寻求最优解——欧洲VTR模块化预制拼装技术

寻求最优解—欧洲VTR模块化预制拼装技术

考虑到欧洲大部分国家现有桥梁的使用年龄，当下和未来几年都需要更换大量的桥梁结构。对于更换中小跨径桥梁来说，模块化的建造方法显得尤为合适。组合结构的模块化建造方式在制造、运输和安装方面相较于单纯的钢和预应力混凝土的建造方式始终具有明显优势，但是目前的 VFT（预制组合梁）技术很难解决跨径在40～60m结构模块化预制。  

相较于传统施工方法，模块化建造方法最重要的优势是显著缩短了建造时间。特别是在新建替代桥梁的情况下，新桥的建造应避免对桥下交通造成重大影响，由此减少了交通拥堵和绕行，同时也避免因此产生的多余 CO ₂ 排放，因此在施工本身、可能出现的交通改道等方面都实现了成本节约。模块化建造方法的另一个优点是，通过将预制的梁段组合在一起，可以最小化施工现场的环境干扰。模块化构件可以在工厂中进行一系列的优化，以高速度和足够的质量进行生产，而且不受天气影响。这样生产的混凝土构件具有非常密实的表面，而且工场预制受到持续而稳定的质量控制，从而形成极其耐用的结构，其维护成本和整体生命周期成本均低于现浇混凝土结构。  

对于新建的替代桥梁，通常要求新结构能够在显著增加的交通负荷下，仍然能够与现有桥梁的建筑高度相匹配。否则，通常会导致由于抬高引道或坡道而产生额外的成本和环境影响，这一点在设计时应该尽量避免。对于这种应用情况，组合结构以其轻质和高承载能力显得尤为合适。  

典型案例及其施工

GreiBelbach segment分段桥

2014年，Max B?gl与SSF工程师有限公司（SSF）合作开发了一种新型的结构，其原理是将承重体系分为纵向和横向两个承载系统。首次在试点项目GreiBelbach segment分段桥 [1] （图1）中实施。从图示中可以看出，放弃了车行道板与钢梁之间的组合连接。设计的目标是在短时间内实现一个持久且适应性强的设计，同时确保结构高质量。通过放弃主承重结构与横向梁段之间的剪切组合，可以轻松更换单个梁段。梁段配备了滑动涂层，结合不锈钢板架设在主承重结构上，确保整个使用寿命内摩擦系数为0.30 [1] 。纵梁在这里形成所谓的预制组合梁（VFT梁），该梁于1998年由SSF在半成品构件和后续补充现浇混凝土的改进体系中研发得到 [2] 。与常规的预制组合梁（VFT梁）相比，分段建造法中的混凝土上缘不再通过现浇混凝土进行补充，而是已经在工厂中完全施工完毕，并且除了作为组合板的功能外，还用于支撑横向张拉的预应力车行道板。混凝土梁通过组合榫构件与钢梁牢固连接 [1,3] 。  

图 1 GreiBelbach 分段桥的截面  

Sebes-Turda Mures 高架桥

由 SSF工程师有限公司开发的组合梁网格（VTR，Verbund-Tr?ger-Rost）建造法针对纵横梁连接问题，通过无现场焊接的严格模块化设计加以解决。 VTR建造法的主要构件（钢纵梁、预制混凝土横梁和车行道板）以及系统化的建造方式可参见图2。  

Sebes-Turda Mures高架桥 [4] 作为第一座采用VTR建造法的桥梁于2014年在波兰和罗马尼亚建成。桥梁全长为720米（12×60米），是这种施工方法一个很好的案例。  

图 2 VTR建造法的结构体系  

在组合梁网格（ VTR，Verbund-Tr?ger-Rost）建造法中，纵梁优先采用气密焊接的钢箱梁，长度可达40米（图3）。 在大跨度情况下，箱体的宽度和高度可以设计为在需要时检测人员可以连续行走。当环境条件适宜且业主同意时，可以使用耐候钢作为纵梁。横梁在工厂预制，并整体放置在纵梁上（图4）。 纵横梁组合可以像往常一样通过剪力钉和现浇混凝土完成。通过这种方式，车行道板自重荷载在施工状态下被组合梁纵横网格承载（图5）。横梁可以采用钢或钢筋混凝土制作。通常，密实的钢筋混凝土横梁更受欢迎，因为得益于建设和维护成本，它们相对于钢梁具有经济优势。 施工使用自密实混凝土C50/60，从而得到高密实的结构，通常设计的环境等级为XC4、XD3和XF2。为避免因混凝土收缩而导致的裂缝，横梁在张拉台座上进行部分预张拉。钢筋混凝土横梁和车行道板的制造通常在固定地点进行批量生产，这种生产方式能够保证几何精度、材料一致性以及高生产速度，并且可以通过机器人进行制造。对于车行道板，质量要求与横梁相同。原则上避免对板进行分割，以确保车行道板的底面没有可见的接缝。  

