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一次产业转型的契机——工业化装配式桥梁技术的探索与实践

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一次产业转型的契机——工业化装配式桥梁技术的探索与实践

 

工业化装配式桥梁技术,是将桥梁的主要构件先在工厂中预制、后运至现场拼装完成桥梁建设的一种创新技术,是加快施工速度、减少现场污染、实现低碳化建设的有效手段。目前桥梁上部结构的预制拼装,经过若干年的实践与探索已较成熟,而对于桥梁下部结构的装配式技术,虽然起步较晚,但通过近些年的探索也积累了一定的经验。近年来,随着交通运输压力增大,降低市政施工对日常生活影响的需求越来越强,装配式桥梁技术也将会有更广阔的应用空间。

 

装配式连接技术

 

上部结构的预制拼装技术出现较早。自1951年德国工程师Finsterwalder 在Lahn 河上建造了第一座悬臂浇筑施工的预应力混凝土桥梁,便形成了现代意义上的悬臂浇筑施工法。1978年美国佛罗里达州建成的Long Keys(长礁桥101×36m)是首座采用预制节段拼装施工的体外预应力桥梁,该工程创造了每周架桥108m的施工速度。我国对预制节段拼装预应力混凝土桥梁的研究始于20世纪60年代。图1为2005年建成的圆弧底节段预制大箱梁。一次产业转型的契机——工业化装配式桥梁技术的探索与实践插图

图1 上海沪闵高架二期工程

 

目前,我国上部结构的预制拼装技术发展已比较成熟,下部结构的预制拼装技术,以及开展的一些关键技术研究有待进一步探讨。相对上部结构的预制拼装技术而言,下部结构的预制拼装发展较晚,其难点在于接缝的抗震性能。第一座采用预制拼装桥墩技术建造的典型桥梁,是美国1978年开始建造的Linn Cove高架桥,该桥下部桥墩预制节段采用有粘结后张预应力筋连接,环氧接缝构造,增强耐久性,通过采用预制拼装技术顺利解决了环境制约与工程进度等问题,成为预制拼装技术应用的一个典型工程范例。 

随后,在美国、加拿大一些地震危险性低的地区,预制拼装桥墩技术应用逐渐增多,例如位于美国科罗拉多州的Vail Pass桥梁的下部桥墩,就采用了有粘结后张预应力筋连接。随着人们对预制拼装立柱抗震性能的进一步研究,立柱的预制拼装技术开始在一些地震危险区应用。2011年建成的美国I-5 Grand Mount to Maytown I/C 2-span Precast Girder Bridge是第一座考虑抗震性能的、采用预制拼装技术建造下部桥墩的桥梁工程,如图2所示。在国内,2010年上海在S6公路新建工程试验段中率先采用灌浆套筒连接技术实现了装配式立柱的建造,并在之后2016年9月通车的嘉闵高架工程中进行了全面推广。该工程是国内首次大规模采用装配式桥墩技术,通过该技术大大缓解了施工期的交通压力(如图3所示),同时实现了高品质、短周期的桥梁建设。

 

一次产业转型的契机——工业化装配式桥梁技术的探索与实践插图1

图2 美国I-5 Grand Mound to Maytown Stage 2桥

 

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图3 嘉闵高架装配式立柱施工

 

对于装配式盖梁,较早的是参考节段预制拼装主梁的技术,嘉闵高架新建工程也采用了两种形式的装配式盖梁技术,一种为上下分层盖梁,一种为节段拼装,如图4所示。
一次产业转型的契机——工业化装配式桥梁技术的探索与实践插图3

图4 嘉闵高架装配式盖梁施工

 

装配式立柱

装配式立柱的关键是桥墩与承台以及盖梁的连接方式。目前国内外采用的装配式立柱连接方式大致有以下几种:

 

