周志祥，鐘世祥，張江濤，鄒 楊，梁華平，郭勁岑，蔣金龍

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 海南省路橋投資建設有限公司，海南 ?？?570203；3. 深圳大學 土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060)

1 裝配式混凝土橋梁建造技術

50 m以內(nèi)標準跨徑橋梁(含簡支梁橋和先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu))約占橋梁總里程的80%以上。20世紀初的梁橋上部結(jié)構(gòu)通常為跨徑較小的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因受當時吊裝和運輸能力限制，基本采用現(xiàn)場支架立模澆筑混凝土建造；20世紀中后期，隨著預應力混凝土技術引入，逐漸形成了標準跨徑預應力混凝土梁橋的預制梁/裝配式建造技術；近十余年來，隨著建設工業(yè)化水平和環(huán)保要求提高，又發(fā)展出了標準跨徑預應力混凝土梁橋的短線法預制/裝配式建造技術。

1.1 預制梁/裝配式建造技術

預制梁/裝配式建造技術是將橋梁上部結(jié)構(gòu)沿跨徑方向劃分為若干梁單元，在預制場分片預制，通過大件運輸至橋位現(xiàn)場，借助專用架橋裝備使預制梁在墩臺上就位，對預制梁間的縱向接縫通過連接鋼筋并現(xiàn)澆混凝土進行接整，形成整跨的混凝土主梁結(jié)構(gòu)，如圖1。與傳統(tǒng)支架立?，F(xiàn)澆施工相比，該技術顯著提高了標準跨徑橋梁建設的質(zhì)量和效率，且經(jīng)數(shù)十年的工程實踐證明，由此建設的橋梁具有良好的安全可靠性，迄今仍為我國多數(shù)標準跨徑橋梁建設所采用。

圖1 預制梁/裝配式建造混凝土橋梁主要工序Fig. 1 Main processes of precast beam/prefabricated concrete bridgeconstruction

進入21世紀，科技的迅猛發(fā)展促進了社會和人們意識的深度變革，從今天的角度去審視代表20世紀先進水平的預制/裝配式橋梁建造技術，尚存在明顯不足：預制梁長度為橋梁跨徑，這一尺度限定了預制梁只適宜于短距離運輸。統(tǒng)計表明：一般丘陵地區(qū)高速公路平均約需每10 km建設一個標準跨徑混凝土梁預制場，使預制場累計數(shù)量多，各預制場裝備投入少，致使預制梁施工依舊以人工為主，工作效率低，質(zhì)量控制難，資源浪費大；預制場累計占地面積大，還耕周期長，環(huán)境干擾大；預制主梁尺度長且重量大，運輸?shù)跹b安全風險較大(圖2)。

圖2 預制梁/裝配式建造技術的問題Fig. 2 Problems of precast beam/prefabricated concrete bridgeconstruction

1.2 短線法預制/裝配式建造技術

短線法預制/裝配式建造技術是將橋梁上部結(jié)構(gòu)沿橫截面方向劃分為若干主梁節(jié)段，在預制工廠制造主梁全寬節(jié)段，用專用車運輸至橋位現(xiàn)場，借助專用架設裝備將各預制主梁節(jié)段依次吊裝就位，通過對界面現(xiàn)場涂膠并穿入鋼絲束施加預應力，形成整體的橋梁上部結(jié)構(gòu)[1-3]，如圖3。與預制梁/裝配式建造技術相比，預制構(gòu)件最大尺度由橋梁跨徑(20～50 m)減小為橋梁寬度(7～16 m)，能實現(xiàn)工廠化制造橋梁構(gòu)件-有條件中長距離的預制構(gòu)件運輸-無濕接縫的現(xiàn)場裝配化建造標準跨徑橋梁。在制造工廠提供引入先進專用裝備進行生產(chǎn)，確保主梁節(jié)段制造優(yōu)質(zhì)高效；無濕接縫現(xiàn)場裝配成橋，顯著減小現(xiàn)場施工周期和對環(huán)境的干擾；目前已逐步研發(fā)形成的一套制造-運輸-架設專用裝備，進一步彰顯了該建造技術的優(yōu)勢，且已在我國多個省份地區(qū)得到一定程度的推廣應用。

圖3 短線法預制/裝配式建造混凝土橋梁主要工序Fig. 3 Main processes of precasted/prefabricated concrete bridgeconstruction by short line method

雖然短線法混凝土橋梁建造技術解決了預制構(gòu)件的最大尺度限制問題，使得工廠制造和中遠距離運輸成為可能。但同時也存在兩大問題：一是現(xiàn)場裝配成橋存在著全跨預制箱梁節(jié)段結(jié)構(gòu)重量全部懸吊于架橋機主梁的不利受力工況，在此狀態(tài)下還有完成界面涂膠-節(jié)段吊裝-精準對位-穿入鋼束-施加預應力等一系列復雜、繁瑣、多工序的人工高空作業(yè)，增大了吊裝成橋的安全風險和結(jié)構(gòu)接整精準控制難度；二是僅通過穿入預應力鋼束使數(shù)塊預制箱梁節(jié)段連接形成橋梁上部結(jié)構(gòu)，相比預制梁建造的混凝土橋梁，主梁結(jié)構(gòu)長期受力的可靠性相對降低，箱梁豎向接縫可能存在因?qū)ξ痪取⒂行ьA應力和運營荷載等偏差導致結(jié)構(gòu)性開裂隱患。此外，短線法預制/裝配式建造橋梁在結(jié)構(gòu)設計上還有將體內(nèi)預應力束轉(zhuǎn)變?yōu)轶w外預應力束的趨勢[4-7]。這一“轉(zhuǎn)變”的正面意義是可明顯減薄箱梁腹板和底板的厚度，從而顯著減輕預制箱梁節(jié)段的運輸?shù)跹b重量，如圖4；但這種“轉(zhuǎn)變”同時也存在致使主梁長期受力可靠性降低的負面效應。

