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专家视角|林树枝:装配式桥梁的应用前景分析

2020-05-25  zhaxx

林树枝

(厦门市交通运输局,厦门 361001

摘要

为克服传统桥梁建造模式存在的弊病,促进装配式桥梁发展,本文通过与传统建桥方法进行比较,分析了装配式桥梁的优点,特别是在建造速度快、建设质量高、交通影响小、节能环保优等方面的突出优势;阐述了装配式钢筋混凝土箱梁、钢箱梁、钢-混凝土组合结构、预制桥面板等上部结构拼装,以及装配式桥梁墩柱、桥台等下部结构拼装的发展现状;最后从钢结构及钢-混凝土组合结构、新型材料、BIM技术等方面,提出一些值得进一步研究的建议,以期促进装配式桥梁建设技术的进步和创新发展。

关键词:装配式桥梁;装配式钢筋混凝土箱梁;装配式桥墩;新型材料;


引 言

装配式建造是一种施工方式的创新,把在工厂模块化生产加工的装配式构件,运送到施工现场,通过吊装并整体装配而成[1]。装配式建造具有设计标准化、产品模块化、生产工厂化、装配机械化、管理精细化等特点[2],在节能减排、环境保护等方面具有极大的优势,因此受到国内外学者的广泛关注。学者们通过与传统建造模式进行对比,普遍认为装配式建造可以提高生产效率、提高工程质量,缩短施工工期,减少劳动力,减少能源消耗[3]。相比于西方国家,我国建筑装配化程度不高,市场尚未成熟,缺乏设计施工经验,在推广应用中主要存在以下几个方面的问题:标准体系不健全、建筑多样性与标准化之间存在矛盾、成本偏高、产业化队伍亟待培育等[4]。目前我国将建筑产业现代化提升到了前所未有的战略高度,从政策支持到科研投入等多方面推动装配式建筑的发展。

本文首先分析装配式桥梁的优势,再从上部结构拼装、下部结构拼装两方面介绍装配式桥梁的发展现状,最后对装配式桥梁的发展前景做了展望。

1   装配式桥梁的优势




目前,我国的公路和城市桥梁多数采用现浇混凝土这种传统桥梁的建造模式,施工周期长、对交通影响较大、整体耗能高、现场施工人员多、工人劳动强度大。美国早在1970年开始,便启动了ABC计划,即桥梁快速施工,工厂化预制主梁、桥面板及桥台等,再运到现场桥位进行现场快速拼装。这一施工方法大大加快了桥梁的建造速度,减小了桥梁建设对交通及环境的不利影响[5]。

相对于传统建桥方法,装配式桥梁的优势主要表现在[6]:

(1)施工效率高。模块化设计及预制装配,流水化作业程度高,可缩短工期、提升质量、大大减少桥梁施工的现场作业,对城市交通流的影响也可降到最低。

(2)节能环保。预制构件均已在工厂内制作完成,节约模板用材及施工场地,避免了现场施工对环境的污染,同时降低施工噪音,减少现场物料堆放,等。

装配式桥梁具有传统桥梁建造方法无法比拟的诸多优点,符合我国节约资源、保护环境的理念,是我国桥梁建造业可持续发展的大趋势。

2  装配式桥梁的发展现状




2.1上部结构拼装

2.1.1 装配式钢筋混凝土箱梁

装配式钢筋混凝土箱梁。沿纵向把桥梁的梁体划分为节段,在工厂预制后运输至现场桥位进行组拼,并施加预应力使之成为整体[7]。节段预制拼装法主要有长线法和短线法[8][9]。

(1)长线法

长线法是按照桥梁底缘曲线制作一个足够长度的固定台座,依次序逐块预制,完成半跨至整跨主梁,再脱离节段。该方法为传统技术,施工相对成熟,但对台座基础要求高,当桥梁纵坡变化大时,难以适用。

(2)短线法

预制台座的底模为一个节段的长度,一侧采用端模,另一侧利用预制完成的相邻节段作为端模,逐段预制。短线匹配法节段预制拼装,灵活机动性大,施工速度快,适于梁段类型变化多的桥型,但对模板的灵活性和刚度要求较高,施工精度要求高。

按照预制节段之间不同的连接形式,可划分为湿接缝、胶结缝和干接缝等。三者区别在于相邻预制梁段间填充物不同,填充材料包括混凝土或干硬性水泥砂浆、环氧树脂等,干接缝通过榫头和预应力完成连接[10]。随着起重设备能力提升,大节段整体吊装方法越来越多的用于桥梁建设;减少了拼接缝的数量,将制造及主要的控制工作转移到制作工厂内;减小了现场控制的难度,易于保证施工质量,建造速度更快。

厦门集美大桥总长3470m,分为道路桥和BRT桥两大部分,跨径布置均为55m+2×100m+55m,两座桥共长620m,根部梁高5.6m,跨中梁高3m;采用短线法预制拼装[11]。集美大桥节段拼装如图 1所示。

