李福鼎

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引 言

全預(yù)制拼裝橋梁是一種將橋梁上下部結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件在工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝的橋梁。此類橋梁的主要特點(diǎn)是大量采用了裝配式構(gòu)件，構(gòu)件在預(yù)制廠完成，減少了現(xiàn)場作業(yè)量，是一種更環(huán)保、少干擾、更安全、高質(zhì)量和低消耗[1]的橋梁建造方式，特別適應(yīng)于城市橋梁建設(shè)，目前在國內(nèi)一些城市正在進(jìn)行試點(diǎn)和推廣。

目前，國內(nèi)裝配式建筑發(fā)展的整體要求是“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化制造、裝配化施工、信息化管理、智能化應(yīng)用”[8]。因此，對于全預(yù)制拼裝橋梁來說重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，而橋梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可分為二個(gè)層面，一個(gè)是總體設(shè)計(jì)層面，包含規(guī)范規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一、路線斷面和橋梁橫斷面的標(biāo)準(zhǔn)化、以及梁高和跨徑的標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化等方面；另一個(gè)層面就是裝配式橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)層面，包含橋梁各部位的構(gòu)件，如上部節(jié)段箱梁、組合梁、小箱梁；下部節(jié)段橋墩、蓋梁；附屬防撞欄桿、人行道板等。本文主要涉及構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)層面，以預(yù)制裝配式橋墩為對象，探討其在輕型化、模塊化設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。

1 裝配式構(gòu)件

裝配式橋梁構(gòu)件既是全預(yù)制拼裝橋梁的主要組成部分，也是影響橋梁結(jié)構(gòu)外觀、質(zhì)量和耐久性等方面的關(guān)鍵部分，同時(shí)也是影響橋梁工程造價(jià)、施工措施、施工難度等方面的制約因素。橋梁構(gòu)件工廠預(yù)制后需要運(yùn)輸至現(xiàn)場再進(jìn)行安裝，構(gòu)件重量和尺寸受運(yùn)輸和安裝條件所限，而為了施工速度和質(zhì)量又需要構(gòu)件盡量大，減少現(xiàn)場工作量，這兩方面的需求相互矛盾，因此需要拋開傳統(tǒng)現(xiàn)澆設(shè)計(jì)理念，不能簡單的將構(gòu)件從現(xiàn)場澆筑變?yōu)楣S澆筑，而是要遵循構(gòu)件預(yù)制的理念，對構(gòu)件進(jìn)行輕型化、模塊化設(shè)計(jì)，使之更能便于制造、運(yùn)輸和安裝。

2 預(yù)制拼裝橋墩輕型化設(shè)計(jì)

橋墩輕型化的主要目的是降低重量、減小構(gòu)件輪廓尺寸，方便構(gòu)件預(yù)制、運(yùn)輸和安裝，可通過以下二種方式實(shí)現(xiàn)：（1）截面空心化，將實(shí)心斷面優(yōu)化為空心斷面，較小截面面積，降低自重；（2）節(jié)段模塊化，將節(jié)段縱向切分為二個(gè)或多個(gè)節(jié)段，降低單個(gè)構(gòu)件重量和尺寸；兩種方式可單獨(dú)也可組合采用，組合采用時(shí)輕型化效果更為明顯。

2.1 截面空心化

實(shí)心斷面空心化，面積減少，自重降低，但同時(shí)內(nèi)部空腔的施工增加了施工難度和費(fèi)用，因此需要對空心斷面在工程造價(jià)、施工便宜性和結(jié)構(gòu)受力等方面進(jìn)行分析，判斷截面空心化的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

（1）工程造價(jià)

通過測算不同空心率、墩高、墩寬和墩厚下的橋梁造價(jià)，分析截面空心化的經(jīng)濟(jì)性，給出合理的可截面空心化橋墩構(gòu)造尺寸。

分析空心截面墩柱造價(jià)組成，其與實(shí)心截面柱造價(jià)的差異主要是材料費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用、吊裝費(fèi)用和安裝費(fèi)用。在測算橋墩造價(jià)時(shí)，參考上海某預(yù)制拼裝橋墩項(xiàng)目，構(gòu)件運(yùn)輸和安裝經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：（1）運(yùn)輸費(fèi)考慮40 km 運(yùn)距，按258.5 元/m3計(jì)；（2）立柱拼裝費(fèi)按350 元/m3計(jì)；（3）構(gòu)件吊裝費(fèi)按200 元/m3計(jì)；（4）混凝土和鋼筋綜合單價(jià)為800 元/m3和6 000 元/t。

以矩形橋墩為例，截面寬3 m、厚度為2 m，空心墩壁厚0.4 m，墩高5～15 m 時(shí)，橋墩的空心率、造價(jià)增減量以及造價(jià)增減量相對于實(shí)心截面造價(jià)比例等數(shù)據(jù)見表1。

