張立青

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

節(jié)段預制拼裝法建造橋梁技術(shù)綜述

張立青

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

節(jié)段預制拼裝法造橋是分段建造橋梁的一種,在原理上是從預應力結(jié)構(gòu)、箱梁設計和分段施工法綜合而成,經(jīng)濟技術(shù)性強,適用范圍廣。結(jié)合課題研究成果和工程實例,從包括技術(shù)特點、優(yōu)缺點、分類等節(jié)段預制拼裝造橋基本理論入手,對包括節(jié)段預制基本方法、通用制梁技術(shù)、節(jié)段梁吊裝和運輸技術(shù)等的節(jié)段預制技術(shù),包括逐跨拼裝法節(jié)段拼裝裝備、平衡懸臂法節(jié)段拼裝裝備等的節(jié)段拼裝裝備,包括節(jié)段拼裝方法、通用拼裝技術(shù)等的節(jié)段拼裝技術(shù),最后特別強調(diào)節(jié)段預制拼裝線形控制技術(shù),并對采用該技術(shù)進行橋梁設計提出建議。

預應力混凝土;橋梁;節(jié)段;預制;拼裝

1 概述

自1962年J·M·米勒爾第一個采用預制拼裝建造法國舒瓦齊勒羅瓦大橋以來,節(jié)段預制拼裝造橋技術(shù)持續(xù)發(fā)展,并從歐洲逐步推廣到全世界,成為建造橋梁主要技術(shù)之一。在我國,節(jié)段拼裝應用較早, 1966年竣工的成昆鐵路舊莊河一號橋采用了預制節(jié)段逐跨拼裝施工,但由于工程條件限制,試驗未取得滿意效果,該技術(shù)在后續(xù)工程中未得到很好推廣[1]。

隨著我國橋梁技術(shù)發(fā)展,20世紀90年代始,節(jié)段預制拼裝造橋技術(shù)重新得到應用和發(fā)展,在公路和市政領域,有福州洪塘大橋(預制節(jié)段逐跨拼裝施工)、上海滬閔二期高架橋梁(短線法預制)、上海新瀏河大橋(采用專用造橋機逐跨拼裝)等,廣州城市軌道交通4號線和廈門BRT則較大規(guī)模采用了該技術(shù);在鐵路領域,有靈武楊家灘黃河特大橋(專用移動支架造橋機、短線法預制逐跨拼裝)、石長湘江特大橋(懸臂拼裝連續(xù)梁)、蘭武河口黃河特大橋(移動支架造橋機逐跨拼裝小半徑連續(xù)彎梁)、鄭西磨溝河大橋(高速鐵路、單箱單室雙線簡支梁)、溫福白馬河特大橋(高速鐵路、雙幅單箱單室縱橫向濕接縫縱橫向預應力)、黃韓候芝水溝大橋(膠拼)等[1-6]。但整體而言,相對于我國每年建造的橋梁總量,采用該技術(shù)的橋梁所占比例極少,其應用范圍與其技術(shù)優(yōu)勢不匹配;近年來工程領域內(nèi)橋梁設計電算與仿真分析、試驗檢測和精確控制、工程機械起重與液壓電控等技術(shù)長足發(fā)展,原來限制該技術(shù)規(guī)模應用的主要難題得到有效解決,節(jié)段預制拼裝法建造橋梁技術(shù)值得進一步推廣。

2 節(jié)段預制拼裝法建造橋梁基本理論[7]

節(jié)段預制拼裝造橋技術(shù)一般指以縱向為主進行分段預制和拼裝的造橋技術(shù),即是將橋梁的梁體沿縱向劃分為節(jié)段,在工廠預制后運輸至橋位進行橋位組拼,即先“化整為零”后“化零為整”,并施加預應力使之成為整體結(jié)構(gòu)物的一種橋梁建造方法。由于工藝要求,其梁體截面一般采用箱形梁,國外也見槽形梁形式。節(jié)段預制拼裝造橋技術(shù)本質(zhì)上和常規(guī)懸臂分段澆筑、節(jié)段預制頂推一樣,是分段建造橋梁的一種,在原理上是由預應力結(jié)構(gòu)、箱梁設計和分段施工法綜合而成。

