工業(yè)化裝配式橋梁技術(shù)，是將橋梁的主要構(gòu)件先在工廠中預(yù)制、后運至現(xiàn)場拼裝完成橋梁建設(shè)的一種創(chuàng)新技術(shù)，是加快施工速度、減少現(xiàn)場污染、實現(xiàn)低碳化建設(shè)的有效手段。目前橋梁上部結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝，經(jīng)過若干年的實踐與探索已較成熟，而對于橋梁下部結(jié)構(gòu)的裝配式技術(shù)，雖然起步較晚，但通過近些年的探索也積累了一定的經(jīng)驗。近年來，隨著交通運輸壓力增大，降低市政施工對日常生活影響的需求越來越強，裝配式橋梁技術(shù)也將會有更廣闊的應(yīng)用空間。

裝配式連接技術(shù)

上部結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝技術(shù)出現(xiàn)較早。自1951年德國工程師Finsterwalder 在Lahn 河上建造了第一座懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，便形成了現(xiàn)代意義上的懸臂澆筑施工法。1978年美國佛羅里達州建成的Long Keys（長礁橋101×36m）是首座采用預(yù)制節(jié)段拼裝施工的體外預(yù)應(yīng)力橋梁，該工程創(chuàng)造了每周架橋108m的施工速度。我國對預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的研究始于20世紀60年代。圖1為2005年建成的圓弧底節(jié)段預(yù)制大箱梁。

圖1 上海滬閔高架二期工程

目前,我國上部結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝技術(shù)發(fā)展已比較成熟，下部結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝技術(shù)，以及開展的一些關(guān)鍵技術(shù)研究有待進一步探討。

相對上部結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝技術(shù)而言，下部結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝發(fā)展較晚，其難點在于接縫的抗震性能。第一座采用預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)建造的典型橋梁，是美國1978年開始建造的Linn Cove高架橋，該橋下部橋墩預(yù)制節(jié)段采用有粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋連接，環(huán)氧接縫構(gòu)造，增強耐久性，通過采用預(yù)制拼裝技術(shù)順利解決了環(huán)境制約與工程進度等問題，成為預(yù)制拼裝技術(shù)應(yīng)用的一個典型工程范例。

隨后，在美國、加拿大一些地震危險性低的地區(qū)，預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)應(yīng)用逐漸增多，例如位于美國科羅拉多州的Vail Pass橋梁的下部橋墩，就采用了有粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋連接。隨著人們對預(yù)制拼裝立柱抗震性能的進一步研究，立柱的預(yù)制拼裝技術(shù)開始在一些地震危險區(qū)應(yīng)用。2011年建成的美國I-5 Grand Mount to Maytown I/C 2-span Precast Girder Bridge是第一座考慮抗震性能的、采用預(yù)制拼裝技術(shù)建造下部橋墩的橋梁工程，如圖2所示。在國內(nèi)，2010年上海在S6公路新建工程試驗段中率先采用灌漿套筒連接技術(shù)實現(xiàn)了裝配式立柱的建造，并在之后2016年9月通車的嘉閔高架工程中進行了全面推廣。該工程是國內(nèi)首次大規(guī)模采用裝配式橋墩技術(shù)，通過該技術(shù)大大緩解了施工期的交通壓力（如圖3所示），同時實現(xiàn)了高品質(zhì)、短周期的橋梁建設(shè)。

圖2 美國I-5 Grand Mound to Maytown Stage 2橋

圖3 嘉閔高架裝配式立柱施工

對于裝配式蓋梁，較早的是參考節(jié)段預(yù)制拼裝主梁的技術(shù)，嘉閔高架新建工程也采用了兩種形式的裝配式蓋梁技術(shù)，一種為上下分層蓋梁，一種為節(jié)段拼裝，如圖4所示。