圖4 體內(nèi)預應力與體外預應力混凝土橋梁橫截面比較Fig. 4 Comparison of cross sections of internal andexternal prestressed concrete bridges

基于已有理論、試驗研究和實踐經(jīng)驗的一般認知：主梁開裂后結(jié)構(gòu)性能的可靠性，按“體內(nèi)有黏結(jié)預應力梁-體內(nèi)無黏結(jié)預應力+縱向普通鋼筋梁-體內(nèi)無黏結(jié)預應力梁-節(jié)段裝配式體內(nèi)預應力梁-節(jié)段裝配式體外預應力梁”的順序降低[8-13]，這種結(jié)構(gòu)可靠性降低的負面效應值得業(yè)界關注。

2019年6月國內(nèi)某市正在施工過程中的節(jié)段裝配式橋梁發(fā)生垮塌事故，對建設過程中的該類橋梁予以了警示；此外該類橋梁長期安全性、可靠性及綜合性能指標尚需更長時間的檢驗。

1.3 標準跨徑橋梁建設發(fā)展趨勢探討

隨著社會進步，綠色發(fā)展理念上升到國家發(fā)展戰(zhàn)略高度。近年來國務院、住房和城鄉(xiāng)建設部、交通運輸部等部委密集出臺了有利于節(jié)約資源能源和降低施工污染，減少混凝土用量以降低砂石開采造成的生態(tài)破壞，大力發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，推進鋼箱梁、鋼桁梁、鋼混組合梁等橋梁建設，提升公路橋梁品質(zhì)、發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)橋梁性能優(yōu)勢，助推公路建設轉(zhuǎn)型升級的指導意見[14-17]。

目前，標準跨徑橋梁建設常用的兩類施工技術中，混凝土橋梁的主梁預制裝配式施工優(yōu)勢即為短線法節(jié)段預制裝配式施工的劣勢，反之亦然；這二者的優(yōu)勢與劣勢似難調(diào)和，促使人們另辟蹊徑，探索新的標準跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系和建造方法。鋼-混組合梁橋具有既可進行便于運輸安裝的預制構(gòu)件拆分，拼裝組合成橋后又具有良好結(jié)構(gòu)性能的特點，成為兼顧二者優(yōu)勢和響應國家優(yōu)質(zhì)環(huán)保建設的理想橋型。

鋼-混組合梁橋具有自重輕、承載力高、節(jié)能環(huán)保、抗災性能好和綜合經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)勢，符合國家倡導的“綠色低碳、節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展”的建設要求；并與我國“十四五”優(yōu)先啟動國家重點研發(fā)任務研究方向契合，在橋梁工程中得到廣泛應用，是現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展方向之一[18-27]。

2 鋼-混凝土組合橋梁建造技術

常規(guī)跨徑鋼-混凝土組合梁橋早期施工方法為在鋼梁上現(xiàn)澆混凝土橋道板，其優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)整體性好，但需要支架-立模-綁扎鋼筋骨架-澆筑混凝土-拆模等系列繁瑣的現(xiàn)場施工；為省去支架立模工作，發(fā)展了分塊預制/安裝底?；炷涟宓氖┕し椒?；中期發(fā)展了分塊全高預制橋道板，現(xiàn)場澆筑預制橋道板間的接縫并實現(xiàn)與鋼梁的結(jié)合，明顯減少了現(xiàn)場綁扎鋼筋和澆筑混凝土的工作量；后期發(fā)展了全寬全高預制橋道板節(jié)段，現(xiàn)場澆筑預制橋道板橫向接縫和灌注預留剪力鍵孔的混凝土，實現(xiàn)橋道板與鋼梁的結(jié)合，進一步減少了現(xiàn)場綁扎鋼筋和澆筑混凝土的工作量，提高了橋道板橫向工作性能。剪力連接構(gòu)造是鋼-混凝土組合梁裝配式建造的關鍵技術難題，業(yè)界專家及學者對此開展了大量的探索與研究工作[28-35]。

2.1 鋼混組合橋梁結(jié)構(gòu)體系

目前常用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁橋主要有鋼箱-混凝土組合梁〔圖5(a)〕、鋼桁-混凝土組合梁〔圖5(b)〕、波形鋼腹板-混凝土組合梁〔圖5(c)〕、工字鋼-混凝土組合梁〔圖5(d)〕。

