装配式桥梁设计及应用

【导读】 桥梁工业化程度低，上部结构虽以预制结构为主，但现浇箱梁仍占很大一部分；下部结构基本以现场支架现浇为主；不符合高效、优质、经济、环保的发展需求。

常用预制拼装上部结构有：小箱梁、箱梁（等截面、变截面）、钢组合梁等。

小箱梁：

一般结构连续，可采用简支结构、桥面连续体系；

可通过湿接缝调整宽度；

改进湿接缝30cm用UHPC

箱梁：

中小跨度等截面（50m以下）——逐跨施工连续梁

中等跨度等截面（50~80m）——悬臂逐跨施工连续梁

工厂化预制、质量好，施工受天气影响小，约10天/孔；节段拼装箱梁的腹板、顶底板厚度小，减少混凝土用量；体外预应力可检测、更换，耐久性好；后期收缩徐变小；

泉州湾大桥引桥（体内体外混合配束）

五峰山大桥引桥（体内体外混合配束）

芜湖二桥引桥（全体外束）：

大跨度变截面（80m以上）——平衡悬臂施工连续梁（5d/节段）   

钢梁：

钢板组合梁

钢箱组合梁

钢箱梁

下部结构预制拼装

——东海大桥、金塘大桥、杭州湾大桥、港珠澳大桥等特大桥梁

桥墩墩体分为若干节段，在岸上的工厂预制后运至桥位进行组拼，通过施加预应力将节段整体拼装成桥墩的施工工艺。

有效解决了现场搭设模板困难、混凝土运输、海洋环境耐久性等问题。

——上海嘉闵高架

嘉闵高架北段二期，主线标准段桥宽25m，上部采用结构简支、桥面连续30m小箱梁结构。

下部除桩基、承台现浇外，墩柱、盖梁、护栏等均工厂预制、现场拼装。中墩采用双柱式2*1.5m，边墩单柱式桥墩。

 盖梁为倒T断面，分层施工，下层预制，吊装190吨，长23.4米，由两台250吨履带吊拼装到位后现场浇筑上层。传统盖梁现浇施工工艺需40天左右，拼装施工仅用3个晚上即可完成。

——上海S3公路

高架主线桥梁标准宽度25.5m，平行匝道桥宽度为8.5m，简支变连续小箱梁，基本跨径30m；跨越路口、河流等节点位置需要时采用钢-混凝土组合梁。

下部结构承台采用现浇施工，立柱、标准盖梁均采用预制装配工艺施工。

单个立柱横断面尺寸2m*2m;立柱高7.0~15.8m，最大重量约130t

盖梁为整体盖梁，预制吊重重量约248t，采用大型平板车运输、两台履带吊吊装就位。

——长沙湘府路快速化改造工程

高架主线桥梁标准宽度25m，上部结构采用钢混组合板梁，基本跨径30m；

下部结构预制拼装。立柱<15m预制，大挑臂双柱盖梁分2段预制、与墩柱连接后浇筑湿接缝；单段盖梁吊重130t。

——上海S7公路

盖梁拼接采用牛腿式垂直拼缝技术——大型盖梁分成几个小型节段，匹配预制施工，拼接面采用环氧胶接缝，接缝形式为牛腿式垂直拼缝。节段的小型化便于运输和吊装；匹配预制施工可以确保接缝的均匀密贴；拼接面采用环氧胶接可以保证接缝的质量和快速施工。

新型门式墩盖梁预制拼装技术——利用辅助工具梁吊装22m超长预制盖梁

——其他盖梁拼装方案

双向6车道断面

双向8车道断面

国内常用有钢筋套筒灌浆连接和灌浆金属波纹管钢筋连接，预应力钢筋连接；

钢筋套筒灌浆连接

通过灌浆将套筒与钢筋连接，形成整体共同受力的单根钢筋连接方式，与常规的对焊钢筋连接方式相似。

用于立柱与承台、立柱与盖梁、立柱之间连接；适用于非抗震控制区域

应用较早、已建成的嘉闵高架等，国内已有相关技术规程：

灌浆套筒连接的不足是要求施工精度高；套筒直径较大，如果纵筋含量较高，布置困难；灌浆质量检测困难，灌浆不满存在连接失效的风险。

设置在墩身塑性铰区域，但因塑性铰区套筒的存在，对塑性铰区域的损伤、破坏机理等需要进一步研究。

灌浆金属波纹管钢筋连接

钢筋通过浆体将力传给波纹管，波纹管再通过与混凝土的咬合作用传给混凝土；其优点不足与灌浆套筒连接相类似，但如把金属波纹管预埋在承台或盖梁，通过灌浆锚固预制节段的纵筋，可以避开墩柱塑性区域。

构造简单、操作方便，采用了波纹管，造价相对较低；

用于立柱与承台、立柱与盖梁之间连接；

在上海S3公路等项目中开展应用。

预应力钢筋连接：

墩柱节段间可采用剪力键，接缝为胶接缝，再张拉接长的预应力钢筋，将节段预制桥墩连成整体；

预应力钢筋可采用钢绞线、螺纹钢筋或者钢棒；

工序较复杂，抗震性能好，目前在大型桥梁中应用，也宜用于中、高地震烈度区。

护栏预制拼装

护栏与主梁一同预制、吊装；

单独预制，通过湿接头或者预应力、剪力键等与主梁连接。

护栏内一般有管线，曲线桥实施较难。

广东中开高速（中山段）下部结构预制拼装

利用两幅桥中分带7m宽净距修建33m宽高速公路桥，采用大悬臂盖梁、悬臂长13m居国内第一； 上部结构采用自重较轻的组合钢板梁，桥面板与钢梁在工厂预制，架桥机安装，工地浇筑湿接缝，无需张拉预应力、施工速度快。