1.有粘结后张预应力筋连接

有粘结后张预应力筋连接构造往往配合砂浆垫层或环氧胶接缝构造实现节段预制桥墩的建造,方案中的预应力筋可采用钢绞线或精轧螺纹钢等高强钢筋。该构造特点是预应力筋通过接缝,实际工程应用较多,设计理论和计算分析以及施工技术经验成熟;不足的是墩身造价相对传统现浇混凝土桥墩要高许多,同时现场施工需对预应力筋进行张拉、灌浆等操作,施工工艺复杂,施工时间较长。

 

2.灌浆套筒连接

预制墩身节段通过灌浆联接套筒连接伸出的钢筋,在墩身与盖梁或承台之间的接触面往往采用砂浆垫层,墩身节段之间采用环氧胶接缝构造,如图5所示。构造特点是施工精度要求较高,现场施工时间短,同时也不需要张拉预应力筋,现场工作量显著减小,其正常使用条件下的力学性能与传统现浇混凝土桥墩类似,因此具有一定的经济优越性。国外应用经验,低地震危险区已开始广泛应用,高地震危险区域的应用和科学研究还在进行中。

 

一次产业转型的契机——工业化装配式桥梁技术的探索与实践插图4

图5 预制拼装桥墩和灌浆套筒连接构造图

 

3.灌浆金属波纹管连接该连接构造常用于墩身与承台或墩身与盖梁的连接,预制墩身通过预埋于盖梁或承台内的灌浆金属波纹管连接墩身内伸出的钢筋,在墩身与盖梁或承台之间的接触面往往采用砂浆垫层,墩身节段之间采用环氧胶接缝构造,见图6。该构造现场施工时间短,但需要满足纵筋足够的锚固长度,其力学性能与传统现浇混凝土桥墩类似。目前国外已有少数桥梁使用这种连接构造进行施工,高地震危险区域内应用较少,其抗震性能如何目前仍在研究中。 

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图6 灌浆金属波纹管连接

 

4.插槽式连接插槽式连接构造已在一些桥梁工程中应用,主要用于墩身与盖梁、桩与承台处的连接,与灌浆套筒、金属波纹管等相比,优点是所需施工公差可以大一些,现场需要浇筑一定的混凝土。 

5.钢筋焊接或搭接并采用湿接缝

预制拼装桥墩预先伸出一定数量的钢筋,以便与相邻构件预留钢筋搭接,需设临时支撑,钢筋连接部位需通过后浇混凝土(湿接缝)方式连接,这也是目前国内较多采用的节段拼装桥墩的设计思路。采用该构造建造桥墩,力学性能往往与传统现浇混凝土桥墩类似,但湿接缝的存在会增加施工时间和现场钢筋搭接、浇筑的作业量,从快速施工角度考虑,该方案存在一定不足。

 

6.承插式连接

承插式接缝连接构造是将预制墩身插入基础对应的预留孔内,插入长度一般为墩身截面尺寸的1.2~1.5倍,底部铺设一定厚度的砂浆,周围用半干硬性混凝土填充。优点是施工工序简单,现场作业量少,不足的是接缝处的力学行为、特别是抗震性能如何,尚需进一步研究,国内北京积水潭桥采用该连接构造建造,美国一些桥梁也采用该连接构造。

此外,近年来国内外一些研究人员还提出其他一些类型的预制墩身节段联接构造,如增设耗能钢筋连接构造、混合式连接构造等,但由于种种限制条件,目前仍处于学术研究阶段。

 

装配式盖梁

盖梁的主要作用是将主梁承担的荷载传递至桥墩,目前常见的施工方法以现浇为主。国内外对盖梁的装配式进行了初步探索,已完成部分尝试。按其分段方法分类,装配式盖梁可分为全预制盖梁和半预制盖梁。

全预制盖梁是现阶段快速施工采用的主要方式,其特征为将盖梁横向(或纵向)分段(或分片)预制,现场拼装只对接缝进行处理,无需立模浇筑。根据节段分割方式,可继续划分为整体全预制、横向切分、纵向切分和纵横综合切分三类。半预制盖梁是目前新提出的快速施工方法,其特征为盖梁部分预制、部分现浇。按不同的预制结构可细致划分为后浇带式和外壳预制。