2.1 技術(shù)優(yōu)缺點

從應用角度來看,節(jié)段預制拼裝造橋技術(shù)不僅適用于常規(guī)中小跨度,也可適用于大跨度橋梁;尤其在施工困難或者生態(tài)敏感區(qū)域,節(jié)段預制拼裝都已被證明是一種有價值的建造橋梁技術(shù)。其主要優(yōu)缺點如下。

(1)可廣泛應用于各種橋型和跨度,不僅限于常用的簡支梁(逐跨拼裝)和連續(xù)梁(懸臂拼裝),更可采用大跨度斜拉橋(斜拉索拼裝),公路和市政橋梁常見的小半徑和超高等技術(shù)問題也可得到較好的解決。

(2)投資少,經(jīng)濟效益高,據(jù)相關文獻顯示[7],采用節(jié)段預制拼裝造橋技術(shù)較常規(guī)方法可節(jié)約10%～20%工程造價;同時由于平行施工,縮短建造時間,更間接降低工程造價。

(3)有著較好環(huán)境效益,可有效減少施工對環(huán)境、交通等的影響,同整孔預制架設相比則大幅減少了預制場占地面積,有效實現(xiàn)節(jié)約和集約用地,降低工程和復墾數(shù)量。

(4)工程質(zhì)量高,梁部結(jié)構(gòu)主要部分為工廠(場)預制,質(zhì)量更可靠,養(yǎng)護時間長,加載齡期晚,有效減少梁體徐變上拱和預應力損失。

(5)施工方便,節(jié)段小,制梁工藝簡單,運輸較少受到設備和通道的限制,預制拼裝均可實現(xiàn)機械化,安全性高。

(6)對設計和施工技術(shù)要求高,施工工藝相對復雜;節(jié)段預制時的線形控制和局部構(gòu)造、安裝時的節(jié)段定位和連接等技術(shù)要求較高;拼裝需專用工裝設備,對工人技能素質(zhì)要求較高。

2.2 節(jié)段預制拼裝橋梁分類

節(jié)段預制拼裝橋梁可按照橋梁用途、節(jié)段間連接形式和拼裝方法不同進行分類。

(1)根據(jù)橋梁用途,可將節(jié)段預制拼裝橋梁分為鐵路橋梁、城市軌道交通橋梁、公路和市政橋梁三類,其結(jié)構(gòu)形式可采用簡支梁橋、連續(xù)梁(剛構(gòu))橋、拱橋和斜拉橋等。

(2)根據(jù)節(jié)段間連接形式的不同,節(jié)段預制拼裝橋梁可分為濕接縫、膠結(jié)縫和干接縫橋梁等,濕接縫形式即相鄰預制梁段間填充混凝土或干硬性水泥砂漿,膠結(jié)縫采用環(huán)氧樹脂等膠結(jié)材料,干接縫則不填充連接材料,完全靠節(jié)段榫頭和預應力實現(xiàn)聯(lián)結(jié)(全體外預應力、完全嵌合)[8]。

(3)在實際施工中,主要根據(jù)拼裝方法的不同對節(jié)段預制拼裝橋梁進行分類,常用拼裝方法包括平衡懸臂法、逐跨拼裝法等。

3 節(jié)段預制拼裝法建造橋梁技術(shù)與工程應用

3.1 節(jié)段預制技術(shù)與工程應用

3.1.1 節(jié)段預制方法

節(jié)段預制可分為長線法和短線法[1,9]。

(1)長線法

長線法是在足夠長度的預制臺座上,依整跨預制曲線做一次性調(diào)整后,依次序逐塊預制,再將節(jié)段逐塊脫離移至存梁區(qū)的節(jié)段預制方法。該方法按橋梁設計線型進行預制,可較好實現(xiàn)梁體線型控制,但對預制場地、臺座地基基礎、預制裝備等要求較高,為傳統(tǒng)技術(shù),尤其適用于連續(xù)梁橋、拱橋和斜拉橋的節(jié)段預制。

(2)短線法

短線法是一側(cè)采用端模,另一側(cè)利用已澆筑成的相鄰節(jié)段作為端模(也可采用兩側(cè)均設置端模)來進行控制實現(xiàn)預制的節(jié)段預制方法。短線法幾何線形控制精度要求較長線法高,但對預制場地、裝備要求較少,預制靈活且可實現(xiàn)平行作業(yè),隨著精密線形測控儀器的發(fā)展,短線法不僅可適用于簡支橋梁,也可廣泛適用于其他橋型。

