装配式桥梁施工工艺及构件连接方式综述

装配式桥梁施工工艺及构件连接方式综述

李啸乾，张超，高仰煊

 东北林业大学  （黑龙江  哈尔滨  150001）

摘  要  近年来为满足现代化桥梁施工需求，桥梁现场浇筑施工的弊端逐渐展露出来：噪声影响、环境污染等，老旧的施工方式正在被装配式预制施工所替代，本文阐述了装配式桥梁的发展历程以及国内外的应用实例，通过分析装配式桥梁的受力机理、连接方式以及设计方法，文中按照上部结构、下部结构进行分析其施工工艺以及施工过程，上部结构中的先张法预制和后张法预制做出对比，下部结构则是分析装配式桥梁的连接方式以及分析下部结构中拼装工艺出现的，总结出装配式桥梁现今存在的问题

关键词：装配式桥梁 施工工艺 下部结构；预制加工

1装配式桥梁的背景

当今，随着社会的进步和人民环保意识的逐渐提升，城市建筑应当与政府部门的要求积极响应，施工环境成为人民生活中不可忽视的一个问题，其中以城市核心桥梁为主，桥梁施工期空气污染、施工期噪声污染是其首先要考虑的。

与传统的桥梁施工方法比较，装配式桥梁的优势主要表现在以下几点：

（1）施工的效率在提高。构件的分块化设计以及桥梁的预制装配，使正常施工阶段流水化，在相同工期内大幅提升施工质量。减少了城市桥梁施工现场作业，对于城市交通线的压力也减轻甚多。

（2）节能环保。对于装配式桥梁，桥梁的上、下部结构是通过预制构件成型后，运输至现场拼装成桥梁主体。降低施工噪音、节约施工现场的场地面积的同时也减轻了施工期对环境以及周边居民的影响。

装配式桥梁具有传统桥梁建造方法无法比拟的许多优点，更符合我国环境保护、以人为本、节约资源的理念，装配式定会是我国桥梁建造业的最终趋势。

2装配式桥梁的发展历程

装配式的概念最早追溯于苏联成立时期，赫鲁晓夫在1954年至1961年提出建造预制版楼房，在莫斯科开始进行试验，随后在七八十年代陆续在欧美地区开始广泛推行。

1965年，张万久教授[1]根据苏联在装配式这方面取得的成就和经验，指出了我国在推广装配式钢筋混凝土在铁路桥中要解决的问题，首次提出采用装配式钢筋混凝土可降低工期，降低成本且提高劳动生产率。

1983年美国采用装配式技术建成的北卡罗莱纳州莱茵海（LinnCoveViad）高架桥；以及美国陆续建成的德克萨斯州奥斯汀市的183号高速公路桥（US183 elevated in Austin，图1）、249号州高速公路休斯敦 Louetta 街桥、新泽西州的胜利大桥 （Victory Bridge，图2）科罗拉多Vail通道桥等都大量使用了预制拼装施工方法。1998年完工的丹麦公路 铁路两用大贝尔特海峡大桥、1996年建成通车的英国塞文二桥引桥以及2000年完工的丹麦-瑞典厄勒海峡双层公路铁路两用桥等都采用了预制拼装施工方法。

2002年，刘光东教授[2]以同江至三亚国道主干线福宁高速公路上的陇头高架桥为例，提出新的计算方法，得出不同的构件连接方式以及计算体系的转换下对于结构内力的影响[3]。

郑州大学，耿佳硕提出，对于装配式桥梁的连接方式可以根据其不同的体系分为两种，用滞回曲线清晰的表达出不同体系下水平荷载与水平位移的关系。两种连接方式的连接本质不同，分为等同现浇系和非等同现浇系。顾名思义，等同现浇系与传统施工相似，在设计过程中需要将预制部分的各项性能提前计算好，要与整体浇筑的混凝土性能基本相同，保证其接触区域在外部荷载作用下能够依旧保持原有的承载力，常见的连接方式有湿接缝连接，灌浆套筒连接连接等；另一种非等同现浇系与前者相比，前者在性能上与现浇梁无限接近，但是现浇梁存在的问题，等同现浇式一样会出现，而非等同现浇式是以后张预应力钢筋的连接为主。

3装配式桥梁施工技术探究

3.1上部结构

3.1.1先张法预制梁板

先张法预应力混凝土梁属于装配式桥梁中的一种类型，用于中小型桥梁且预制构件的桥梁居多；现如今我国大部分的桥梁的上部结构最为常见还是钢筋混凝土结构，以空心板、T梁、小箱梁为主。但由于混凝土其自身的材料属性，预制梁的重量大，长途运输相对不便，材料的消耗以及成桥的整体性都是值得考虑的问题，而预应力技术的出现为以上问题交出了正确答案[4]。