圖5 鋼-混組合橋梁結(jié)構(gòu)體系Fig. 5 Steel-concrete composite bridge structure system

2.1.1 鋼箱-混凝土組合梁橋

鋼箱-混凝土組合梁如〔圖5(a)〕。由鋼筋混凝土橋面板和下部的開口鋼箱梁組成，并通過剪力連接件形成組合結(jié)構(gòu)。鋼箱梁內(nèi)部設置腹板加勁肋、底板加勁肋和桁架式橫隔板以增強鋼箱結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性[27]。鋼箱-混凝土組合梁繼承了箱型梁結(jié)構(gòu)抗扭剛度大、外觀整潔等優(yōu)點，但鋼箱梁用鋼量指標高、鋼箱制造復雜導致造價較高，構(gòu)件尺度大不便長途運輸，現(xiàn)場安裝涉及大量高難度焊接工作。為此，提出并實踐了將大鋼箱變更為小鋼箱+橫向聯(lián)系，顯著降低了大鋼箱制造、運輸、安裝技術難度，便于常規(guī)跨徑組合梁橋推廣應用。

2.1.2 鋼桁-混凝土組合梁橋

鋼桁-混凝土組合梁如〔圖5(b)〕。鋼結(jié)構(gòu)部分為鋼管或型鋼構(gòu)成的鋼桁架，通過剪力連接件與混凝土板協(xié)同工作。鋼桁-混凝土組合梁強度高、剛度大、穩(wěn)定性好，在跨度較大情況下相較于鋼箱梁可降低鋼材使用量。鋼桁節(jié)段運輸較易，但現(xiàn)場連接工作量大、技術要求高、現(xiàn)場作業(yè)時間較長，一般不適合大批量標準化的橋梁建造。

2.1.3 波形鋼腹板-混凝土組合梁橋

波形鋼腹板-混凝土組合梁〔圖5(c)〕是由混凝土頂、底板與波紋鋼腹板間通過剪力連接件相連，并利用體外預應力鋼束接整和調(diào)節(jié)主梁應力狀態(tài)。由波紋鋼腹板代替混凝土腹板，使主梁自重大幅度減輕，同時避免了混凝土腹板開裂問題；且波形鋼腹板縱向剛度小，可沿縱橋向自由變形，從而減小了由混凝土收縮徐變產(chǎn)生的次內(nèi)力影響，大幅提高了縱向預應力效率。波形鋼腹板-混凝土組合梁頂?shù)装寤炷镣ǔ楝F(xiàn)場澆筑，同樣不適合于大批量標準化的橋梁建造。

2.1.4 工字鋼-混凝土組合梁橋

工字鋼-混凝土組合梁橋〔圖5(d)〕由混凝土橋面板與其下工字鋼梁通過剪力連接件形成組合結(jié)構(gòu)，工字鋼梁之間通過鋼橫向聯(lián)系連接。其主要施工工序為工廠制造鋼梁節(jié)段和橋道板節(jié)段-運輸至現(xiàn)場-連接形成整根鋼梁-鋼梁吊裝就位-橫向聯(lián)系形成整體鋼梁-現(xiàn)場澆筑或安裝預制混凝土橋面板-連接形成整體組合梁橋。工字鋼節(jié)段屬于標準化、中尺度、非重型構(gòu)件，易于工廠化生產(chǎn)和常規(guī)運輸安裝，其經(jīng)濟性和施工便利性遠優(yōu)于鋼箱、鋼桁及鋼橋面等鋼構(gòu)件，最適宜作為20～50 m跨度范圍裝配式鋼-混凝土組合橋梁的首選橋型。

2.2 既有組合橋梁裝配式建造技術

在常規(guī)跨徑鋼-混凝土組合橋梁中，鋼結(jié)構(gòu)部分均采用節(jié)段工廠制造和現(xiàn)場拼裝的裝配式建造；而混凝土橋面板建造方式具有較強的靈活性，先后產(chǎn)生了現(xiàn)澆混凝土橋面板-預制混凝土底模板+現(xiàn)澆混凝土-縱橫向分塊預制橋面板+現(xiàn)澆接縫-橫向全寬預制橋面板節(jié)段+現(xiàn)澆剪力連接混凝土，及整跨預制組合梁再吊裝就位等方式。

2.2.1 分塊預制混凝土橋面板底模板

分塊預制混凝土橋面板底模板如圖6(a)。圖6(a)中：在預制場分塊預制混凝土薄板，將此預制板在鋼梁上吊裝就位，作為現(xiàn)澆橋道板的底模板，再現(xiàn)澆上層混凝土形成鋼混組合梁橋。其優(yōu)勢是預制板尺寸小、重量輕，便于制作、運輸、安裝；無需現(xiàn)場支架立模和后期拆模板，明顯減少了現(xiàn)場工作量；現(xiàn)澆橋面板上層混凝土使組合梁的整體性能好。但現(xiàn)場施工易受環(huán)境及人為因素影響，質(zhì)量不定性突出，施工周期長，環(huán)境影響大。