圖4 嘉閔高架裝配式蓋梁施工

裝配式立柱

裝配式立柱的關(guān)鍵是橋墩與承臺以及蓋梁的連接方式。目前國內(nèi)外采用的裝配式立柱連接方式大致有以下幾種：

1.有粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋連接

有粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力筋連接構(gòu)造往往配合砂漿墊層或環(huán)氧膠接縫構(gòu)造實現(xiàn)節(jié)段預(yù)制橋墩的建造，方案中的預(yù)應(yīng)力筋可采用鋼絞線或精軋螺紋鋼等高強鋼筋。該構(gòu)造特點是預(yù)應(yīng)力筋通過接縫，實際工程應(yīng)用較多，設(shè)計理論和計算分析以及施工技術(shù)經(jīng)驗成熟；不足的是墩身造價相對傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩要高許多，同時現(xiàn)場施工需對預(yù)應(yīng)力筋進行張拉、灌漿等操作，施工工藝復(fù)雜，施工時間較長。

2.灌漿套筒連接

預(yù)制墩身節(jié)段通過灌漿聯(lián)接套筒連接伸出的鋼筋，在墩身與蓋梁或承臺之間的接觸面往往采用砂漿墊層，墩身節(jié)段之間采用環(huán)氧膠接縫構(gòu)造，如圖5所示。構(gòu)造特點是施工精度要求較高，現(xiàn)場施工時間短，同時也不需要張拉預(yù)應(yīng)力筋，現(xiàn)場工作量顯著減小，其正常使用條件下的力學(xué)性能與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩類似，因此具有一定的經(jīng)濟優(yōu)越性。國外應(yīng)用經(jīng)驗，低地震危險區(qū)已開始廣泛應(yīng)用，高地震危險區(qū)域的應(yīng)用和科學(xué)研究還在進行中。

圖5 預(yù)制拼裝橋墩和灌漿套筒連接構(gòu)造圖

3.灌漿金屬波紋管連接

該連接構(gòu)造常用于墩身與承臺或墩身與蓋梁的連接，預(yù)制墩身通過預(yù)埋于蓋梁或承臺內(nèi)的灌漿金屬波紋管連接墩身內(nèi)伸出的鋼筋，在墩身與蓋梁或承臺之間的接觸面往往采用砂漿墊層，墩身節(jié)段之間采用環(huán)氧膠接縫構(gòu)造，見圖6。該構(gòu)造現(xiàn)場施工時間短，但需要滿足縱筋足夠的錨固長度，其力學(xué)性能與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩類似。目前國外已有少數(shù)橋梁使用這種連接構(gòu)造進行施工，高地震危險區(qū)域內(nèi)應(yīng)用較少，其抗震性能如何目前仍在研究中。

圖6 灌漿金屬波紋管連接

4.插槽式連接

插槽式連接構(gòu)造已在一些橋梁工程中應(yīng)用，主要用于墩身與蓋梁、樁與承臺處的連接，與灌漿套筒、金屬波紋管等相比，優(yōu)點是所需施工公差可以大一些，現(xiàn)場需要澆筑一定的混凝土。

5.鋼筋焊接或搭接并采用濕接縫

預(yù)制拼裝橋墩預(yù)先伸出一定數(shù)量的鋼筋，以便與相鄰構(gòu)件預(yù)留鋼筋搭接，需設(shè)臨時支撐，鋼筋連接部位需通過后澆混凝土（濕接縫）方式連接，這也是目前國內(nèi)較多采用的節(jié)段拼裝橋墩的設(shè)計思路。采用該構(gòu)造建造橋墩，力學(xué)性能往往與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩類似，但濕接縫的存在會增加施工時間和現(xiàn)場鋼筋搭接、澆筑的作業(yè)量，從快速施工角度考慮，該方案存在一定不足。

6.承插式連接

承插式接縫連接構(gòu)造是將預(yù)制墩身插入基礎(chǔ)對應(yīng)的預(yù)留孔內(nèi)，插入長度一般為墩身截面尺寸的1.2～1.5倍，底部鋪設(shè)一定厚度的砂漿，周圍用半干硬性混凝土填充。優(yōu)點是施工工序簡單，現(xiàn)場作業(yè)量少，不足的是接縫處的力學(xué)行為、特別是抗震性能如何，尚需進一步研究，國內(nèi)北京積水潭橋采用該連接構(gòu)造建造，美國一些橋梁也采用該連接構(gòu)造。