3.1.2 通用制梁技術(shù)

節(jié)段梁預制技術(shù)主要覆蓋鋼筋、模板、混凝土等方面。鋼筋安裝宜采用整體綁扎、整體吊裝方式;外模宜采用整體鋼模,底模應具有足夠剛度,確保線形;混凝土澆筑應根據(jù)設計要求時間內(nèi)分層澆筑完畢,并宜采用蒸汽養(yǎng)護。

3.1.3 節(jié)段梁吊裝和運輸

當采用門式起重機作搬移梁工具時,應對節(jié)段梁進行吊點設計,可按四點起吊三點平衡原則進行,確保節(jié)段梁各斷面的應力控制在允許范圍內(nèi)。

節(jié)段梁運輸可采用輪軌運輸車的形式,也可采用輪胎式運梁車運輸,但應根據(jù)節(jié)段梁特點進行支撐點設置,避免節(jié)段梁翹曲和二次應力發(fā)生,支撐點宜盡量置于腹板下。

3.1.4 節(jié)段梁預制場

(1)平面布置

節(jié)段梁預制場一般由保障區(qū)、制梁區(qū)、存梁區(qū)、提梁區(qū)(裝車區(qū))、生活區(qū)和辦公區(qū)等組成,平面布置應圍繞制梁臺座和存梁臺座進行,在滿足工藝設計合理前提下,遵循生產(chǎn)區(qū)和生活區(qū)既相互分開,又經(jīng)道路有機聯(lián)系的原則進行布局,生產(chǎn)區(qū)按工藝流程分區(qū)劃塊,要求結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積較少,同時又便于流水作業(yè)生產(chǎn)。

由于節(jié)段梁一般體型較小,故預制場一般有臺后、橋下、橋位附近制梁3種布置形式,其中臺后制梁是優(yōu)選形式,當橋墩高度較低時也可采用橋下制梁,橋位附近制梁存在運梁距離長、地基處理工程量大、運輸工效較低等缺點。

(2)土建結(jié)構(gòu)與制梁工裝

預制場主要土建結(jié)構(gòu)和工裝設備有制梁臺座與模板、吊機軌道基礎(走行通道)、存梁臺座、鋼筋綁扎胎具、鋼筋骨架吊裝吊具等。

應根據(jù)施工工藝和移梁方式,合理選擇起重設備和存梁形式,移梁方式可采用吊機移梁和滑道移梁,當條件允許時,宜優(yōu)先采用吊機(輪胎式或輪軌式);常見的存梁形式有單層、雙層和多層存梁等,當節(jié)段梁設計允許時宜雙層和多層存梁。

(3)工程應用

某節(jié)段梁預制場采用短線法預制節(jié)段梁,位置選為橋下制梁,設置7個制梁臺座,12個存梁臺座(3層存梁),采用門式吊機(提梁機)搬移梁,其生產(chǎn)區(qū)域如圖1所示[10]。

圖1 節(jié)段梁生產(chǎn)區(qū)平面布置

3.2 節(jié)段拼裝裝備

節(jié)段拼裝裝備可根據(jù)預制拼裝施工方法的不同進行分類,即逐跨拼裝法節(jié)段拼裝裝備和平衡懸臂法節(jié)段拼裝裝備。

3.2.1 逐跨拼裝法節(jié)段拼裝裝備

根據(jù)節(jié)段梁在逐跨拼裝法節(jié)段拼裝裝備的承重位置不同,可將逐跨拼裝法節(jié)段拼裝裝備分為上承式、中承式和下承式3種形式[11-12]。

(1)上承式

節(jié)段梁位于支架之上的逐跨拼裝法節(jié)段拼裝裝備可稱為上承式逐跨拼裝法節(jié)段拼裝裝備,其主要指上承式逐跨拼裝造橋機,根據(jù)工程實際可采用支架(落地或非落地)形式。