图 1  集美大桥节段拼装

厦门BRT高架桥坐落在交通极度繁忙的厦禾路和莲前路上,需缩短施工工期,减少对现有交通的影响。采用预制节段拼装连续箱梁,其中厦禾路段内预制拼装总长3512m,莲前路及联络线段内预制拼装总长3330m。施工现场照片如图 2所示。

图 2  厦门BRT高架桥施工现场照片

2.1.2 装配式钢箱梁

港珠澳大桥采用约16km的钢箱梁和6km的组合梁,是国际上建设规模最大的海上钢结构长桥。钢箱梁自重较轻,在横风作用下稳定性好,抗震性能好[12]。港珠澳大桥如图 3所示。

图 3  港珠澳大桥

2.1.3 装配式钢-混凝土组合结构[13]

(1)钢桁腹组合梁

钢桁腹预应力混凝土组合梁桥采用钢桁式腹杆代替混凝土腹板,是一种新型组合结构桥梁,适用于中等或大跨径桥梁结构。如南京绕城高速江山车行天桥(见图 4)和深圳大学1号桥(见图 5)。

图 4  南京绕城高速--江山车行天桥

图 5  深圳大学1号桥

(2)装配式组合钢箱梁

装配式组合钢箱梁采用耐候钢、波形钢腹板等新材料,结合双钢箱闭合截面新工艺,提高了承载能力,使得桥梁结构更轻盈,如京港澳高速保定互通小半径曲线桥,其桥墩、盖梁、主梁均实现了工厂化生产和装配化施工,见图 6所示。

图 6  装配式组合钢箱梁在曲线桥中的应用

(3)波形钢腹板组合梁

波形钢腹板组合梁,把预应力混凝土箱梁中的混凝土腹板采用波形钢板替代。工厂预制波形钢腹板工字组合梁如图7所示。

图 7  波形钢腹板工字组合梁

常庄水库桥也采用波形钢腹板PC组合箱梁,如图8所示。

图 8  常庄水库大桥

(4)波形钢腹板-钢管混凝土组合梁

波形钢腹板-钢管混凝土组合梁桥,该桥型结构新颖,由混凝土顶板、钢管混凝土下弦杆、波形钢腹板组合而成,其中波形钢腹板-钢管混凝土制造中的空间曲面焊接问题是结构难点(见图9)。

图 9  组合梁制造

(5)H型波形钢梁-GFRP桥面板组合梁

H型波形钢梁-GFRP组合桥面板组合梁,主梁采用H型波形钢梁,桥面板采用GFRP桥面板。工程实例:京港澳高速柏乡服务区人行桥(如图10所示)。

图 10  京港澳高速柏乡服务区人行桥

(6)钢箱组合梁

将混凝土桥面板与半闭合钢板箱梁连接成整体,形成钢箱组合梁。这种组合梁能够充分发挥钢材所具有的抗拉性能和混凝土所具有的抗压性能。采用该结构形式的邢衡高速沙窝沟北支大桥如图11所示。

图 11  沙窝沟北支大桥

(7)钢板组合梁

钢板组合梁由外露的工字型钢与钢筋混凝土顶板通过剪力键链接形成的一种组合结构。该桥型充分发挥了钢材和混凝土各自的材料性能,承载力高、抗震性能和动力性能好、施工快捷。采用该结构形式的曲港高速主线桥如图12所示。

图 12  曲港高速公路主线桥

(8)钢桁组合梁

钢桁组合梁以钢管或型钢作为主要受力构件,主梁由上、下弦杆、腹杆和混凝土桥面板组成,是一种具有高强度、高刚度、高稳定性的钢桁组合梁。采用该结构的雅西高速干海子大桥如图13所示。

图 13  雅西高速--干海子大桥

2.1.4 预制桥面板

预制桥面板主要为全厚度混凝土桥面板,采用剪力键与主梁进行连接。一般有钢格构桥面系、波纹钢桥面系和华夫板桥面系。其中波纹钢桥面系是利用螺栓将波纹钢板固定在主梁上,用混凝土或沥青混凝土灌注填平[14]。湖州五一大桥人行桥预制桥面板(如图14所示)。

图 14  湖州五一大桥预制桥面板

2.2下部结构拼装

2.2.1 装配式桥梁墩柱

桥墩通常包含帽梁、墩柱、承台和基础4个部分,装配式桥墩将桥墩分解成若干构件,如承台、柱、盖梁(墩帽)等,在工厂或现场集中预制,再运送到现场装配成桥墩[14],如图15所示。相关研究表明,采用合理连接型式与构造措施是实现快速桥墩拼装的关键,拼装墩柱的性能与现浇混凝土墩柱等同,甚至具有更好的动力特性,可在中、高地震区应用;目前对预制拼装桥墩的研究和设计分析较多,而对预制拼装桥台研究相对较少,这方面有待加强[15]。



