李旭LI Xu
(廣東冠粵路橋有限公司,廣州511450)
相比于國(guó)外,我國(guó)裝配式技術(shù)與節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁技術(shù)起步較晚,但近年來發(fā)展較快,在工程橋梁施工中占據(jù)著重要地位。且裝配式技術(shù)與節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)有利于提升橋梁施工質(zhì)量,因此本文將對(duì)基于裝配式技術(shù)的節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工方案進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。
裝配式技術(shù)指的是先在加工廠里加工施工所需要的構(gòu)件,之后在施工場(chǎng)地直接裝配預(yù)制構(gòu)件的技術(shù)[1]。裝配式技術(shù)具有多重優(yōu)點(diǎn),例如有利于提高施工質(zhì)量、加快施工進(jìn)度等。第一,有利于提高施工質(zhì)量。裝配式構(gòu)件是在工廠當(dāng)中預(yù)制的,可以改善橋梁開裂、滲漏等問題,提高橋梁施工的質(zhì)量與耐久性。第二,有利于加快工程進(jìn)度。裝配式技術(shù)是先在工廠中預(yù)制配件,不需要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行定制,可有效加快施工進(jìn)度。第三,有利于提高工程品質(zhì)。預(yù)制配件的問題在施工前就得以解決,在施工時(shí)基本不會(huì)出現(xiàn)問題,有利于提高工程品質(zhì)。
第一,高性能混凝土橋梁。二十世紀(jì)以來,在技術(shù)水平不斷提升的背景下,混凝土的強(qiáng)度不斷提升,且出現(xiàn)了高強(qiáng)混凝土與高性能混凝土,其強(qiáng)度超過了60MPa,之后人們又研發(fā)出了超高性能混凝土。在應(yīng)用這些混凝土?xí)r,節(jié)段預(yù)制施工結(jié)構(gòu)中節(jié)段間的聯(lián)接可靠度會(huì)對(duì)預(yù)制拼接結(jié)構(gòu)的受力性能產(chǎn)生影響,需加強(qiáng)注意。第二,城市市政橋梁。城市高架或軌道交通高架等工程具有長(zhǎng)度長(zhǎng)、線形單一以及施工周期短等特點(diǎn),所以比較適合應(yīng)用裝配式技術(shù)與節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)。在橋梁建設(shè)過程中,預(yù)制工程數(shù)量不斷增加,預(yù)制生產(chǎn)成本會(huì)得到攤銷,工程造價(jià)就會(huì)有所降低。且大型施工設(shè)備也會(huì)越來越完善,可以為節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工奠定基礎(chǔ)。第三,軌道交通與鐵路橋梁。軌道交通當(dāng)中的鐵路橋梁與高架橋梁具有橋?qū)捿^小的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)主要采用傳統(tǒng)的箱型梁與槽型梁[2]。
節(jié)段預(yù)制拼裝工藝指的是將梁體分為若干節(jié)段,在工廠預(yù)制之后將其運(yùn)輸至橋位進(jìn)行組拼,通過施加預(yù)應(yīng)力將節(jié)段整體拼裝成橋的施工工藝(如圖1 所示)[3]。早在二十世紀(jì)六十年代,歐洲就出現(xiàn)了節(jié)段預(yù)制混凝土箱梁。之后,節(jié)段預(yù)制技術(shù)便不斷發(fā)展。在九十年代時(shí),香港大多數(shù)橋梁都應(yīng)用了節(jié)段拼裝施工技術(shù),且結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜。國(guó)內(nèi)第一個(gè)采用節(jié)段預(yù)制拼裝施工工藝的大橋是上海瀏河大橋(如圖2 所示)。