在梁体预制过程中，需要精心筹划并管理混凝土的供应量，确保排水系统的正常运行以及水电管路的合理布局。在确定梁的尺寸和实际工程需求后，会对预应力钢筋进行精确切割并用锚具进行固定。随后，按照技术规范或设计图纸的规定，利用液压千斤顶进行张拉，方向从中间向两边，以此确保施工安全。此外，同一构件的预应力钢丝数量不得超过总数的1%，以防止预应力钢筋出现断筋现象。在浇铸混凝土之前，会提前预制模具，并采用振动设备来排除混凝土中的空气泡，使其更加均匀。根据特定需求，还会使用压实设备来增强混凝土的气密性。浇筑完成后，混凝土将进入保养阶段，以确保其强度得以建立。此阶段可能还需采取保温措施。当混凝土强度达到预定标准后，模具将被拆除。随后，将进行质量检查和控制，以确保最终产品符合规范要求。

此外，还会注重以下几点：确保混凝土供应充足且稳定；定期检查排水系统的运行状况；合理布置水电管路以避免相互干扰；精确切割和固定钢筋以确保其符合设计要求；按照技术规范或设计图纸规定进行张拉以保障施工安全和质量；使用合格模具和振动设备以确保混凝土的均匀性和密实性；根据需要使用压实设备进一步增强混凝土的气密性；及时进行混凝土保养和采取保温措施以确保其建立足够的强度；加强管理和监督以确保符合规范要求；在模具拆除后进行必要的检查和修复工作以确保下一次预制的质量和效率。预制流程图如图3所示。

3.1.2后张法预制梁板

后张法与先张法相比，先张法更适合中小型的预制构件的施工制作，现浇法简单来说就是在浇筑混凝土之前将钢筋拉伸，而后张法则是在浇筑混凝土之后，混凝土凝固至75%时再进行张拉钢筋；二者在本质上没有区别只是钢筋张拉的先后顺序不同，并且先张法的预应力是通过钢筋和混凝土的握裹力来保持的，在混凝土固化的过程中会损失部分应力，而后张法预应力是通过两端的锚固来保持的.

3.2下部结构

3.2.1墩柱的预加工工艺

现代化的墩柱预加工工艺主要分为几个方面：模板安装、钢筋笼绑扎、合模翻转等，解决套筒以及预埋钢筋一系列的问题导致的施工定位不精准，在工厂预制阶段就需要引入“钢筋笼和套筒分模块进行加工，整体钢筋采用水平绑扎，混凝土立式浇筑”的思路，以这个思路为主线，在施工细节上提高精度。图4为墩柱预加工流程图。

装配式桥梁墩柱中钢筋笼的预制将钢筋分模块加工，在流程图中也均有体现，墩柱的钢筋笼的位置确定是在其固定的胎架上制作加工并成型的。墩柱的钢筋笼胎架由套筒固定的底座、支架、挂片和定位板组成。

（1）胎架主要由支架、底座、挂片和定位板等构件组成，挂片和定位板的设置是为了使钢筋的定位精准，在定位板上部有螺丝，拧紧即固定，同时也方便在施工现场对钢筋位置进行微调。

（2）预制的墩柱一般的吊装方案需要采用翻转台设备和橡胶垫作为支点的单机吊装，在墩柱的底端设置翻转台或者采取单边起吊来实现翻转，在柱下平放橡胶垫，使得混凝土在翻转的过程中不易破碎。

3.2.2拼装施工工艺

装配式施工在下部结构上的应用以墩和盖梁的预制、运输以及盖梁的现场化拼接为主。当今构件与构件间的连接方式大多是钢筋连接型，是指在灌浆料的和筒壁的相互作用下，将钢筋进行包裹连接处理而形成的金属套筒，又名灌浆套筒连接，由于其造价低、施工快的优点而被广泛应用到实际工程中。其原理就是形成一套稳定且精准的连接体系，预埋钢筋和套筒间浇筑水泥，硬化后使其对接[5]。桥墩连接的钢筋是影响桥墩力学性能的主要因素，其直径的增加、套筒长度的增长都可以使整个连接体系更加稳定，间接增加其承载能力。有关文献研究表示，现浇式桥墩接头与装配式桥墩接头的力学性能相对比，通过建立OpenSees模型和Abaqus模型来模拟真实桥墩的受力机理。与现浇桥墩相比，装配式桥梁的桥墩其强度建立的速度比较缓慢，而且刚度退化的速度比较快，但后期的承载能力二者相差不大，装配式桥墩接头处的滞回性能与现浇施工的桥墩相比更加明显，耗能能力更小[6]；

