基于装配式技术的节段预制拼装桥梁施工方案探讨

2022-02-21李旭LIXu

价值工程 2022年5期

关键词：节段装配式预应力

李旭LI Xu

（广东冠粤路桥有限公司，广州511450）

0 引言

相比于国外，我国装配式技术与节段预制拼装桥梁技术起步较晚，但近年来发展较快，在工程桥梁施工中占据着重要地位。且装配式技术与节段预制拼装技术有利于提升桥梁施工质量，因此本文将对基于装配式技术的节段预制拼装桥梁施工方案进行简要分析。

1 装配式技术概述

1.1 装配式技术的概念与优点

装配式技术指的是先在加工厂里加工施工所需要的构件，之后在施工场地直接装配预制构件的技术[1]。装配式技术具有多重优点，例如有利于提高施工质量、加快施工进度等。第一，有利于提高施工质量。装配式构件是在工厂当中预制的，可以改善桥梁开裂、渗漏等问题，提高桥梁施工的质量与耐久性。第二，有利于加快工程进度。装配式技术是先在工厂中预制配件，不需要在施工现场进行定制，可有效加快施工进度。第三，有利于提高工程品质。预制配件的问题在施工前就得以解决，在施工时基本不会出现问题，有利于提高工程品质。

1.2 装配式预制桥梁技术的应用前景

第一，高性能混凝土桥梁。二十世纪以来，在技术水平不断提升的背景下，混凝土的强度不断提升，且出现了高强混凝土与高性能混凝土，其强度超过了60MPa，之后人们又研发出了超高性能混凝土。在应用这些混凝土时，节段预制施工结构中节段间的联接可靠度会对预制拼接结构的受力性能产生影响，需加强注意。第二，城市市政桥梁。城市高架或轨道交通高架等工程具有长度长、线形单一以及施工周期短等特点，所以比较适合应用装配式技术与节段预制拼装技术。在桥梁建设过程中，预制工程数量不断增加，预制生产成本会得到摊销，工程造价就会有所降低。且大型施工设备也会越来越完善，可以为节段预制拼装桥梁施工奠定基础。第三，轨道交通与铁路桥梁。轨道交通当中的铁路桥梁与高架桥梁具有桥宽较小的特点，结构主要采用传统的箱型梁与槽型梁[2]。

2 节段预制拼装工艺概述

2.1 节段预制拼装工艺的概念与优缺点

节段预制拼装工艺指的是将梁体分为若干节段，在工厂预制之后将其运输至桥位进行组拼，通过施加预应力将节段整体拼装成桥的施工工艺（如图1 所示）[3]。早在二十世纪六十年代，欧洲就出现了节段预制混凝土箱梁。之后，节段预制技术便不断发展。在九十年代时，香港大多数桥梁都应用了节段拼装施工技术，且结构形式越来越复杂。国内第一个采用节段预制拼装施工工艺的大桥是上海浏河大桥（如图2 所示）。

图1 节段预制桥梁施工流程

图2 上海浏河大桥

与传统的施工工艺相比，节段预制拼装施工工艺具有多重优点。例如在施工时对周围交通与环境的影响比较小；节段的重量比较轻、尺寸也比较小，运输难度小，拼装速度快；场制砼的质量控制效果较好；可以降低安装及成桥后混凝土收缩徐变；比较适用于体外预应力，可以缩小梁断面的尺寸，提高材料的利用率；可以有效控制其几何形状，增强砼结构的美观性[4]。但是，节段预制拼装施工也具有一定的不足。例如，工程前期投入较大，不仅需要构建预制场地，也需要完善运输设备与架梁设备；节段之间主要是利用干接缝联结，若没有科学处理可能会导致大气当中的酸性成分与水分渗透其中，降低结构的耐久性。