表1 空心墩造價(jià)增減表

由上表可知：（1）截面空心化導(dǎo)致主要材料費(fèi)增加，運(yùn)輸、安裝費(fèi)用減小；（2）橋墩空心率隨墩高增加逐漸增大；（3）造價(jià)增減比例隨墩高或空心率增大而增大。進(jìn)一步分析不同墩厚和不同橋墩高度情況下，當(dāng)空心率達(dá)到20%左右時(shí)，空心墩造價(jià)與實(shí)心墩相當(dāng)，如圖1 所示。

圖1 空心墩造價(jià)增減比例隨空心率變化曲線

裝配式橋墩立柱尺寸由上部結(jié)構(gòu)形式、墩高、結(jié)構(gòu)受力等因素確定，尺寸差異較大。從工程造價(jià)角度，經(jīng)過截面尺寸參數(shù)和墩高參數(shù)的分析，確定截面空心化合理構(gòu)造尺寸，部分參數(shù)分析部分結(jié)果圖2和圖3 所示。

圖2 橋墩造價(jià)增減比例隨墩高變化曲線（B=1.5 m）

圖3 橋墩造價(jià)增減比例隨墩高變化曲線（B=1.8 m）

由圖2 可知，橋墩寬度B=1.5 m 時(shí)，截面空心化無明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，圖3 可知，橋墩寬度B=1.8 m，墩厚1.8 m 且墩高大于8 m 時(shí)，截面空心化具有一定經(jīng)濟(jì)性，因此，當(dāng)截面尺寸小于1.8 m×1.8 m 時(shí)采用實(shí)心墩是合適的，超過此尺寸可以考慮空心截面，不同截面空心化最小尺寸分析結(jié)果見表2。

表2 橋墩空心化截面尺寸

表2 所列出的橋墩空心化最小尺寸僅僅考慮了工程造價(jià)，實(shí)際工程中需要綜合施工便宜性、結(jié)構(gòu)受力等因素確定空心化構(gòu)造。

（2）空心墩預(yù)制

橋墩空心化后，內(nèi)部空心腔室施工是橋墩預(yù)制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，空心腔室施工常采用高速離心法和模板澆筑法。高速離心法適用于圓形或矩形等小尺寸空心腔室，其適用性有限；模板澆筑法可適用于任意形式的空心腔室，適應(yīng)性較廣，也是運(yùn)用最多的施工方式，澆筑時(shí)的模板常采用鋼模、木模、充氣橡膠膠囊或預(yù)埋PVC 管，如圖4 所示。

圖4 立柱空腔模板示意圖

對于模板澆筑法，應(yīng)根據(jù)預(yù)制構(gòu)件的構(gòu)造特點(diǎn)選擇合理的模板形式來克服拆模困難和模板利用率低的問題。對于整體式預(yù)制橋墩，應(yīng)充分考慮內(nèi)膜拆除的便宜性，而空氣膠囊拆模方便，預(yù)埋PVC 管無需拆模，都是較為合理的內(nèi)膜方案；對于分段預(yù)制橋墩，內(nèi)膜采用鋼膜較為合適，這是由于分段預(yù)制的節(jié)段兩端或單端是開口的，拆模非常方便，采用組合式液壓鋼模可以充分發(fā)揮其剛度大，澆筑質(zhì)量好、拆模方便、施工效率高等特點(diǎn)。

（3）結(jié)構(gòu)受力

橋墩空心化后，截面面積減小，軸壓應(yīng)力增大，但抗彎慣性矩減小導(dǎo)致彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力增加，因此，橋墩空心對結(jié)構(gòu)的承載力和抗裂性能的影響需深入分析。以一聯(lián)寬10 m，3×35 m 連續(xù)箱梁橋的下部結(jié)構(gòu)為例，假定截面外輪廓尺寸3 m×2 m、墩高12 m 和主筋數(shù)量均不變，分析空心墩和實(shí)心墩受力差異以及不同空心率對結(jié)構(gòu)受力的影響，結(jié)果詳見表3。

表3 空心墩截面承載力和抗裂性能

由表3 可知，（1）空心墩和實(shí)心墩相比，截面承載力能力下降，但截面裂縫寬度減小；（2）隨著空心截面壁厚增加，截面承載力提高，截面裂縫寬度增加，截面裂縫寬度增大的速度比承載力大。綜上所述，橋墩空心化后對截面承載力是不利的，對抗裂性是有利的，但總的影響十分有限。

2.2 節(jié)段模塊化

受運(yùn)輸和吊裝條件的限制，大尺寸和大噸位預(yù)制橋墩需縱向節(jié)段切分、化整為零，滿足預(yù)制拼裝要求。切分后的節(jié)段還應(yīng)進(jìn)行模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和施工裝配化的要求。圖5 所示為一種模塊化設(shè)計(jì)橋墩分段示意圖，共包含墩底基準(zhǔn)段、標(biāo)準(zhǔn)段和墩頂標(biāo)準(zhǔn)段和節(jié)段間連接四大部分。