2.2.2 縱橫向分塊預制橋道板

為進一步減少現(xiàn)場工作量，提出對橋道板進行沿縱向鋼梁和橫向鋼梁的分塊全高預制，保持了常規(guī)鋼混組合梁中剪力釘沿鋼梁縱向的連續(xù)布置，安裝分塊全高預制橋面板在鋼梁上就位，現(xiàn)澆預制橋面板之間的接縫混凝土，實現(xiàn)板-板及板-梁連接的建造方式〔圖6(b)〕。其優(yōu)點是：縱、橫向分塊預制橋面板尺寸較小，預制、運輸、吊裝難度較低；預制場地及設備周轉(zhuǎn)率較高，建造成本較低，預制構(gòu)件質(zhì)量較好，適用于中、遠距運輸?shù)臉藴士鐝綐蛄航ㄔ臁Ｆ鋯栴}是現(xiàn)澆接縫多，而接縫尤其是受拉區(qū)接縫是受力和耐久性的薄弱環(huán)節(jié)[28]，橋道板整體工作性能有所降低。

2.2.3 橫橋向全寬預制橋道板

隨著施工裝備運輸?shù)跹b能力提升，促進了常規(guī)裝配式橋梁建造向更大尺度預制構(gòu)件推進，產(chǎn)生了沿橫橋向全寬預制橋面板〔圖6(c)〕。全寬預制橋道板節(jié)段在鋼梁上安裝就位后，通過現(xiàn)澆預制橋道板橫向接縫和灌注預留剪力鍵孔的混凝土，實現(xiàn)了橋道板與鋼梁的結(jié)合。全寬預制橋面板導致剪力栓釘在鋼梁上布置方式的鋼板為：將沿鋼梁縱向分段均勻布置的剪力栓釘變更為間距布置的集束栓釘群，在橋道板對應于集束栓釘群位置設預留后澆孔，對預留集束栓釘孔灌注混凝土實現(xiàn)預制橋道板與鋼梁的連接。該建造技術進一步減少了現(xiàn)澆接縫數(shù)量，加快了施工進度，減少對橋位環(huán)境和交通的干擾，預制橋道板尺度及重量不超限，可實現(xiàn)長距離運輸。但橋面板預留孔對混凝土板橫向受力削弱較大，預留孔區(qū)域易開裂，存在耐久性隱患。

2.2.4 整跨預制/安裝鋼-混組合梁橋

整跨預制/安裝鋼混組合梁橋〔圖6(d)〕是在預制場完成鋼梁拼裝接整，再進行現(xiàn)澆橋道板或用前述1)～3)方法形成整跨預制鋼混組合梁，最后借助專用特大型運輸?shù)跹b裝備將該整跨預制鋼混組合梁在墩臺上安裝就位?？鐑?nèi)主體結(jié)構(gòu)無需現(xiàn)場施工作業(yè)，施工速度最快、質(zhì)量可靠。但對運輸及架設條件、裝備和預制場要求高，一般場地情況難以滿足該建造要求。

圖6 裝配式組合橋梁建造技術Fig. 6 Construction technology of prefabricated composite bridges

2.3 全裝配式鋼-混組合梁橋的探索

除場地及裝備要求極高的整跨預制/裝配式組合橋梁外，既有其他裝配式組合橋梁建造均需通過現(xiàn)澆混凝土實現(xiàn)預制橋道板與鋼梁的結(jié)合?！艾F(xiàn)澆混凝土”為人工作業(yè)，工作效率低、質(zhì)量控制難、施工周期長、環(huán)境干擾大。有鑒于此，筆者研發(fā)了PCSS和PCSC兩種剪力連接構(gòu)造，探索實踐了“無需現(xiàn)澆混凝土”的裝配式組合梁橋建造方法。

2.3.1 基于PCSS剪力連接的全裝配式組合橋梁

1)PCSS剪力連接構(gòu)造原理

筆者提出的PCSS剪力連接構(gòu)造如圖7。

圖7 PCSS剪力連接構(gòu)造Fig. 7 Structre of PCSS shear connector

在預制混凝土PC橋道板肋的兩側(cè)預埋剪力傳遞鋼板S，當預制混凝土PC橋道板在鋼梁S上就位后，對預埋剪力傳遞鋼板S與鋼梁S頂面的縱向接縫施焊連接，形成鋼混組合結(jié)構(gòu)的PCSS剪力連接構(gòu)造。其傳力路徑為混凝土預制板-預制板肋-預埋水平栓釘-預埋剪力傳遞鋼板-縱向連接焊縫-鋼梁頂板-鋼梁。筆者對PCSS剪力連接構(gòu)造及由此形成的裝配式鋼混組合梁開展了大量的靜力和疲勞試驗研究[36]，深入地分析了其力學特性，建立了設計計算理論。

2)工程應用案例1

重慶市涪陵區(qū)杉涪路小拱橋為庫區(qū)淹沒橋梁的重建工程。該新建橋梁上部結(jié)構(gòu)為20 m跨徑的全裝配式工字鋼-混組合簡支梁橋，橋?qū)? m，主梁全高1.25 m，其中工字鋼梁高0.8 m，混凝土橋道板厚25 cm，橋道板縱向肋高20 cm。因要求施工全程不得中斷人行交通，故橋道板采用半橋?qū)掝A制安裝，臨時通道半便橋和施工半橋交替作業(yè)和保通。