图 3 Sebes-Turda Mures 高架桥: 安装一根55米长的弯曲钢纵梁  

图 4 A10 Sebes-Turda Mures 高架桥: 安装的横梁  

图 5 组合梁网在放置车行道段之前  

对拼装方法的研究

对于模块化建造，重要的是为各个模块的拼接选择一种静态的而且结构质量可靠的解决方案。以往的经验和试点项目表明，这些所谓的薄弱点可以通过相应方法安全且持久地解决。对于模块化结构，它们的连接和制造也是欧洲当前的主要研究方向，其目标是通过智能预制实现更短的建造时间。  

早在 1960年代，东德的工程师们在建设跨越Hohensaaten-Friedrichstaler waterway的桥梁（图6）时，通过摩擦连接实现了预制板构件和钢梁之间的抗剪连接。车行道板的混凝土预制件通过HV螺栓（热镀锌高强螺栓）与钢梁连接。后期在钢上部横梁和车行道板上钻孔用于固定HV螺栓（图7a）。然而，由于连接程度较低，这种技术被证明是有问题的。此外，HV螺栓的预紧和后紧，因蠕变而需要耗费大量时间。因此，决定不在其他建筑中实施这一技术。相反，通过开发一种标准化的空心锚栓，显著提高了连接效果。在每个预制件的四个凹槽中使用大型钢锚栓，并与钢上部横梁焊接，如图7b所示。钢梁与混凝土预制板之间的结合是通过用低收缩砂浆填充凹槽而形成的。这种连接技术已在Grimma的Mulde桥（图8）、Wittenberge的Elbe桥以及一系列架空跨越结构中使用 [5] 。  

图 6 在跨越Hohensaaten-Friedrichstaler waterway的桥上铺设预制混凝土构件

图 7 模块化组合桥梁的组合连接件：a) HV螺栓，b) 大型空心锚栓，c) U型钢构件和d) 剪力钉  

 图 8 Muldebrücke Grimma  

目前，剪力钉作为组合结构的连接件已在全球范围内得到广泛应用，因此在欧洲模块化组合桥梁的建设中，它们也是使用最广泛的连接件。 以下介绍的连接件改进之处主要在于剪力钉在钢长梁上的排列方式。在 1960年代和1970年代，瑞士在桥梁建造中实施了国外常用的一种施工方法，其基本原理是将剪力钉整组焊接到钢长梁上，在混凝土构件相对应的位置则是矩形的开口。这些开口要么在工厂中已经进行加固，要么在铺设构件后在工地上补充加固。混凝土梁段与钢纵梁之间的结合是通过灌注矩形开口来实现的（图7d）。 这种建造方式在美国 [6] 、英国 [7] 、法国 [8] 、日本 [9] 和韩国 [10] 也得到了应用。在德国，这种建造方式于2018年在哈根的哈默赫街桥的新建替换桥梁中得到了应用。  

在法国， PS13道路跨越A85的桥梁实现了另一种在混凝土梁段与钢梁之间建立连接的方法 [7] 。为了实现可靠连接，在车行道混凝土梁段中设置了直径为80mm的圆形开口。在铺设车行道混凝土后，通过这些开口从上方将单个剪力钉焊接到钢主梁上（图9）。 随后通过用自密实混凝土填充开口来形成组合结构 [8,12] 。  

图 9 在法国的模块化组合梁的车行道板中通过圆形开口焊接剪力钉 [7]  

在瑞典使用的一种连接方法中，连续的剪力钉被整排焊接到钢梁的上翼缘上。在混凝土梁段中，为剪力钉预留了 U形通道（图10）。 梁段中的通道和钢梁的上弦共同形成了填充砂浆的模板。为了将填充砂浆引入组合接缝，每个梁段和通道预留了两个孔洞，孔洞的位置沿着梁段的截面高度。 该方法于2000年在Rok?n桥和2002年在Norrfors铁路桥上得到应用 [13] 。  

图 10预制梁段中的封闭接缝 [13]  

在芬兰，建造 Laisentianjoki桥时试验了一种类似的工艺，但该工艺采用的是向上开放的接缝，而不是封闭的接缝。由于截面整体断开，组合接缝在吊装预制件时成为了一个脆弱的薄弱环节。为了避免在吊装时出现问题，必须在这些位置用钢构件对节段进行加固。与其他方法一样，钢构件与混凝土构件的组合在提升后通过灌注接缝来完成 [14,15] 。  

后续发展方向

拼接技术的改进

单个构件之间的拼接，即将模块化节段连接成一个整体，必须给予特别关注。这些连接接口必须经过仔细设计和验证。基于已完成结构的经验以及研究和科学的发展，除了已经经过测试的改进方案外，还有更多创新的、经过科学验证的解决方案可用于实现此目的。  

防水及铺装的简化

对于本文介绍的模块化建造方法，目前仍然需要常规的防水和车行道铺装。未来应研究是否可以由于预制件厂生产的混凝土结构极为密实，从而省略防水和铺装，就像在使用分段钢组合梁的试点项目（ OU Mihlhausen 的 Briicke GreiRelbach 桥）中实施的那样，并且已经在运营过程中进行了多年的测试。  