反观灌浆套筒连接也存在弊端，整个连接体系在结构内部，结构形式肉眼无法直观的看见，因此在施工人员方面存在的漏洞以及材料属性本身存在的问题上还有很大的完善空间。对此，总结以下几点在灌浆套筒连接上易出现的问题：

（1）套筒内浆体回流问题

若套筒内浆体回流则会导致筒内灌浆料分布不均匀，套筒壁与灌浆料之间的握裹力达不到要求，造成这种情况的主要原因是由于出浆口过早的封堵导致套筒内部有孔洞产生，或者是灌浆口封堵不及时导致漏浆。因此灌浆料的密实度是值得关注的一个因素之一。

（2）钢筋锚固长度不足

按照规范，伸入灌浆筒的钢筋长度应该符合灌浆套筒的参数要求。由于上半段钢筋是由工厂预制而成，下半段钢筋在现场伸入桶内，因此会出现现场安装偏差过大的问题，就会导致伸入长度不足、钢筋错位，影响套筒内受力平衡，导致灌浆料对于套筒的依附性下降[7]。

（3）灌浆料强度与预期强度不符

《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》JGJ355-2015规定了灌浆料强度范围，对养护时间28天的强度为85MPa的灌浆料，要求在进行接头拉伸试验的当天抗压强度为80MPa到95MPa左右。但由于施工工作人员或者材料属性本身的问题导致灌浆料与钢筋的握裹力不足，譬如灌浆机用水湿润后未将水及时排除，使得灌浆料的配比混乱，达不到设计的标准[8]。

由上可知，拼装技术造成的误差以及出现的问题不可忽视，在原材料的把控以及规范施工组人员才是拼接施工工艺中的重要一环。

4结语与展望

装配式桥梁的出现使得当代城市化桥梁施工更加符合环境要求、人民生活要求，在施工的进程上看，装配式桥梁正在逐渐取代现场浇筑施工成为主流。但装配式桥梁还存在一些连接方面的问题：浆体回流、钢筋锚固强度不足、灌浆料强度不足，在今后的研究中还可以对以下几点做出改进：

（1）装配式桥梁的核心在于其上下部结构的连接方式，预应力连接和套筒连接，在今后的研究中可以在灌浆套筒中的灌浆料进行深入研究，将正常混凝土换成聚氨酯混凝土或UHPC混凝土等[9]，在原材料做出改进。

（2）在进行模拟分析时可以模拟地震动对桥梁下部的影响，同时通过多尺度有限元进行分析其连接方式在地震作用下的力学作用机理。

参考文献

[1]张万久.装配式混凝土及钢筋混凝土在铁路桥梁方面的应用及在推广上所要解决的问题[J].唐山铁道学院学报,1956(03):17-34.

[2]刘光东,张晟斌.浅析装配式连续刚构桥的设计与施工[J].公路交通技术,2002(S1):53-55.

[3]耿佳硕. 采用UHPC现浇湿接缝连接的装配式桥墩抗震性能研究[D].郑州大学,2019.

[4]李星宇. 先张法预应力混凝土叠合梁设计方法与放张关键技术研究[D].北京建筑大学,2022.DOI:10.26943/d.cnki.gbjzc.2022.000680.

[5]翟文旭,郑七振.装配式桥梁下部结构施工技术及质量控制要点[J].建筑施工,2020,42(09):1751-1753.DOI:10.14144/j.cnki.jzsg.2020.09.050.

[6]陈晓飞,熊文,宋晓东等.装配式桥梁下部结构接头力学特性分析[J].公路,2022,67(07):176-183.

[7]李虎,谢相峰,林拥军等.装配式混凝土结构套筒灌浆连接质量检测技术研究进展及发展趋势[J].施工技术(中英文),2023,52(08):1-9+22.

[8]赵广军,王晓锋.行业标准JGJ 355—2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》(2023年版)局部修订情况简介[J/OL].工业建筑,1-5[2023-12-11]https://doi.org/10.13204/j.gyjzG23091908.

[9]米家禾.榫头UHPC连接装配式桥墩抗侧力性能研究[D].山东建筑大学,2023.DOI:10.27273/d.cnki.gsajc.2023.000691



黑龙江省交通运输厅基金项目：寒区装配式中小桥梁技术推广应用及标准编制，2023HLJ031