主要施工工序：預制長4 m，寬4.5 m混凝土橋道板，工廠制造鋼梁節(jié)段，現(xiàn)場高強螺栓連接形成整體工字鋼梁，工字鋼梁吊裝就位，完成鋼梁間的橫向聯(lián)系，依次安裝預制橋面板，采用PCSS技術實施混凝土橋道板與鋼梁的連接。

3)工程應用案例2

PCSS連接體系成功應用于廣佛肇高速公路K9+357.8青歧涌大橋。青歧涌大橋主橋跨徑分布為41 m+70 m+41 m，單幅橋?qū)?6.8 m，上部結(jié)構(gòu)為鋼桁梁與預制混凝土橋道板組合形成的連續(xù)剛構(gòu)橋。

主要施工工序：在預制場制作全寬16.8 m，節(jié)段長5 m的混凝土橋道板，在工廠制造鋼桁梁節(jié)段，橋位現(xiàn)場拼裝接整鋼桁梁，1/2鋼桁梁整體吊裝于橋墩就位，中跨跨中鋼桁梁合攏，自墩頂依次對稱安裝橋道板并同步穿束施加預應力，至跨中橋道板合攏前實施PCSS剪力連接形成整體鋼桁主梁，中跨跨中橋道板合攏施工，實施鋼桁梁與中間墩的固結(jié)，形成全裝配式鋼桁-混凝土組合連續(xù)剛構(gòu)橋。兩幅主梁總長304 m，寬16.8 m，自鋼桁梁吊裝至全橋主體結(jié)構(gòu)完成僅用了30 d，創(chuàng)同類橋梁建設速度的世界記錄。

2.3.2 基于PCSC剪力連接的全裝配式組合橋梁

1)PCSC剪力連接構(gòu)造原理

筆者提出的PCSC剪力連接構(gòu)造[37]如圖8。

圖8 基于PCSC連接件的鋼-混組合橋梁Fig. 8 Steel-concrete composite bridge with PCSC connector

在預制混凝土PC橋道板對應鋼梁底部縱向預埋剪力連接鋼筋，在鋼梁上翼板頂面設置剪力栓釘和側(cè)擋板，當預制混凝土PC橋道板在鋼梁S上就位后，借助專用設備灌注鋼梁上翼板和側(cè)擋板與橋道板底面圍成的結(jié)合腔混凝土C(常用UHPC)，形成鋼混組合結(jié)構(gòu)的PCSC剪力連接構(gòu)造。其傳力路徑為混凝土預制板-剪力連接鋼筋-后灌注結(jié)構(gòu)混凝土-剪力栓釘-鋼梁頂板-鋼梁。由此對PCSC剪力連接構(gòu)造及形成的裝配式鋼混組合梁開展了理論分析和模型試驗[38]，建立了初步設計計算方法。

2)工程應用案例

基于PCSC剪力連接的全裝配式組合橋梁技術已成功應用于重慶大足至四川內(nèi)江高速公路(重慶段)K15+503.204分離式立交工程跨線橋。該橋梁上部結(jié)構(gòu)為2×40 m跨徑的裝配式工字鋼-混組合連續(xù)梁橋，鋼梁采用中心間距為4.5 m的雙主梁結(jié)構(gòu)，橋?qū)? m，主梁全高2.4 m，其中工字鋼梁高1.93 m，正彎矩區(qū)段橋道板為32 cm厚預制混凝土空心板，負彎矩區(qū)段橋道板為23 cm厚預制混凝土空心板+9 cm厚UHPC現(xiàn)澆層。

主要施工工序：在預制場制作全寬8 m，縱橋向長4m的混凝土橋道板，工廠制造鋼梁節(jié)段及橫向聯(lián)系，橋位現(xiàn)場用高強螺栓和電焊(上翼板)連接形成長、短二節(jié)段雙工字鋼梁+橫向聯(lián)系，全橋鋼梁分長、短二節(jié)段先后吊裝就位并連接為整體，依次安裝預制橋面板，灌注結(jié)合腔UHPC實施PCSC剪力連接形成鋼混組合連續(xù)梁橋?，F(xiàn)場施工對鋼梁安裝、橋道板安裝、后灌注UHPC這3個工序各用1d時間完成。充分體現(xiàn)了全裝配式組合梁橋的快捷裝配成橋優(yōu)勢。

3 標準跨徑梁橋工業(yè)化制造方案

3.1 海南省的橋梁建設要求

3.1.1 地理條件

海南省的地理位置為：地處我國華南地區(qū)，北以瓊州海峽與廣東劃界，西臨北部灣與廣西、越南相對，東瀕南海與臺灣對望，東南和南部在南海與菲律賓、文萊、馬來西亞為鄰。海南省是我國對外開放的重要門戶，特殊的地理位置賦予了海南省投入“21世紀海上絲綢之路”建設的獨特優(yōu)勢和歷史使命。橋梁建設的工業(yè)化體系既要考慮滿足省內(nèi)交通建設需求，也需考慮省內(nèi)企業(yè)走出國門，支持和服務沿海東南亞國家交通建設的需要[39]。