圖1 節(jié)段預(yù)制橋梁施工流程

圖2 上海瀏河大橋
與傳統(tǒng)的施工工藝相比,節(jié)段預(yù)制拼裝施工工藝具有多重優(yōu)點(diǎn)。例如在施工時(shí)對(duì)周圍交通與環(huán)境的影響比較小;節(jié)段的重量比較輕、尺寸也比較小,運(yùn)輸難度小,拼裝速度快;場(chǎng)制砼的質(zhì)量控制效果較好;可以降低安裝及成橋后混凝土收縮徐變;比較適用于體外預(yù)應(yīng)力,可以縮小梁斷面的尺寸,提高材料的利用率;可以有效控制其幾何形狀,增強(qiáng)砼結(jié)構(gòu)的美觀性[4]。但是,節(jié)段預(yù)制拼裝施工也具有一定的不足。例如,工程前期投入較大,不僅需要構(gòu)建預(yù)制場(chǎng)地,也需要完善運(yùn)輸設(shè)備與架梁設(shè)備;節(jié)段之間主要是利用干接縫聯(lián)結(jié),若沒有科學(xué)處理可能會(huì)導(dǎo)致大氣當(dāng)中的酸性成分與水分滲透其中,降低結(jié)構(gòu)的耐久性。
常用的階段預(yù)制拼裝方法有長(zhǎng)線臺(tái)座法、短線臺(tái)座法等。第一,長(zhǎng)線臺(tái)座法。長(zhǎng)線臺(tái)座法指的是根據(jù)所設(shè)計(jì)的制梁線型將所有的塊件都放置在一個(gè)比較長(zhǎng)的臺(tái)座上匹配預(yù)制,從而使兩塊塊件形成自然的匹配面。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以有效控制幾何形狀,整體的構(gòu)造也比較簡(jiǎn)單,在脫模后不需要立即將梁段運(yùn)輸至貯放地,同時(shí)偏差也不會(huì)累積。但是,此方法的占地面積較大,需要將臺(tái)座設(shè)置在堅(jiān)固的基礎(chǔ)上面。第二,短線臺(tái)座法。短線臺(tái)座法指的是在同一個(gè)模板當(dāng)中進(jìn)行每一節(jié)段的澆筑工作。這一模板的一端是固定模,另外一端是先澆筑的節(jié)段,整個(gè)模板的長(zhǎng)度只有一個(gè)節(jié)段的長(zhǎng)度,且模板具有不可移動(dòng)性,因此需要將梁段運(yùn)輸至貯存場(chǎng)地[5]。此方法的優(yōu)點(diǎn)是占地面積小,可以進(jìn)行流水線作業(yè),可進(jìn)行多類型節(jié)段的澆筑,但是對(duì)儀器有較高的要求。
預(yù)制場(chǎng)(如圖3 所示)建設(shè)是進(jìn)行基于裝配式技術(shù)的節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工的前提和基礎(chǔ),施工單位應(yīng)科學(xué)設(shè)置預(yù)制場(chǎng)。預(yù)制場(chǎng)主要包括扎筋區(qū)、澆筑區(qū)、攪拌站以及堆放區(qū),其中扎筋區(qū)主要是用來扎制鋼筋籠與安置選模板的;澆筑區(qū)主要是安置模板、攪搗混凝土的;攪拌站主要是用來存儲(chǔ)石料與水泥,也需要攪拌混凝土;堆放區(qū)主要是堆放交付運(yùn)輸與成品構(gòu)件的。在進(jìn)行預(yù)制場(chǎng)建設(shè)時(shí),施工單位應(yīng)做好規(guī)劃工作,提高節(jié)段生產(chǎn)的效率,避免后續(xù)施工時(shí)出現(xiàn)場(chǎng)地遷移等情況;需要科學(xué)選擇預(yù)制場(chǎng)地的位置以及運(yùn)輸線路,減小對(duì)工期與周圍交通的影響;盡量將預(yù)制場(chǎng)設(shè)置在工地附近,從而降低運(yùn)輸成本。