图 15  分节式墩台示意图

2.2.2 装配式桥台

桥台通常包含帽梁、台身、翼墙和基础4个部分,构件的划分与连接方式与桥墩类似。由于桥台相对桥墩数量少,故相关的研究和应用更少一些。典型形式有承插式预制拼装桥台(图16)和H型钢桩[14]。

图 16  承插式预制拼装桥台

3  装配式桥梁的应用前景分析




3.1 钢结构及钢-混凝土组合结构的应用

钢结构桥梁适用于建造结构复杂、荷载很大、跨径很长的桥梁,适合用于地震高烈度地区、地震重点设防区。我国受经济社会发展水平和钢材产能制约,钢结构桥梁主要仅用于特大跨径桥梁。随着钢铁产能的提高和钢结构桥梁建设技术的进步,我国已经具备推广钢结构桥梁的物质基础和技术条件。当前,钢铁产能过剩、钢材价格下降,是推进钢结构桥梁建设、提升公路桥梁建设品质的良好契机,是促进钢铁行业转型升级的重要举措。目前,砂、石等建筑材料供应越来越紧张,商品混凝土生产成无米之炊,全国商品混凝土生产产量会逐年下降,钢结构在桥梁中的应用将成为大势所趋(图17-图20)。

图 17  梁与拱组合钢桥

图 18  梁与悬吊系统组合钢桥

图 19  梁与悬索+斜拉索组合钢桥

图 20  梁与斜拉索组合钢桥

值得一提的是,钢-混凝土组合结构桥梁,通过两种材料的结合,可充分发挥混凝土抗压和钢材抗拉性能上的优势,避免混凝土受拉开裂和钢材受压失稳。城市桥梁以中小跨径桥梁居多,大跨度和特大跨度桥梁较少,钢-混组合结构桥梁便有了广阔的应用空间,可以发展成为我国城市中小跨径桥梁的主要结构形式。

3.2 新型材料的研发及应用

超高性能混凝土(UHPC)和纤维增强聚合物材料(FRP)等新材料,可以大幅提高抗拉能力,桥面板引入UHPC和FRP等新型材料,能够改善桥面板力学性能并提高耐久性[16]-[18]。应加快UHPC和FRP等新材料在快速桥梁施工中的应用,提升桥面板性能、施工工艺和质量控制水平。重点研究高性能混凝土材料的拌制及质量控制、混凝土桥面板架设的施工控制、现场桥面板间连接构造、钢-混凝土剪力群钉连接的质量控制等。

3.3 BIM技术在桥梁建设中的应用

BIM技术作为一种高端的信息集成技术,在工程建设领域得到了越来越多的推广应用。BIM技术具有可视化,协调性,模拟性,优化性和可出图性等五大特点,它是以三维模型为载体的数据库,是模型和信息的共同体[19]。

BIM技术与装配式桥梁在多方面存在一致性,主要体现在装配式桥梁的核心是“集成”,而BIM突出信息集成,契合装配式体系发展需求,BIM技术可打通设计、采购、施工环节,真正实现设计施工一体化。可使工作流程集成化,提高设计质量,提升施工和运维管理水平[20]。因此,在装配式桥梁工程中应用BIM技术对整个工程项目的意义重大。在设计阶段,利用Revit等参数化建模工具建立桥梁三维实体模型,通过碰撞检测,及时调整以避免后期设计变更,提高设计质量;在施工阶段,引入BIM技术4D、5D特性,更好地动态精细化管控项目进度、成本等,优化施工方案,确保桥梁工程的施工质量,减少风险和提高建设管理水平;在运营管理阶段,包含设计、施工阶段及项目其它建造信息的BIM模型,可整体传递至运管部门,进而可提高运营管理、档案管理水平。

4  结语




桥梁的装配式建造是加快施工速度、减少现场污染、实现低碳化建设的有效手段。在国家政策的引导下,装配式桥梁结构在各类工程中虽已得到了部分应用,但还远未完全推广,发展的潜力巨大。我国是产钢大国,但不是钢结构应用强国。在桥梁工程中应用钢结构的比例较低,与发达国家占50-60%的比重相比,还有很大的差距。随着政府对钢结构应用的鼓励和扶持,特别是我国经济持续高速增长,规模大、跨径长的特大型桥梁等大批建设项目待建,为钢结构桥梁提供了广阔的应用前景。

装配式桥梁在后续的发展过程中,应重视钢结构及钢-混凝土组合结构的应用。加快UHPC和FRP等新材料的推广应用,改善桥梁的力学性能,提高桥梁的耐久性。通过BIM技术推动装配式桥梁的发展,将桥梁建造从传统的作业方式向现代化施工模式提升,减轻桥梁在建造、使用、拆除的全生命周期内对环境资源的压力,提高桥梁的现代化建设管理水平。

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