海南省的地貌特征為：陸地總面積3.54×104km2，其中海南島3.39×104km2，海域面積約200×104km2。海南島輪廓形似一個橢圓形大雪梨，地勢四周低平，中間高聳，呈穹隆山地形，以五指山、鸚哥嶺為隆起核心，向外圍逐級下降，由山地、丘陵、臺地、平原等地貌構(gòu)成。總體表現(xiàn)為海島丘陵地貌，在生態(tài)環(huán)保要求日益嚴格條件下，裝配式橋梁構(gòu)件的運輸尺寸將受到較為苛刻限制。

海南省的氣候條件為：地處熱帶北緣，屬熱帶季風氣候，年平均氣溫22～26 ℃；雨量充沛，年平均降雨量為1 639 mm，有明顯的多雨季和少雨季；雨源主要有鋒面雨、熱雷雨和臺風雨；基本特征為四季不分明，夏無酷熱，冬無嚴寒?？傮w呈現(xiàn)高溫、高濕和高鹽的氣候特征，對橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐性能有較高要求[40]。

3.1.2 戰(zhàn)略定位

在中國改革開放40周年、海南建省辦經(jīng)濟特區(qū)30周年之際，習近平總書記提出全面深化改革開放試驗區(qū)、國家生態(tài)文明試驗區(qū)、國際旅游消費中心和國家重大戰(zhàn)略服務保障區(qū)的海南省新“四大戰(zhàn)略定位”[41]。這對海南省橋梁建設工業(yè)體系具有重要指導意義：① 率先探索標準跨徑橋梁由“工地建造”向“工業(yè)化制造”轉(zhuǎn)變；② 推行減少砂石開采，注重材料回收利用的橋梁建設；③ 推行全裝配式橋梁建設，顯著降低施工占地影響(占地面積×占用時間)；④ 優(yōu)質(zhì)高效橋梁建設為國家重大戰(zhàn)略提供服務保障。

3.1.3 “碳達峰、碳中和”國家承諾

海南省橋梁建設工業(yè)體系也應為兌現(xiàn)“碳達峰、碳中和”國家承諾助力[42]。材料方面：明顯減小混凝土用量，相應減少因砂石開采而引起的島內(nèi)原生態(tài)環(huán)境破壞；結(jié)構(gòu)方面：鋼結(jié)構(gòu)應用，克服了結(jié)構(gòu)性開裂，并相應增大了鋼材儲存和材料的回收利用率；制造安裝方面：科學規(guī)劃、智能制造、智慧監(jiān)控、杜絕浪費[43-47]。

綜上所述，針對海南省及附近沿海國家量大面廣的標準跨徑橋梁建設需求，筆者融合“裝配式”與“鋼-混組合結(jié)構(gòu)”優(yōu)勢，開展了全裝配式鋼-混組合梁橋的工業(yè)化制造方案探索。

3.2 全裝配式鋼-混組合梁橋工業(yè)化制造方案

3.2.1 全裝配式鋼-混組合梁概念設計

針對海南省量大面廣的標準跨徑橋梁建設需求，筆者提出“全裝配式NHNR剪力連接的鋼-砼組合梁”的構(gòu)想[48]。其總體構(gòu)造(圖9)為：由混凝土橋面板與其下工字鋼梁通過NHNR剪力連接件形成組合結(jié)構(gòu)。

圖9 全裝配式鋼-混組合梁橋總體構(gòu)造Fig. 9 Overall structure of fully prefabricated steel-concrete bridge

主要制造工序為：工廠制造鋼梁節(jié)段和橋道板節(jié)段-運輸至現(xiàn)場-連接形成整體的鋼梁+橫向聯(lián)系-吊裝鋼梁在墩臺就位-依次安裝預制橋道板在鋼梁精準就位(橋道板與鋼梁實現(xiàn)釘孔嵌套)-單面鉚釘連接形成整體鋼混組合梁橋。

工字鋼梁節(jié)段：40 m跨徑范圍內(nèi)均采用三節(jié)段，使鋼梁連接部位避開最大彎矩區(qū)段；節(jié)段長度≤13 m，限定在常規(guī)運輸范圍。預制橋道板節(jié)段尺寸：當橋?qū)挕?3 m采用全橋?qū)掝A制，沿跨徑的尺寸取≯2.4 m，以滿足常規(guī)運輸尺寸限制要求。

預制橋道板節(jié)段構(gòu)造如圖10。預制橋道板常規(guī)厚度20 cm(規(guī)范最小尺寸)，對應鋼梁上翼緣設置倒梯形縱肋，以適應梁板傳力過渡；橋道板節(jié)段橫橋向端部設置端橫肋形成槽形板，端橫肋增強了橋道板節(jié)段橫橋向邊緣的剛度和抗力，以簡化相鄰橋道板橫向接縫構(gòu)造。

圖10 預制橋道板節(jié)段構(gòu)造Fig. 10 Precast slab segment structure

3.2.2 NHNR剪力連接構(gòu)造原理

鋼混組合結(jié)構(gòu)中的傳統(tǒng)栓釘具有抗剪和抗拔兩個作用(實際是抗剪為主，抗拔為輔)，為此栓釘上端特制成大頭，致使預制板與鋼梁間只適宜通過現(xiàn)澆混凝土實現(xiàn)二者結(jié)合。