其次,在設(shè)置預(yù)制場(chǎng)時(shí)也應(yīng)綜合分析以下問題。例如,生產(chǎn)線與橋位之間的距離是否合理,是否會(huì)對(duì)周圍居民的正常生活產(chǎn)生影響;底座的強(qiáng)度是否符合要求;生產(chǎn)線當(dāng)中的小型龍門吊機(jī)是否充足等。在預(yù)制場(chǎng)當(dāng)中需要做好模板預(yù)制、模板清理、內(nèi)模安裝、鋼筋加工、鋼筋處理、混凝土澆筑、齒塊后處理等方面的工作,也需要及時(shí)將預(yù)制好的板塊運(yùn)輸至存梁場(chǎng)當(dāng)中,為后續(xù)的節(jié)段預(yù)制拼裝施工提供便利,從而提高施工質(zhì)量。

圖3 預(yù)制場(chǎng)
第一,外預(yù)應(yīng)力體系受力性能。體外預(yù)應(yīng)力筋與梁體混凝土之間具有相對(duì)滑動(dòng)的功能,所以不能僅根據(jù)單個(gè)截面的應(yīng)變協(xié)調(diào)明確預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量,也應(yīng)當(dāng)綜合分析整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的總體變形情況。第二,節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的抗彎性能與抗剪性能。節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的抗彎性能與抗剪性能會(huì)受到多種因素的影響,例如接縫的位置、接縫的類型、體內(nèi)外預(yù)應(yīng)力的配置比例以及配筋率等,與整體式橋梁之間有較大的差異。
首先,需要綜合分析體外預(yù)應(yīng)力體系轉(zhuǎn)向塊與錨固塊的受力情況與構(gòu)造情況。體外預(yù)應(yīng)力體系的轉(zhuǎn)向塊與錨固塊等區(qū)域的受力情況與構(gòu)造情況較為復(fù)雜,在使用過程中若局部應(yīng)力過大可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。拉壓桿模型可以對(duì)受力復(fù)雜區(qū)域的情況進(jìn)行綜合分析,主要是在同一方向上承受壓應(yīng)力的混凝土區(qū)域設(shè)置壓桿模擬,在同一方向上承受拉應(yīng)力的區(qū)域設(shè)置拉桿模擬,在拉桿交匯的區(qū)域利用交點(diǎn)模擬,利用這些模型代替原結(jié)構(gòu)的拉壓桿模型,為構(gòu)造與配筋設(shè)計(jì)提供便利[6]。其次,需要綜合分析接縫的受力性能。相比于傳統(tǒng)的橋梁,節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁中存在節(jié)段接縫。節(jié)段接縫可以有效傳遞界面上的壓力與剪力,是橋梁受力相對(duì)薄弱的位置,因此其抗剪性能直接影響著橋梁的受力性能。
預(yù)應(yīng)力索在預(yù)制節(jié)段橋梁當(dāng)中的應(yīng)用較為廣泛。第一,腹板和模板不需要留預(yù)應(yīng)力孔道,可以避免后續(xù)施工出現(xiàn)預(yù)留孔道堵塞的問題。第二,體外索比體內(nèi)索摩阻損耗更少,所以預(yù)應(yīng)力的效率更高一些。第三,體外索在廠房制作中的檢查難度較小,后期維護(hù)難度也比較小。