设计和施工模块化桥梁的努力已经进行很长时间了。在欧洲，已经有多种不同的模块化建造方式得到应用，并且在不断使用和发展。 缩短的建造时间意味着更低的成本，并且提高了公众的接受度 （由于交通干扰减少）。通过在工厂进行批量化、高质量的预制，模块化结构通常能够实现极好的耐久性，结合轻便的拆装性，能够实现非常可持续的桥梁结构。钢组合结构的模块化建造方式还具备另一个优势，即主要承重构件的运输重量明显低于传统的实体建造方式。  

面对当下我们面临的挑战，包括不断增加的交通流量以及尽可能减少对环境的影响和社会经济成本的要求，模块化建造方式提供了一种简单而有效的解决方案。本文介绍了各种组合桥梁建设中的模块化建造方式，这些方式可以实现绝大多数新建（替代）项目。 在波兰和罗马尼亚实施的 VTR建造法的建筑物不仅证明了其可行性，还展示了这种模块化建造方式的高效性。

参考文献  

[1]  Seidl, G.; Hierl, M.; Breu, M.; Mensinger, M.; Stambuk, M(2016)   Segmentbriicke GreiRelbach als Stahlverbundbriickeohne Abdichtung und Asphalt in:Stahlbau 85,H.2.S.126-136.

[2] Doss,W.et al.(2001) VT-Bauweise- Entwicklung von Verbundfertigteiltr?gern im Briickenbau in: Beton- und Stahlbetonbau 96,H.4,S.171-180.  

[3] Deutsches Institut fiir Bautechnik (Dibt)(2018) Allgemeine Bauartgenehmigung fiir Stahlverbundtr?ger mit Verbunddiibelleisten in Klothoiden-und Puzzleform. Z-26.4-56Berlin.  

[4] Gei β ler,K.:Reintjes,K.-H:Rodemann.J.(2009) Ganzfertigteile bei der Verbundfahrbahnplatte der Bahretalbriicke-Eine Revision nach Ausfuhrung und baubegleitender messtechnischer Uberachung in: Stahlbau 78.H.12S.897-906.  

[5] Fiedler,E.(2001) Die Entwicklung des Stahlbriickenbaues in der DDR bis zum Zeitpunkt der Wende- Ein Riickblick(Teil Ⅱ ) in: Stahlbau 70.H.5.S.317-328.  

[6] Culmo,M,(2009) Prefabricated Composite Bridges in the United States including Total Bridge Prefabrication in Collin,p:Hallmark,R:Nilsson,M. [eds.] Interational Workshop on Prefabricated Composite Bridges. Stockholm, 4. M?rz 2009,pp.141-153.  

[7] Gordon,S.R.; May,I.M.(2009) Precast deck systems for steel-concrete composite bridges in: Collin, P.: Hallmark. R.:Nilsson, M.[eds.] International Workshop on Prefabricated Composite Bridges.Stockholm,4.M?rz 2009,pp.167-197.  

[8] Berthellemy,].(2009)Composite element bridges in FranceExperiences of prefabricated slab decks in: Collin, P..H?llmark, R.; Nilsson, M. [eds.] International Workshop onPrefabricated Composite Bridges.Stockholm, 4. Marz 2009.Pp.45-62.  

[9] Ralls, M. L. et al. (2005) Prefabricated Bridge Elements and Systems in Japan and Europe. No. FHWA-PL-05-003.United States. Federal Highway Administration. Office of International Programs, March 2005.

[10] Shim, C.S.; Chung, C.-H; Kim, I.-K.; Kim Y.J. (2020) Development and Application of Precast Decks for Composite Bridges in: Structural Engineering International 20,no.2 pp.126-133.  

[11] Balder,T.; Schmimanski,A.(2019) Briicke Hammacher Str.iiber die BAB 46 in Hagen in: BFT International, H.2,S.31-32.  

[12] Dauner,H.-G,(2002) Techniken zum Bau der Fahrbahnplatte bei Verbundbriicken in: Stahlbau 71,H.8,S.625-631  

[13] H?llmark;R.; Collin.P.;Stoltz,A.(2009) Innovative Prefabricated Composite Bridges in: Collin,P.; H?llmark, R.;Nilsson,M.[eds.] Interational Workshop on Prefabricated Composite Bridges. Stockholm,4. M?rz 2009, pp.121-140.  

[14] Hariu,T.(2009) Case Laisentianjoki bridge - Cantilever bridges with Prefabricated deck elements in: Collin. P.;H?llmark.R.; Nilsson. M. [eds.] Interational Workshop on Prefabricated Composite Bridges.Stockholm,4. M?rz 2009. pp.105-109.  

[15] H?llmark,R.; White,H.;Collin,P.(2012) Prefabricated Bridge Construction across Europe and America in: Practice Periodical on Structural Design and Construction 17, no. 3 pp.82-92.