），這種連接件具有構造形式簡單、成本低等優點，但其破壞為脆性破壞，仍需繼續研究和優化。

與此同時，隨著這些新型預制裝配組合梁結構體系的提出，組合梁的計算方法也有發展，如：考慮了混凝土齡期差異的計算模型[37]、關于SBSC的抗剪承載力計算公式[38]、全深度預制混凝土橋面板連接器抗剪強度計算方法[39]。

隨著高性能材料在預制裝配組合梁中的應用，傳統的連接構造得到了增強，一些新型連接構造也得以實現，構件的耐久性也得到了增強。但是，目前考慮疲勞、收縮、徐變與耐久性都是單因素的，多個因素共同作用的組合結構性能研究仍然缺乏。因此，對多因素共同作用情況下的預制裝配組合梁性能的研究是下一步工作的重點。

3 結論與展望

隨著預制裝配式橋梁的應用日益廣泛，研究者們對預制裝配混凝土橋梁的施工工藝、構造措施和預制裝配結構的安全性開展了富有成效的研究。在后續研究中，更為合理地使用高性能新材料，以滿足預制裝配混凝土橋梁關鍵節點的性能需求是值得關注的熱點問題之一;利用預制裝配的工藝特點，實現關鍵構造的可更換性，以提高混凝土橋梁的抗震韌性也是預制裝配混凝土橋梁的熱點問題。

作為結構性能需求，正常使用性能與耐久性也很重要。相對而言，預制裝配混凝土橋梁的正常使用性能與耐久性研究還略顯不足，這有可能會制約預制裝配混凝土橋梁的應用范圍。以鐵路橋梁為例，由于列車行車安全性和旅客乘車舒適度的需要，無論是普速鐵路還是高速鐵路，均對橋梁梁體與墩臺的變形與剛度有較高的要求。開展鐵路預制裝配混凝土橋的正常使用性能研究是推動預制裝配工藝在鐵路橋梁的應用的必然要求。作為關鍵基礎設施，在復雜環境中，經歷漫長的服役期，預制裝配節點的性能劣化機制與特點、無損檢測方法與相應的加固技術是保障預制裝配混凝土橋梁耐久性有待解決的重要問題。

此外，隨著建設實踐的廣泛開展，如何綜合考慮標準化設計、預制場地、預制工藝與運輸、安裝設備與人員，環境保護與交通擾動等因素，定量評價混凝土橋梁預制裝配體系的經濟社會效益等問題亟待解決。參考文獻：

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（編輯 章潤紅）