首先,施工人員應(yīng)當(dāng)控制逐段澆筑的節(jié)段幾何尺寸。在進(jìn)行預(yù)制拼裝分段施工時(shí),不需要應(yīng)用臨時(shí)支架,有利于降低成本。但是需要合理控制逐段澆筑節(jié)段幾何的尺寸,增強(qiáng)尺寸的精確性。在預(yù)制場(chǎng)當(dāng)中工作人員需控制結(jié)構(gòu)的線型,從而滿足成橋線型的需求。其次,施工人員應(yīng)控制節(jié)段的長(zhǎng)度。預(yù)制節(jié)段的長(zhǎng)度會(huì)受到運(yùn)輸以及拼裝吊具等因素的影響,例如若預(yù)制場(chǎng)地距離安裝地點(diǎn)較遠(yuǎn),在運(yùn)輸時(shí)就需要選擇公共運(yùn)輸系統(tǒng),避免影響正常交通。若預(yù)制場(chǎng)地就在施工現(xiàn)場(chǎng),就可以適當(dāng)增加預(yù)制節(jié)段的長(zhǎng)度。此外,施工人員應(yīng)控制預(yù)制節(jié)段的接縫。節(jié)段間的接縫分為干接縫與濕接縫,在應(yīng)用了體外索或沒有冰凍穩(wěn)定等情況時(shí)便可以采用干接縫,有利于加快施工速度[7]。但是,應(yīng)用干接縫不能使預(yù)制節(jié)段實(shí)現(xiàn)完全水密封性,可能會(huì)對(duì)預(yù)應(yīng)力壓漿質(zhì)量造成影響,影響預(yù)應(yīng)力索的防腐效果。因此,一般在雨水較多的地區(qū)采用濕接縫,可以彌補(bǔ)節(jié)段結(jié)合面的缺陷,也可以增強(qiáng)密封性。
例如,仁化(湘粵界)至博羅公路新豐至博羅段TJ21 標(biāo)跨廣河橋梁施工采用了節(jié)段預(yù)制施工方式。蓋梁施工是關(guān)鍵環(huán)節(jié),為保證立柱完整性,采用鋼摩擦箍作為蓋梁施工平臺(tái)的支撐,摩擦箍為有加勁肋的2 塊半邊圓形鋼板,其直徑和弧度與立柱一致。摩擦箍安裝好后,即在上面安裝貝雷平梁或45#工字鋼和小型槽鋼,鋪設(shè)底模(具體施工流程如圖4 所示)。其次,需要進(jìn)行梁板安裝。在架橋機(jī)架設(shè)梁板前,提前通知相關(guān)部門,對(duì)所占用的半幅車道進(jìn)行封閉,進(jìn)行梁板架設(shè)作業(yè)。主要利用JSHB170 雙導(dǎo)梁架橋機(jī)安裝預(yù)制小箱梁,該架橋機(jī)額定起重重量170t,適宜跨度20~40m。由龍門吊移梁到運(yùn)梁車上,由運(yùn)梁車運(yùn)至待安裝處喂梁給架橋機(jī)。預(yù)制小箱梁應(yīng)控制在60 天齡期內(nèi)安裝。安裝前,檢測(cè)支座墊石頂面標(biāo)高、平整度等項(xiàng)目,放出梁板端線、邊線、支座位置十字線和邊緣點(diǎn)等,各項(xiàng)指標(biāo)合格后,才進(jìn)行梁板架設(shè)。之后安排運(yùn)梁車經(jīng)規(guī)劃線路送梁至架橋機(jī)腹中,橫梁后退,桁車把梁吊起向前運(yùn)行,在向前運(yùn)行時(shí),把梁橫移到預(yù)架梁位置。并將梁板放置在指定位置,安裝之后需立即進(jìn)行濕接縫鋼筋焊接,從而固定梁板。

圖4 蓋梁施工流程
一般會(huì)將節(jié)段拼裝制作為企口縫,施工人員可以利用腹板企口縫調(diào)整高程,利用頂板金口縫控制節(jié)段的水平位置,從而為拼裝提供便利,并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的抗剪能力。若預(yù)制節(jié)段的底板處設(shè)置了預(yù)埋件就需要將其當(dāng)作固定拼裝過程中的臨時(shí)筋。若腹板拼裝面設(shè)置的有連續(xù)的凹凸樺,就需要在頂板上預(yù)留兩個(gè)水平半圍形的槽口與兩個(gè)垂直梯形的槽口,從而為后續(xù)的安裝定位提供便利。在安裝時(shí),施工人員可以在拼裝面上涂抹環(huán)氧樹脂,增強(qiáng)拼裝面的粘度。而撓度控制也至關(guān)重要,若沒有控制好撓度不僅會(huì)對(duì)線形產(chǎn)生影響,也會(huì)加大后續(xù)的合龍難度,因此需要根據(jù)施工情況以及徐變情況計(jì)算預(yù)拱度,并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整預(yù)拱度。施工人員可以利用張拉力筋或張托力筋調(diào)整預(yù)拱度,若調(diào)整難度較大可以利用千斤頂進(jìn)行調(diào)整,確保接觸面的縫隙中可以嵌入比較軟的金屬。