(2)中承式

中承式主跨拼裝造橋機的主要特征為節(jié)段梁置于造橋機腹內(nèi)。節(jié)段梁在工地預制場預制后,由運梁臺車運至造橋機尾部的桁吊之下,由起吊天車將節(jié)段起吊運至支梁腹內(nèi),梁節(jié)之間用濕接縫連接,整孔張拉。由于節(jié)段梁置于主跨拼裝造橋機腹內(nèi),故限制了節(jié)段梁頂板寬度,制約了其使用范圍。

(3)下承式

節(jié)段梁位于主梁下部的逐跨拼裝造橋機可稱為下承式逐跨拼裝造橋機。主要特點是節(jié)段通過吊桿吊裝于造橋機主梁下方,對節(jié)段梁頂板寬度無限制,可廣泛適用于公路、市政橋梁。

3.2.2 平衡懸臂法節(jié)段拼裝裝備

平衡懸臂法節(jié)段拼裝裝備一般稱為懸臂拼裝造橋機,主要包括懸拼吊機和懸拼導架(整跨形式)兩種形式,其主要適用于連續(xù)梁;當建造對象為拱橋、斜拉橋時,也可采用固定式斜拉裝置,或利用自身的斜拉索。其原理與懸臂灌筑類似,不同的是節(jié)段梁在橋頭預制場分節(jié)預制后運至拼裝地點,節(jié)段梁通過懸拼造橋機吊至橋位拼裝,張拉預應力筋,兩端對稱拼裝成T構(gòu)。

某型上承式逐跨拼裝法落地移動支架、某型中承式逐跨拼裝造橋機、某型下承式逐跨拼裝造橋機和某型懸臂導架、某型懸拼吊機分別如圖2～圖6所示。

圖2 某型上承式逐跨拼裝法落地移動支架應用于廈門BRT

圖3 某型中承式逐跨拼裝造橋機應用于呼準鐵路

圖4 某型下承式逐跨拼裝造橋機應用于南昌樞紐西環(huán)線

圖5 某型懸臂導架應用于石長鐵路

圖6 某型懸拼吊機應用于印度某橋

3.3 節(jié)段拼裝技術(shù)

3.3.1 節(jié)段拼裝方法

節(jié)段拼裝方法包括逐跨拼裝法、懸臂平衡拼裝法等。

(1)逐跨拼裝法

逐跨拼裝法是橋梁上部結(jié)構(gòu)按一個方向架設,一次完成一跨,一跨接一跨地完成節(jié)段拼裝的橋梁建造方法。其方法是將節(jié)段梁運至梁位后在整跨形式造橋機或者支架上進行整孔拼裝,施加預應力,架橋機移至下一跨段,重復以上方法繼續(xù)施工。逐跨拼裝法可適用于簡支梁,也適用于連續(xù)梁和先簡支后連續(xù)的連續(xù)梁;其施工效率較佳,但當采用整跨形式造橋機時受經(jīng)濟跨距控制,其經(jīng)濟跨度一般為30～60 m,當采用落地支架的形式時,其跨度可適當增加。

(2)懸臂平衡拼裝法

平衡懸臂法是以一個橋墩為中心,對稱順序拼裝節(jié)段的橋梁建造方法,平衡懸臂法建造橋梁過程中的每一節(jié)段與前面的已裝節(jié)段連成一體,并作為下一節(jié)段的拼裝基礎,并與對稱側(cè)保持。對橋梁懸臂結(jié)構(gòu),通過張拉設置在梁節(jié)段中的預應力鋼束來確保其安全和穩(wěn)定。懸臂平衡拼裝法一般采用懸拼吊機、懸拼導架或地面起重機實現(xiàn),尤其適合連續(xù)梁和斜拉橋建造。

3.3.2 通用拼裝技術(shù)

節(jié)段梁拼裝技術(shù)主要包括拼裝裝備組拆、接縫、預應力技術(shù)等。節(jié)段拼裝裝備組裝完畢后,宜進行加載預壓,加載預壓一般應用1.2倍設計荷載,并應采集1倍設計荷載節(jié)段拼裝裝備變形數(shù)據(jù),以備后期梁體線形控制;在接縫技術(shù)上,當采用濕接縫時,應特別注意接縫波紋管的防漏處理,接縫混凝土應按順序?qū)ΨQ一次性澆筑完畢并嚴格控制養(yǎng)護,當采用膠結(jié)縫時,應在合理環(huán)境下,嚴格按照設計和供貨商要求進行膠結(jié)劑配比、拌制、涂膠、擠膠張拉;應按設計要求分批、分期進行雙控預應力鋼筋張拉,在進行第一次預應力作業(yè)時,應對預應力損失進行測量,并與理論設計預應力損失對比,必要時調(diào)整張拉力。