筆者提出的NHNR剪力連接構(gòu)造如圖11。

圖11 剪力連接構(gòu)造Fig. 11 Shear connector structure

在預制橋道板縱肋底部預埋剪力釘N，并在鋼梁上翼板對應位置開孔H；在預制板端部附近設置豎向鉚釘預留孔，在該預留孔底部設置預埋開孔鋼板，并在鋼梁上翼板對應位置設置通孔；在鋼梁上安裝橋道板時，使橋道板預埋釘N嵌入鋼梁上翼板對應開孔H中，并借助專用工具通過橋道板預留孔實施單面鉚釘N對橋道板與鋼梁上翼板的鉚連接R，形成NHNR剪力連接構(gòu)造(預埋釘N-嵌入孔H-單面鉚釘N-鉚連接R)。工作原理是以預埋鋼釘抗剪，以鉚連接抗拔，用機械連接方式代替了傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土連接，為推進橋梁由“工地建造”向“工業(yè)化制造”的轉(zhuǎn)化提出了可行途徑。

針對“全裝配式NHNR剪力連接的鋼-砼組合梁”，通過理論分析、模型試驗、實橋測試對其結(jié)構(gòu)性能開展系統(tǒng)深入研究，并建立相應的設計計算方法和理論；聯(lián)合特色優(yōu)勢企業(yè)，針對海南省環(huán)境氣候條件，開發(fā)優(yōu)質(zhì)低價的鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝新材料與新技術；與優(yōu)勢單位聯(lián)合開發(fā)適于NHNR剪力連接的優(yōu)質(zhì)噴涂膠結(jié)材料。

3.2.3 橋梁構(gòu)件工廠化制造基地構(gòu)想

土木工程建造與機械工程制造的主要差異之一是對象的尺度存在數(shù)量級差異，小尺度的機械制造一旦引入自動生產(chǎn)線，產(chǎn)品質(zhì)量效率迅疾提升，批量生產(chǎn)的造價急劇降低[41]；雖然機械工程也有類似航空母艦超大體量結(jié)構(gòu)制造需求，但這種產(chǎn)品制造數(shù)量極少且可不計成本；一般地，機械工程制造成本是隨產(chǎn)品尺度的增大而迅速增加。標準跨徑橋梁建設屬大尺度結(jié)構(gòu)，量大面廣且需嚴控成本。

筆者提出的“全裝配式NHNR剪力連接的鋼-砼組合梁”具有預制構(gòu)件尺度小、重量輕和易裝配等特點，為集中工廠化制造橋梁構(gòu)件，可中遠距離常規(guī)運輸以供海南全省需求，為現(xiàn)場精準就位裝配成橋提供了有利條件。當限定預制構(gòu)件體量在適宜尺寸范圍之內(nèi)，預制構(gòu)件自動生產(chǎn)線裝備的成本、運行、維護、管理費用相對較低；相應的預制構(gòu)件生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好、成本低(如預制橋道板與預制箱梁節(jié)段相比，后者的費用明顯增高)。工廠化制造基地更易實現(xiàn)統(tǒng)籌管理、科學規(guī)劃、數(shù)控下料、高精制造、反饋控制，據(jù)此確保構(gòu)件制造質(zhì)量，提高構(gòu)件生產(chǎn)效率，降低構(gòu)件生產(chǎn)成本[42]；較傳統(tǒng)露天預制場顯著減少占地用量(面積×時間)、環(huán)境污染和資源浪費，并確保了各預制構(gòu)件具有相同的質(zhì)量和精度(露天預制場幾乎不可能實現(xiàn))。

基于海南省內(nèi)標準跨徑橋梁建設的需求情況，結(jié)合制造基地可占地及構(gòu)件運輸?shù)木C合效益測算，第一期橋梁構(gòu)件工廠化制造試點基地擬選址在瓊中。試點基地占地面積100畝，主要由原材料存儲區(qū)、混凝土橋道板節(jié)段生產(chǎn)區(qū)、鋼梁節(jié)段生產(chǎn)區(qū)、成品存放區(qū)、辦公生活區(qū)等幾大區(qū)域構(gòu)成，如圖12。預估產(chǎn)能：鋼結(jié)構(gòu)3×104t /年，混凝土橋道板4.2萬方/年；折算為12.5 m標準寬度的橋梁上部結(jié)構(gòu)每可生產(chǎn)鋼混組合梁橋13.0 km。之后，根據(jù)工廠化制造試點基地運行、效益和需求情況，后續(xù)發(fā)展第二期工廠化制造基地可選在海運方便位置，以便支持和服務東南亞國家的交通基礎設施建設。

圖12 工廠化制造基地Fig. 12 Base of factory manufacturing

3.2.4 鋼-混組合梁橋的現(xiàn)場裝配探討

標準跨徑橋梁按其建設規(guī)?？煞譃槎嗫淄鐝降拈L線橋梁和少孔短線橋梁，對標準跨徑長線橋梁可借助既有架橋機實施鋼-混組合梁橋的現(xiàn)場裝配成橋；對短線橋梁，鑒于海南島范圍內(nèi)并無特高或特深地貌條件下的橋梁建設，可借助既有吊機實施鋼-混組合梁橋的現(xiàn)場裝配成橋。