一般情況下,施工單位都會(huì)在懸臂拼裝的節(jié)段橋梁跨中設(shè)置1.5-2.0m 的合龍段,在調(diào)整主梁標(biāo)高之后再將梁連成一個(gè)整體。在施工過程中,施工人員可以利用現(xiàn)澆或節(jié)段拼裝合龍這兩種方式,但是現(xiàn)澆的施工工期相對(duì)較長(zhǎng),工序也比較復(fù)雜,但是調(diào)整難度較小。節(jié)段拼裝這種方式的施工工期相對(duì)較短,但是對(duì)拼裝的精度要求比較高。懸臂拼裝的PC 連續(xù)梁無論是在經(jīng)濟(jì)還是技術(shù)上都具有較強(qiáng)的可行性,機(jī)械化程度也比較高,可以進(jìn)行工廠化生產(chǎn)。同時(shí),懸臂拼裝的PC 連續(xù)梁可以加大跨度,降低成本,也比較適用于曲線梁。
在預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中,連接方式影響著結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。在預(yù)制橋梁當(dāng)中,樁基、墩柱、底系梁、蓋梁、橋面板與預(yù)制梁片之間的連接采用的是濕縫方法施工。當(dāng)前,主要采用干連接與濕連接這兩種方法。其中,干連接指的是干作業(yè)連接方式,在連接時(shí)不需要應(yīng)用混凝土,可以直接通過在連接的構(gòu)件當(dāng)中植入鋼板或其他鋼部件并應(yīng)用焊接或螺栓連接的方式連接[8]。而濕連接指的是在連接時(shí)利用混凝土澆筑或水泥澆筑的方式進(jìn)行連接。例如,在橋梁上跨沈海高速(平面圖如圖5 所示)施工中,當(dāng)預(yù)制梁架設(shè)完畢之后,需要利用現(xiàn)澆濕接縫與橫隔板將預(yù)制梁連接成一個(gè)整體。在施工過程中,施工人員需要優(yōu)化施工工藝流程,即現(xiàn)澆濕接縫、橫隔板施工工藝流程:施工準(zhǔn)備→鋼筋加工及安裝→模板安裝→混凝土澆筑→拆模養(yǎng)護(hù)。之后,施工人員需要做好施工準(zhǔn)備工作。主要是對(duì)預(yù)制梁板橫隔板處以及梁翼板處進(jìn)行鑿毛處理,鑿毛痕跡做到飽和,并用水沖洗干凈。同時(shí),施工人員應(yīng)做好鋼筋加工與安裝工作。在加工鋼筋時(shí),需預(yù)先根據(jù)橫隔板、濕接縫的尺寸的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)配料,完成后一次綁扎成型。制作鋼筋應(yīng)選擇在現(xiàn)場(chǎng)平整的地面上進(jìn)行,以保證鋼筋清潔。鋼筋應(yīng)無灰塵,無銹蝕、松散銹皮、油漆、油脂、油或其它外來物質(zhì),無有害的缺陷。鋼筋制作及安裝嚴(yán)格按施工圖紙及技術(shù)規(guī)范進(jìn)行,確保焊接質(zhì)量。完成鋼筋安裝后,施工人員應(yīng)做好模板安裝。濕接縫底模模板采用木模板,模板制作時(shí)接縫要嚴(yán)密,錯(cuò)臺(tái)符合規(guī)范要求,以利模板整體外觀效果。此外,施工人員需做好混凝土澆筑工作,在濕接縫混凝土澆筑順序應(yīng)從跨中向兩端一次澆筑完成。在濕接縫砼初凝后終凝前用鋼絲刷對(duì)其表面刷毛處理,嚴(yán)禁施工人員直接站在砼面上,第一遍縱向刷,第二遍橫向刷。

圖5 橋梁上跨沈海高速平面圖