圖5 一種模塊化設(shè)計(jì)橋墩示意圖

（1）墩底基準(zhǔn)段：該節(jié)段是橋墩的基準(zhǔn)節(jié)段，可與承臺(tái)一同現(xiàn)澆施工，主要功能是調(diào)節(jié)墩高，并將節(jié)段縫遠(yuǎn)離墩底塑性鉸區(qū)域，提高橋墩的抗震性能。

（2）標(biāo)準(zhǔn)段：該節(jié)段是橋墩的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段劃分應(yīng)兼顧運(yùn)輸?shù)跹b能力和全橋橋墩適用性，既要單個(gè)節(jié)段輕型化，也要考慮節(jié)段的通用性。

（3）墩頂標(biāo)準(zhǔn)段：該節(jié)段是橋墩的墩頂節(jié)段，滿足墩頂造型和承受上部結(jié)構(gòu)荷載的要求，其高度和構(gòu)件尺寸應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，適用于各種墩高的橋墩。該節(jié)段也可與標(biāo)準(zhǔn)段合并減少節(jié)段數(shù)量。

（4）節(jié)段間連接：各個(gè)節(jié)段間可采用灌漿套筒、鋼棒或是預(yù)應(yīng)力鋼絞線等連接形式，節(jié)段間主筋連接數(shù)量可根據(jù)橋墩受力自下往上逐級優(yōu)化，提高橋墩經(jīng)濟(jì)性。

橋墩模塊化設(shè)計(jì)后，各節(jié)段上下端至少有一端是開口，十分便于空心橋墩的預(yù)制和拆模。此外，各節(jié)段長度、構(gòu)造尺寸、重量、主筋數(shù)量也可以參數(shù)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。

3 工程案例

某立交工程上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制節(jié)段箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制拼裝獨(dú)柱花瓶墩，墩高3～23 m，根據(jù)受力，橋墩斷面尺寸為2.6 m×1.7 m 和2.6 m×2.0 m，如圖6 和圖7 所示。

圖6 橋墩立面圖（單位：cm）

圖7 斷面配筋示意圖（單位：cm）

預(yù)制橋墩采用模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)，根據(jù)花瓶墩墩頂弧線的高度，確定墩頂標(biāo)準(zhǔn)段模塊高3 m，墩底基準(zhǔn)段模塊高1～2.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段模塊分別高2 m、4 m、8 m 三個(gè)種類。墩底基準(zhǔn)段采用現(xiàn)澆，其余各節(jié)段間采用自鎖式預(yù)應(yīng)力鋼絞線連接[9]。

選取截面3 m×1.7 m，壁厚35 cm 橋墩進(jìn)行空心墩和實(shí)心墩的對比，對比的結(jié)果見表4。

表4 空心和實(shí)心模塊對比表

通過以上對比，相比于實(shí)心墩，空心墩的自重降低15.5～39.5%，墩頂段和標(biāo)準(zhǔn)段工程造價(jià)降低4～22%，墩底基準(zhǔn)段價(jià)格略有增加。

控制單個(gè)節(jié)段重量不大于55 t，各墩高橋墩節(jié)段模塊組合參數(shù)見表5。

表5 橋墩節(jié)段模塊組合參數(shù)表

當(dāng)墩高大于12 m 后，節(jié)段一和節(jié)段二主筋配置不變，優(yōu)化節(jié)段三和節(jié)段四主筋配置，降低橋墩造價(jià)。

節(jié)段預(yù)制橋墩空心化和模塊化后，各個(gè)節(jié)段模塊相互組合，實(shí)現(xiàn)了4～23 m 不同墩高的預(yù)制和拼裝，單個(gè)節(jié)段重量均不大于55 t，大大降低了節(jié)段運(yùn)輸、吊裝要求和成本，也提高了施工的便宜性。

4 結(jié) 語

（1）橋梁結(jié)構(gòu)大量采用預(yù)制裝配式構(gòu)件是橋梁建設(shè)的一個(gè)發(fā)展方向，構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)拋開傳統(tǒng)現(xiàn)澆設(shè)計(jì)理念，不能簡單的將構(gòu)件從現(xiàn)場澆筑變?yōu)楣S澆筑，而是要遵循構(gòu)件預(yù)制的理念，對構(gòu)件進(jìn)行輕型化、模塊化設(shè)計(jì)，使之更能便于制造、運(yùn)輸和安裝。

（2）橋墩空心化應(yīng)考慮工程造價(jià)、施工便宜性和結(jié)構(gòu)受力等因素，判斷其可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)截面尺寸大于1.8 m，且墩高大于10 m 時(shí)，截面空心化具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

（3）預(yù)制橋墩采用模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)，節(jié)段高度和自重靈活設(shè)置，可滿足不同墩高、不同尺寸橋墩預(yù)制；主筋在不同模塊間可差異化配置，提高了預(yù)制橋墩的經(jīng)濟(jì)性。