2.2 节段预制拼装方法

常用的阶段预制拼装方法有长线台座法、短线台座法等。第一，长线台座法。长线台座法指的是根据所设计的制梁线型将所有的块件都放置在一个比较长的台座上匹配预制，从而使两块块件形成自然的匹配面。此方法的优点是可以有效控制几何形状，整体的构造也比较简单，在脱模后不需要立即将梁段运输至贮放地，同时偏差也不会累积。但是，此方法的占地面积较大，需要将台座设置在坚固的基础上面。第二，短线台座法。短线台座法指的是在同一个模板当中进行每一节段的浇筑工作。这一模板的一端是固定模，另外一端是先浇筑的节段，整个模板的长度只有一个节段的长度，且模板具有不可移动性，因此需要将梁段运输至贮存场地[5]。此方法的优点是占地面积小，可以进行流水线作业，可进行多类型节段的浇筑，但是对仪器有较高的要求。

2.3 预制场的建设

预制场（如图3 所示）建设是进行基于装配式技术的节段预制拼装桥梁施工的前提和基础，施工单位应科学设置预制场。预制场主要包括扎筋区、浇筑区、搅拌站以及堆放区，其中扎筋区主要是用来扎制钢筋笼与安置选模板的；浇筑区主要是安置模板、搅捣混凝土的；搅拌站主要是用来存储石料与水泥，也需要搅拌混凝土；堆放区主要是堆放交付运输与成品构件的。在进行预制场建设时，施工单位应做好规划工作，提高节段生产的效率，避免后续施工时出现场地迁移等情况；需要科学选择预制场地的位置以及运输线路，减小对工期与周围交通的影响；尽量将预制场设置在工地附近，从而降低运输成本。其次，在设置预制场时也应综合分析以下问题。例如，生产线与桥位之间的距离是否合理，是否会对周围居民的正常生活产生影响；底座的强度是否符合要求；生产线当中的小型龙门吊机是否充足等。在预制场当中需要做好模板预制、模板清理、内模安装、钢筋加工、钢筋处理、混凝土浇筑、齿块后处理等方面的工作，也需要及时将预制好的板块运输至存梁场当中，为后续的节段预制拼装施工提供便利，从而提高施工质量。

图3 预制场

3 基于装配式技术的节段预制拼装桥梁施工的关键问题

3.1 桥梁的受力行为

第一，外预应力体系受力性能。体外预应力筋与梁体混凝土之间具有相对滑动的功能，所以不能仅根据单个截面的应变协调明确预应力筋的应力增量，也应当综合分析整个桥梁结构的总体变形情况。第二，节段预制拼装桥梁的抗弯性能与抗剪性能。节段预制拼装桥梁的抗弯性能与抗剪性能会受到多种因素的影响，例如接缝的位置、接缝的类型、体内外预应力的配置比例以及配筋率等，与整体式桥梁之间有较大的差异。

3.2 结构局部受力分析与构造

首先，需要综合分析体外预应力体系转向块与锚固块的受力情况与构造情况。体外预应力体系的转向块与锚固块等区域的受力情况与构造情况较为复杂，在使用过程中若局部应力过大可能会出现结构性裂缝。拉压杆模型可以对受力复杂区域的情况进行综合分析，主要是在同一方向上承受压应力的混凝土区域设置压杆模拟，在同一方向上承受拉应力的区域设置拉杆模拟，在拉杆交汇的区域利用交点模拟，利用这些模型代替原结构的拉压杆模型，为构造与配筋设计提供便利[6]。其次，需要综合分析接缝的受力性能。相比于传统的桥梁，节段预制拼装桥梁中存在节段接缝。节段接缝可以有效传递界面上的压力与剪力，是桥梁受力相对薄弱的位置，因此其抗剪性能直接影响着桥梁的受力性能。

4 基于装配式技术的节段预制拼装桥梁施工策略

4.1 明确预应力索

预应力索在预制节段桥梁当中的应用较为广泛。第一，腹板和模板不需要留预应力孔道，可以避免后续施工出现预留孔道堵塞的问题。第二，体外索比体内索摩阻损耗更少，所以预应力的效率更高一些。第三，体外索在厂房制作中的检查难度较小，后期维护难度也比较小。