為了降低結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工的污染性,減小施工對(duì)周圍環(huán)境與大氣的影響,應(yīng)當(dāng)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)工業(yè)化裝配建造并對(duì)橋墩進(jìn)行預(yù)制拼裝。一般情況下,可以在山區(qū)高墩以及城市密集區(qū)高架橋梁當(dāng)中應(yīng)用拼裝橋墩。在地震荷載作用下,橋梁下部結(jié)構(gòu)是主要的耗能構(gòu)件,因此需要深入研究如何劃分橋墩預(yù)制節(jié)段、如何進(jìn)行節(jié)段連接等問題。橋梁下部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝的例子相對(duì)較少。布朗克斯河高架橋以及美國(guó)索米爾河高架橋的橋墩應(yīng)用了節(jié)段預(yù)制拼裝工藝,主要是利用預(yù)應(yīng)力筋連接預(yù)制節(jié)段。在施工過程中,節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩的拼裝方向以豎向?yàn)橹鳎?jié)段預(yù)制拼裝的難度相對(duì)較大,可能會(huì)拖延施工進(jìn)度。且豎向預(yù)應(yīng)力筋穿束難度也比較大,可以嘗試采用高強(qiáng)混凝土連接、波紋管連接以及鋼套筒連接等連接方式,增強(qiáng)節(jié)段連接的牢固性。之后,技術(shù)人員可以測(cè)試連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能并對(duì)不同的連接方式進(jìn)行橋墩擬靜力試驗(yàn)。最終發(fā)現(xiàn),利用這些方法進(jìn)行拼裝橋墩的連接可以有效增強(qiáng)橋墩的抗震性能。近年來,節(jié)段預(yù)制拼裝工藝在橋墩中的應(yīng)用范圍越來越廣泛。例如,上海S7 公路新建工程當(dāng)中不僅應(yīng)用了節(jié)段預(yù)制拼裝橋墩,也應(yīng)用了節(jié)段預(yù)制拼裝蓋梁,且利用牛腿式垂直拼縫連接的方式連接節(jié)段,不僅降低了施工風(fēng)險(xiǎn)也減小了施工對(duì)環(huán)境的影響。
當(dāng)前,現(xiàn)有的預(yù)制拼裝式橋梁在梁片吊裝方面有較為完善的設(shè)備和技術(shù)。但是,樁基成孔與吊裝設(shè)備不夠成熟,需要不斷改良。例如旋轉(zhuǎn)樁機(jī)、鉆孔樁機(jī)等設(shè)備在防踏孔、成孔垂直度以及施工周期等方面無法滿足大樁徑的預(yù)制樁施工需求,需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改良。
相比于混凝土現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的整體性相對(duì)較差,且抗震性能也比較差。因此,在進(jìn)行基于裝配式技術(shù)的節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁施工時(shí)不僅需要計(jì)算預(yù)制柱使用階段的強(qiáng)度,也需要根據(jù)吊裝與運(yùn)輸時(shí)的受力情況以及混凝土的實(shí)際強(qiáng)度計(jì)算吊裝與運(yùn)輸時(shí)的強(qiáng)度和裂縫寬度。
在工程橋梁施工過程中應(yīng)用基于裝配式技術(shù)的節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)時(shí)應(yīng)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)、拼裝設(shè)備技術(shù)以及結(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法,在預(yù)制節(jié)段施工時(shí)應(yīng)控制節(jié)段幾何尺寸、節(jié)段長(zhǎng)度、預(yù)制節(jié)段接縫,做好安裝定位與撓度控制工作、優(yōu)化合龍段與施工,保障橋梁施工的質(zhì)量。