3.4 節(jié)段拼裝線形控制技術(shù)

節(jié)段預制拼裝技術(shù)線形控制貫穿橋梁建造的整個過程,也是節(jié)段預制拼裝法建造橋梁關鍵技術(shù)之一,包括了設計理論線形、節(jié)段預制線形、節(jié)段拼裝線形、張拉成橋后線形控制技術(shù)等內(nèi)容[13-14]。

在建造過程中,主要以節(jié)段預制線形控制和節(jié)段拼裝線形控制為主:節(jié)段預制線形控制主要是對節(jié)段梁的幾何斷面進行控制,主要包括節(jié)段梁軸線、垂向、水平控制,宜采集三維坐標值,并計算和換算成該測點對應的安裝階段的線形坐標值;節(jié)段拼裝線形控制,應考慮節(jié)段拼裝裝備變形、預應力分期施加、二期恒載施加、混凝土收縮徐變效應等因素綜合設置,結(jié)合橋梁的平、豎曲線及預拱度設計參數(shù),根據(jù)澆筑節(jié)段預埋測點進行,應特別注意對首節(jié)段的精確控制。

4 對節(jié)段預制拼裝建造設計的建議[15]

由于節(jié)段預制拼裝造橋?qū)に?、裝備要求較高,故對采用節(jié)段預制拼裝造橋設計提出幾點建議:在材料方面,節(jié)段梁應采用高性能混凝土;除梁端節(jié)段梁段外,節(jié)段梁段長度宜等長,節(jié)段梁段應取直;在節(jié)段梁橫斷面尺寸,斷面尺寸的變化宜局限于腹板高度和底板厚度;節(jié)段梁倒角設置應便于澆筑,節(jié)段梁各部分,特別是剪力鍵應便于脫模;節(jié)段預制拼裝橋梁為全預應力混凝土結(jié)構(gòu),應盡量減少預埋件引起的腹板和翼緣表面的不連貫性,預應力鋼筋和錨墊板等宜標準化;橫隔板和加勁肋數(shù)量宜盡量少。

5 結(jié)語

我國正處于建設資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會的大環(huán)境下,采用節(jié)段預制拼裝造橋技術(shù),對于形成節(jié)約資源和保護環(huán)境的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是有著積極意義的,在鐵道行業(yè),《鐵路預應力混凝土簡支梁節(jié)段拼裝施工技術(shù)指南》也正在編制。文章依托中鐵五院集團公司近年對節(jié)段預制拼裝技術(shù)研究成果和該領域的技術(shù)發(fā)展趨勢,對節(jié)段預制拼裝法建造橋梁技術(shù)進行闡述,希望對節(jié)段預制拼裝法建造橋梁提供參考。

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The Summary of Technologies for Building Bridges with Assembled Precast Segments

ZHANG Li-qing
(The Fifth Survey and Design Institute(Group)CO.,Ltd.of CRCC,Beijing 102600,China)

Bridge built with assembled precast segments is one kind of segmented bridge.In principle,it is built in combination of prestressed structures,box girder design and segmented construction method, which is superior in technology and economy with wide application.In view of the research results and project practices including technical features,advantages and disadvantages,and classification related to precast segment assembling,this paper summarizes precast segmental technologies forsegment fabrication,lifting,transport and assembly,the equipment for span-by-span assembling and the equipment with balanced cantilever,the segment assembling method and the general assembly techniques.At the same time,the paper addresses the alignment control technology and provides suggestions on the design of bridges employing such technologies.

Prestressed concrete;Bridges;Segments;Precast;Assemble

U448.21+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.016

1004-2954(2014)12-0063-04

2014-08-15;

2014-08-26

張立青(1978—),男,高級工程師,2001年畢業(yè)于西南交通大學土木工程專業(yè),工學學士,E-mail:zhangliqing@outlook.com。