基于自動生產(chǎn)線工廠化制造可保證每一同類橋梁構(gòu)件制有相同的質(zhì)量和精度，但如何保證在橋位現(xiàn)場拼裝接整后的鋼梁精度，滿足預制橋道板安裝與鋼梁上翼板實現(xiàn)釘孔嵌套的機械安裝精度要求，是“全裝配式NHNR剪力連接的鋼-砼組合梁”現(xiàn)場裝配成橋必須解決的關鍵技術難題。對此，若與架橋機及優(yōu)勢專業(yè)廠家聯(lián)合，在現(xiàn)有架橋機裝備的基礎上，創(chuàng)新自動誘導就位裝置，引入全方位高精度機器視覺，研發(fā)誤差識別與智能算法，實現(xiàn)反饋控制下的機械微調(diào)和精準落位就成為其技術的關鍵所在。

3.3 全裝配式鋼-混組合梁橋工業(yè)化制造效益

3.3.1 經(jīng)濟效益

據(jù)粗略估計，海南省未來十年內(nèi)約需建設標準跨徑橋梁1 400萬平方米，折合為12.5 m標準寬度橋梁，約需新建112 km橋梁。筆者從預制廠(基地)建設成本、橋梁建設成本和橋梁運營維護成本這3個方面進行了兩種方案下的經(jīng)濟效益測算，如表1。

表1 海南省10年橋梁建設經(jīng)濟估算比較Table 1 Comparison of economic estimation of bridge construction in Hainan province in 10 years

在規(guī)模建造條件下，全裝配式鋼-混組合梁橋工業(yè)化制造相比傳統(tǒng)裝配式混凝土梁橋的分散預制具有顯著的經(jīng)濟效益，總計成本相對降低了約22.1%。

3.3.2 生態(tài)效益

從場地建設、土地占用、構(gòu)件運輸、橋梁建設和鋼材回收利用這5方面而言，筆者對比估算了全裝配式鋼-混組合梁橋工業(yè)化制造與傳統(tǒng)預制梁/裝配式混凝土橋建造兩種方式，對海南省十年橋梁建造產(chǎn)生的碳排放量估計如表2。由表2可見：全裝配式鋼-混組合梁橋造成的碳排放量相對減少約50.4%。

表2 海南省10年橋梁建設碳排放量估算比較Table 2 Comparison of carbon emission estimation of bridge construction in Hainan province in 10 years

3.3.3 社會效益

全裝配式鋼-混組合梁橋工業(yè)化制造高度契合了習總書記提出的海南省新4大戰(zhàn)略定位。

1)全面深化改革開放試驗區(qū)：在海南省先行先試“全裝配式組合橋梁工業(yè)化制造”，將橋梁傳統(tǒng)的“工地建造”向“工廠制造”推進，進而驅(qū)動企業(yè)走出國門，支持和服務于沿海東南亞國家交通基礎設施建設。

2)國家生態(tài)文明試驗區(qū)：全裝配式組合結(jié)構(gòu)橋梁擬采用工廠化構(gòu)件制造、高效低耗運輸、智能裝配成橋的工業(yè)化制造體系建設，相比傳統(tǒng)橋梁建造可顯著減少碳排放；工業(yè)化制造體通過全程精細化管理達到優(yōu)化節(jié)能減排；鋼材便于回收利用可促進無廢城市建設。

3)國際旅游消費中心：將構(gòu)件“露天預制”轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮S制造”，橋位現(xiàn)場“現(xiàn)澆連接”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皺C械連接”，可顯著減少橋梁建設對旅游消費的不利影響，“工業(yè)化橋梁制造基地”或可吸引國內(nèi)外游客參觀，形成海南省特有的橋梁建設風景線。

4)國家重大戰(zhàn)略服務保障區(qū)：全裝配式組合梁橋工業(yè)化制造可為優(yōu)質(zhì)高效的橋梁建設提供技術保障，為國家重大戰(zhàn)略提供交通基礎運營安全暢通的服務保障。

4 結(jié) 語

“創(chuàng)新”是我們國家發(fā)展的主題詞。然而由于土木工程結(jié)構(gòu)難以容忍小概率的失敗，故歷經(jīng)數(shù)十年才有了從常規(guī)混凝土橋梁從現(xiàn)場澆筑，到仍大量使用預制梁裝配式建造，至現(xiàn)在已有一定程度推廣應用的短線法節(jié)段預制裝配式建造的發(fā)展。雖發(fā)展相對遲緩，但也體現(xiàn)了業(yè)界從“工地建造”向“工業(yè)制造”的逐步追求。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，鋼混組合橋梁更契合綠色的建設理念和輕便預制裝配的要求。學界在此領域開展了大量研究和應用工作，并取得明顯成效，但尚存較大的改進發(fā)展空間。

筆者針對海南省特殊的地理條件和戰(zhàn)略定位，提出NHNR剪力連接的全裝配式鋼混組合梁橋構(gòu)想，探索了鋼混組合梁橋的工廠制造/現(xiàn)場機械化裝配。但在向工程實際推進過程中，還存在大量關鍵技術難題有待攻克。