 墩柱均高18m，分为两段预制吊装，最大节段吊重130t，通过灌浆连接套筒连接；

 盖梁分段利用吊机安装，节段间设置剪力键涂抹环氧、张拉预应力，单个节段吊重<80t；

广东中开高速预制管桩技术

井山深谷大桥等3座桥梁（单幅16.5m宽、30m跨径），总长1.2KM，地质条件较好，基础采用4根D80PHC管桩，桩长约35m；

 采用锤击法施工，对四周环境噪声略大，单台打桩机平均一天打入5根，大大缩短施工工期。

 与传统灌注桩相比，现场无污染，成桩质量可靠，经济性好，基础造价节约近50%；

《桥梁预应力砼管桩基础应用研究》：研究承载力、耐久性、连接构造、施工质量控制技术等

广东中开高速横门西水道大桥——主跨145m波形钢腹板连续刚构，

波形钢腹板自重较轻，节段较长、施工工期短；钢腹板避免砼腹板开裂病害。

首次采用预制节段拼装施工波形钢腹板桥。砼顶底板设置剪力键，钢腹板采用先高强螺栓临时连接后焊接；

创新采用槽钢剪力键连接、开展《波形钢腹板桥预制拼装研究》

广东中开高速银洲湖大桥——主跨530m组合混合梁斜拉桥

主梁采用工厂制作钢梁，预制桥面板，工厂内浇筑砼桥面板湿接缝形成组合梁，工地吊装安装；

钢混接头首创采用预制施工，解决钢混结合段的施工问题。

云南昆明市南二环高架桥维修加固工程

旧桥结构尺寸小，荷载等级低（汽-20 ）。设计采用组合钢板梁、组合钢箱梁及钢箱梁多种结构形式以减轻自重。

多梁式16、20、25、30m简支组合钢板梁，桥面板仅为22cm，荷载等级提级至公路-I级（2015），下部基础承载力计算能满足要求。

桥面板：采用群钉+预制桥面板方案、预制板底模现浇进行比选。

武阳高速桥梁预制拼装

武汉至阳新高速公路（武汉至鄂州段）全长42Km，主线双向六车道高速公路，全线桥梁占比95%以上。

凤莲大道共线段长8km，为高速公路在地面道路上架设高架桥的特殊段落。该段桥梁初步设计采用预制拼装方案。

初步设计方案于2018.4月通过由秦顺全、王景全、郑健龙、谢先启等4位院士组成的专家组咨询会审查。

上部结构标准化设计

根据标准跨径比选，30m小箱梁经济性及适应性较好；以结构连续为主,局部可采用桥面连续结构以最大程度满足变宽要求；

半径R>150m匝道桥采用25m预制小箱梁；

跨路节点大跨径桥梁，60~40m采用简支组合钢箱梁比选；

高等级航道采用波形钢腹板连续梁或变截面连续梁，择优采用。

大悬臂整幅断面：

盖梁尺寸宽32m，悬臂长度11.4m；就分层和分段进行比选，推荐采用分两段吊装，浇筑湿接缝。

双柱方形墩柱，截面尺寸2*1.8m，整体吊装。

单个墩柱重量最大约90t（一般控制100t吊重、h<12m），单个盖梁重量约135t（一般按照200t吊重控制）

大悬臂分离式断面：

盖梁尺寸2.0x2.2m，长16m，悬臂长度5.6m，整体吊装。

双柱方形墩柱，截面尺寸1.4*1.4m，整体吊装。

单个墩柱重量最大约50t，单个盖梁重量约130t

连接设计

本项目地震烈度低，推荐采用较为成熟的钢筋套筒灌浆连接。

结构计算

常规受力设计总体符合《公路桥涵设计通用规范》《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》；

根据《预制拼装桥墩技术规程》计算，尚需满足以下要求：

抗震设计

抗震设计总体符合《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）规范的规定；

根据国内研究，与传统现浇混凝土桥墩破坏现象比较，灌浆套筒连接和波纹管连接的预制拼装桥墩立柱破坏现象与之基本相近。下阶段开展预制拼装抗震专题研究。

 两个预制试件和一个现浇试件总体损伤发展情况一致：前期损伤均为墩身裂缝的开展，未发现拼接缝的张开；最终均发生弯曲破坏，保护层混凝土的剥落，纵筋屈曲断裂。

 三个试件滞回曲线和骨架曲线形状相近，试件承载力很接近，预制件体现出更大的位移能力，但由于屈服位移较大而体现出比现浇试件较小的位移延性系数。

施工方案

1.建立专业化预制加工厂，进行钢筋集中加工、构件预制生产及构件配送。

2.现场桩基施工完成后浇筑承台，承台内预埋钢筋套筒。

3.立柱安装：接缝处摊铺2cm厚高强砂浆，吊装立柱就位，采用千斤顶辅助调节垂直度。待砂浆强度满足要求后对钢筋连接套筒灌浆。

4.盖梁安装：采用大型平板车运输整体盖梁，两台履带吊吊装就位。

造价分析

根据已建项目造价分析，桥长5km左右，墩柱及盖梁采用预制拼装施工方案，较现场浇筑造价约增加25~30%，桥梁总造价仅增加约3~7%。且随着桥梁建设规模增加，增幅更少。