4.2 优化预制节段施工

首先，施工人员应当控制逐段浇筑的节段几何尺寸。在进行预制拼装分段施工时，不需要应用临时支架，有利于降低成本。但是需要合理控制逐段浇筑节段几何的尺寸，增强尺寸的精确性。在预制场当中工作人员需控制结构的线型，从而满足成桥线型的需求。其次，施工人员应控制节段的长度。预制节段的长度会受到运输以及拼装吊具等因素的影响，例如若预制场地距离安装地点较远，在运输时就需要选择公共运输系统，避免影响正常交通。若预制场地就在施工现场，就可以适当增加预制节段的长度。此外，施工人员应控制预制节段的接缝。节段间的接缝分为干接缝与湿接缝，在应用了体外索或没有冰冻稳定等情况时便可以采用干接缝，有利于加快施工速度[7]。但是，应用干接缝不能使预制节段实现完全水密封性，可能会对预应力压浆质量造成影响，影响预应力索的防腐效果。因此，一般在雨水较多的地区采用湿接缝，可以弥补节段结合面的缺陷，也可以增强密封性。

例如，仁化（湘粤界）至博罗公路新丰至博罗段TJ21 标跨广河桥梁施工采用了节段预制施工方式。盖梁施工是关键环节，为保证立柱完整性，采用钢摩擦箍作为盖梁施工平台的支撑，摩擦箍为有加劲肋的2 块半边圆形钢板，其直径和弧度与立柱一致。摩擦箍安装好后，即在上面安装贝雷平梁或45#工字钢和小型槽钢，铺设底模（具体施工流程如图4 所示）。其次，需要进行梁板安装。在架桥机架设梁板前，提前通知相关部门，对所占用的半幅车道进行封闭，进行梁板架设作业。主要利用JSHB170 双导梁架桥机安装预制小箱梁，该架桥机额定起重重量170t，适宜跨度20～40m。由龙门吊移梁到运梁车上，由运梁车运至待安装处喂梁给架桥机。预制小箱梁应控制在60 天龄期内安装。安装前，检测支座垫石顶面标高、平整度等项目，放出梁板端线、边线、支座位置十字线和边缘点等，各项指标合格后，才进行梁板架设。之后安排运梁车经规划线路送梁至架桥机腹中，横梁后退，桁车把梁吊起向前运行，在向前运行时，把梁横移到预架梁位置。并将梁板放置在指定位置，安装之后需立即进行湿接缝钢筋焊接，从而固定梁板。

图4 盖梁施工流程

4.3 加强安装定位与挠度控制

一般会将节段拼装制作为企口缝，施工人员可以利用腹板企口缝调整高程，利用顶板金口缝控制节段的水平位置，从而为拼装提供便利，并增强结构整体的抗剪能力。若预制节段的底板处设置了预埋件就需要将其当作固定拼装过程中的临时筋。若腹板拼装面设置的有连续的凹凸樺，就需要在顶板上预留两个水平半围形的槽口与两个垂直梯形的槽口，从而为后续的安装定位提供便利。在安装时，施工人员可以在拼装面上涂抹环氧树脂，增强拼装面的粘度。而挠度控制也至关重要，若没有控制好挠度不仅会对线形产生影响，也会加大后续的合龙难度，因此需要根据施工情况以及徐变情况计算预拱度，并根据实际情况及时调整预拱度。施工人员可以利用张拉力筋或张托力筋调整预拱度，若调整难度较大可以利用千斤顶进行调整，确保接触面的缝隙中可以嵌入比较软的金属。

4.4 优化合龙段设计与施工

一般情况下，施工单位都会在悬臂拼装的节段桥梁跨中设置1.5-2.0m 的合龙段，在调整主梁标高之后再将梁连成一个整体。在施工过程中，施工人员可以利用现浇或节段拼装合龙这两种方式，但是现浇的施工工期相对较长，工序也比较复杂，但是调整难度较小。节段拼装这种方式的施工工期相对较短，但是对拼装的精度要求比较高。悬臂拼装的PC 连续梁无论是在经济还是技术上都具有较强的可行性，机械化程度也比较高，可以进行工厂化生产。同时，悬臂拼装的PC 连续梁可以加大跨度，降低成本，也比较适用于曲线梁。