在桥梁工程上,我国现阶段主梁快速施工方式可统称为“梁体横向切分全预制”,盖梁同样沿用了这种方式,值得探究的是横向切分方式的连接面处理。按连接面不同处,可将盖梁横向切分全预制方法继续分解为:小键齿结合拼装、大键齿结合拼装、钢键结合拼装、牛腿结合拼装等。

 

装配式结构的力学性能

 

装配式立柱的抗震性能装配式的抗震性能是阻碍全预制拼装技术,在高地震危险区域桥梁中应用的一个技术难题,为了实现全预制拼装技术的全面推广应用,必须对预制拼装立柱的抗震性能做深入研究。在以典型实际工程桥墩构造为原型,选取套筒(Coupler)、波纹管(Duct)和有粘结预应力筋三种预制拼装连接方式,进行矩形实心节段预制立柱的低周反复水平加载缩尺试验研究,通过对不同构造细节下节段预制立柱试件的拟静力试验和有限元数值分析,我们研究了不同构造方式下节段预制立柱的滞回特性、延性变形、接缝处的非线性力学行为、损伤和破坏机理等。试验情况如图7。其中一组试件的破坏形态如图8。 

一次产业转型的契机——工业化装配式桥梁技术的探索与实践插图6

图7 试件实际加载图及加载变形后的图

 

一次产业转型的契机——工业化装配式桥梁技术的探索与实践插图7

图8 试件的破坏形态

 

试验结果表明,采用套筒(Coupler)、波纹管(Duct)预制拼装连接构造的桥墩与传统现浇混凝土桥墩相比,具有相近的抗震性能,可满足预期抗震性能的要求,有粘结预应力筋连接预制拼装桥墩具有现浇混凝土桥墩相近的变形能力,但耗能能力较弱。此外,通过计算分析、连接装置试验、整批试件的制作和运输过程的研究表明,套筒(Coupler)和波纹管(Duct)两种预制拼装连接方式,从立柱总体受力、构造连接、抗震性能和整个施工工艺细节,可以满足当前设计和施工的要求,可用于工程实践。装配式盖梁的抗剪性能和抗弯性能

 

目前,装配式盖梁采用整体预制横向分段的方式较多,本文依托于工程实践,选取25m的大悬臂盖梁为研究对象,对其抗剪性能和抗弯性能进行试验研究。

抗剪性能试验考虑拼接缝间键齿个数、位置、大小等3个试验参数,共设计了5个试件。通过模型试验,研究了在荷载作用下,剪切裂缝的产生和发展、接缝破坏形态及抗剪承载力,考察了试验参数对抗剪承载力的影响。

 

一次产业转型的契机——工业化装配式桥梁技术的探索与实践插图8

图9 装配式盖梁抗剪性能试验

 

试验结果表明:(1)环氧树脂胶明显提高了试件的抗剪承载力,改变了试件的剪切破坏模式。对于平接缝试件来说,破坏模式由克服接缝面间的摩擦力,转变为环氧树脂胶周围混凝土破坏;对于单键齿试件来说,齿根直剪破坏表现得更加明显。(2)键齿接缝试件的抗剪承载力大于平接缝试件的承载力;三键齿试件的抗剪承载力并非单键齿试件抗剪承载力的代数和。(3)在偏心循环荷载下,大剪力键受力性能较好;在相同面积的拼接面偏载下,设置大剪力键比设置多个小剪力键的极限承载力高5%左右。在偏心加载下,多个小剪力键的刚度仍然大于大剪力键。对于装配式盖梁的抗弯性能,设计了3个试件。试验参数包括剪力键类型、受力类型。受力类型指均匀加载和偏心加载。针对大悬臂盖梁的受力特性,提出了大悬臂预制盖梁的循环荷载加载方案,进行了正常使用阶段和模拟地震荷载阶段的加载。

 

一次产业转型的契机——工业化装配式桥梁技术的探索与实践插图9
试验结果表明:(1)大剪力键正载试件的峰值水平荷载较小,仅为小剪力键试件的71%,极限位移只有小剪力键试件的58%左右。主要原因是混凝土剪力键的外凸部分厚度不够,在接缝未张开的情况下,外凸顶面与内凹的底面部分没有接触。因此在实际应用中,一定需要采用匹配浇筑,使外凸顶面与内凹底面充分完好接触。(2)有粘结预应力筋构造分段盖梁具有较强的自复位能力。(3)在不受预应力管道影响的区域,布置小剪力键方案是大悬臂预制拼装盖梁的较佳方案。 
标准体系
装配式桥梁技术在实际工程中的推广应用需要有完备的规范、标准体系的强力支撑,包括材料、设计、施工、验收、养护、造价、工业化评价(适用桥梁工业化预制装配率程度评价)等各方面的内容。国内标准体系现状及构建

我国目前现行的桥梁设计标准有行业标准《城市桥梁设计规范》CJJ 11-2011和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG 3362-2018等,这两部行业标准对桥梁结构的设计给出了详细的规定,但涉及装配式桥梁技术的规定较少,也未给出详细的计算方法,很大程度上制约了装配式桥梁结构的推广应用。由上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司于2015年编制的国内第一部专门针对装配式桥梁结构的标准——上海市工程建设规范《预制拼装桥墩技术规程》DG/TJ 08-2160-2015,为上海市乃至全国装配式桥梁技术的推广应用奠定了基础。交通部等行业标准也正在编制中。

 

标准中的特殊关键技术

标准的制定是用于指导工程实践,以利于工程技术的推广应用。装配式桥梁结构设计总体上需要满足现行行业标准《城市桥梁设计规范》CJJ 11和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG 3362的规定。但在装配式桥梁结构特有的技术方面,需要相应的标准规范给出规定,装配式桥梁结构标准体系就需解决此类问题,尤其与传统现浇结构不相一致的地方需要特别给出规定。包括:

 

1.灌浆套筒连接的锚固长度

灌浆套筒连接在建筑结构应用比较成熟,在建筑工业行业标准《钢筋连接用灌浆套筒》JG/T 398-2012中规定,灌浆连接端长度不宜小于8倍钢筋直径。建筑中采用的钢筋直径较小,同时也较少承受动力荷载,因此可以将锚固长度控制在8倍钢筋直径左右;而对于桥梁工程,桥墩立柱中采用的钢筋直径普遍较大,且需要承受动力荷载,为保证安全取用10倍锚固长度是合理的。

 

2.预制构件的吊点设计

桥梁工程与建筑工程另一明显区别是预制构件的重量。建筑工程中预制构件普遍重量较小,吊装方便,因此在现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(2015版)中规定,吊环应采用HPB300 钢筋或Q235B 圆钢。在桥梁工程中,之前采用的预制节段梁吊装较多,因此现行行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG 3362-2018中,也规定吊环应采用HPB300钢筋制作;然而对于预制桥梁下部结构,预制构件重量较大,同时在施工和运输过程中会涉及构件的翻转,因此限定吊环采用HPB300钢筋制作并不合适。吊环可以采用预应力钢绞线进行制作。

 

3.灌浆连接件的检测

灌浆连接技术难以检测也是阻碍装配式桥梁结构的推广应用的问题,预埋钢丝拉拔法、芯片法、反射式超声法等多种检测技术已研发成功,将在新修订的上海市地方标准中发布。

工业化装配式桥梁技术,不仅能很好地控制工程质量,而且能加快施工速度、减少环境污染,同时也符合低碳化、和谐社会的发展要求,将是一套高效、低碳、环保的桥梁建造技术,具有广阔的应用前景。装配式桥梁技术的出现,也是一次产业转型的契机。政府应在政策上进行鼓励,设计师需要在理念上创新,承包商需要在管理上进行转型。同时坚持产、学、研、用的整体技术开发路线,才能真正提升装配式桥梁的质量和性能,进而推广应用。

 

本文刊载 /《桥梁》杂志

2020年 第3期 总第95期

作者 / 周良 闫兴非 李雪峰

作者单位 / 上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司

编辑 / 盛超

美编 / 赵雯

责编 / 陈晖

审校 / 裴小吟 廖玲

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