4.5 优化节点连接技术

在预制混凝土结构当中，连接方式影响着结构整体的稳定性。在预制桥梁当中，桩基、墩柱、底系梁、盖梁、桥面板与预制梁片之间的连接采用的是湿缝方法施工。当前，主要采用干连接与湿连接这两种方法。其中，干连接指的是干作业连接方式，在连接时不需要应用混凝土，可以直接通过在连接的构件当中植入钢板或其他钢部件并应用焊接或螺栓连接的方式连接[8]。而湿连接指的是在连接时利用混凝土浇筑或水泥浇筑的方式进行连接。例如，在桥梁上跨沈海高速（平面图如图5 所示）施工中，当预制梁架设完毕之后，需要利用现浇湿接缝与横隔板将预制梁连接成一个整体。在施工过程中，施工人员需要优化施工工艺流程，即现浇湿接缝、横隔板施工工艺流程：施工准备→钢筋加工及安装→模板安装→混凝土浇筑→拆模养护。之后，施工人员需要做好施工准备工作。主要是对预制梁板横隔板处以及梁翼板处进行凿毛处理，凿毛痕迹做到饱和，并用水冲洗干净。同时，施工人员应做好钢筋加工与安装工作。在加工钢筋时，需预先根据横隔板、湿接缝的尺寸的数据在现场配料，完成后一次绑扎成型。制作钢筋应选择在现场平整的地面上进行，以保证钢筋清洁。钢筋应无灰尘，无锈蚀、松散锈皮、油漆、油脂、油或其它外来物质，无有害的缺陷。钢筋制作及安装严格按施工图纸及技术规范进行，确保焊接质量。完成钢筋安装后，施工人员应做好模板安装。湿接缝底模模板采用木模板，模板制作时接缝要严密，错台符合规范要求，以利模板整体外观效果。此外，施工人员需做好混凝土浇筑工作，在湿接缝混凝土浇筑顺序应从跨中向两端一次浇筑完成。在湿接缝砼初凝后终凝前用钢丝刷对其表面刷毛处理，严禁施工人员直接站在砼面上，第一遍纵向刷，第二遍横向刷。

图5 桥梁上跨沈海高速平面图

4.6 优化下部结构施工技术

为了降低结构现场施工的污染性，减小施工对周围环境与大气的影响，应当进行桥梁结构工业化装配建造并对桥墩进行预制拼装。一般情况下，可以在山区高墩以及城市密集区高架桥梁当中应用拼装桥墩。在地震荷载作用下，桥梁下部结构是主要的耗能构件，因此需要深入研究如何划分桥墩预制节段、如何进行节段连接等问题。桥梁下部结构预制拼装的例子相对较少。布朗克斯河高架桥以及美国索米尔河高架桥的桥墩应用了节段预制拼装工艺，主要是利用预应力筋连接预制节段。在施工过程中，节段预制拼装桥墩的拼装方向以竖向为主，节段预制拼装的难度相对较大，可能会拖延施工进度。且竖向预应力筋穿束难度也比较大，可以尝试采用高强混凝土连接、波纹管连接以及钢套筒连接等连接方式，增强节段连接的牢固性。之后，技术人员可以测试连接节点的力学性能并对不同的连接方式进行桥墩拟静力试验。最终发现，利用这些方法进行拼装桥墩的连接可以有效增强桥墩的抗震性能。近年来，节段预制拼装工艺在桥墩中的应用范围越来越广泛。例如，上海S7 公路新建工程当中不仅应用了节段预制拼装桥墩，也应用了节段预制拼装盖梁，且利用牛腿式垂直拼缝连接的方式连接节段，不仅降低了施工风险也减小了施工对环境的影响。