此外，近年來國內(nèi)外一些研究人員還提出其他一些類型的預(yù)制墩身節(jié)段聯(lián)接構(gòu)造，如增設(shè)耗能鋼筋連接構(gòu)造、混合式連接構(gòu)造等，但由于種種限制條件，目前仍處于學(xué)術(shù)研究階段。

裝配式蓋梁

蓋梁的主要作用是將主梁承擔的荷載傳遞至橋墩，目前常見的施工方法以現(xiàn)澆為主。國內(nèi)外對蓋梁的裝配式進行了初步探索，已完成部分嘗試。按其分段方法分類，裝配式蓋梁可分為全預(yù)制蓋梁和半預(yù)制蓋梁。

全預(yù)制蓋梁是現(xiàn)階段快速施工采用的主要方式，其特征為將蓋梁橫向（或縱向）分段（或分片）預(yù)制，現(xiàn)場拼裝只對接縫進行處理，無需立模澆筑。根據(jù)節(jié)段分割方式，可繼續(xù)劃分為整體全預(yù)制、橫向切分、縱向切分和縱橫綜合切分三類。半預(yù)制蓋梁是目前新提出的快速施工方法，其特征為蓋梁部分預(yù)制、部分現(xiàn)澆。按不同的預(yù)制結(jié)構(gòu)可細致劃分為后澆帶式和外殼預(yù)制。

在橋梁工程上，我國現(xiàn)階段主梁快速施工方式可統(tǒng)稱為“梁體橫向切分全預(yù)制”，蓋梁同樣沿用了這種方式，值得探究的是橫向切分方式的連接面處理。按連接面不同處，可將蓋梁橫向切分全預(yù)制方法繼續(xù)分解為：小鍵齒結(jié)合拼裝、大鍵齒結(jié)合拼裝、鋼鍵結(jié)合拼裝、牛腿結(jié)合拼裝等。

裝配式立柱的抗震性能

裝配式的抗震性能是阻礙全預(yù)制拼裝技術(shù)，在高地震危險區(qū)域橋梁中應(yīng)用的一個技術(shù)難題，為了實現(xiàn)全預(yù)制拼裝技術(shù)的全面推廣應(yīng)用，必須對預(yù)制拼裝立柱的抗震性能做深入研究。在以典型實際工程橋墩構(gòu)造為原型，選取套筒（Coupler）、波紋管（Duct）和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋三種預(yù)制拼裝連接方式，進行矩形實心節(jié)段預(yù)制立柱的低周反復(fù)水平加載縮尺試驗研究，通過對不同構(gòu)造細節(jié)下節(jié)段預(yù)制立柱試件的擬靜力試驗和有限元數(shù)值分析，我們研究了不同構(gòu)造方式下節(jié)段預(yù)制立柱的滯回特性、延性變形、接縫處的非線性力學(xué)行為、損傷和破壞機理等。試驗情況如圖7。其中一組試件的破壞形態(tài)如圖8。

圖7 試件實際加載圖及加載變形后的圖

圖8 試件的破壞形態(tài)

試驗結(jié)果表明，采用套筒（Coupler）、波紋管（Duct）預(yù)制拼裝連接構(gòu)造的橋墩與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩相比，具有相近的抗震性能，可滿足預(yù)期抗震性能的要求，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋連接預(yù)制拼裝橋墩具有現(xiàn)澆混凝土橋墩相近的變形能力，但耗能能力較弱。此外，通過計算分析、連接裝置試驗、整批試件的制作和運輸過程的研究表明，套筒（Coupler）和波紋管（Duct）兩種預(yù)制拼裝連接方式，從立柱總體受力、構(gòu)造連接、抗震性能和整個施工工藝細節(jié)，可以滿足當前設(shè)計和施工的要求，可用于工程實踐。

裝配式蓋梁的抗剪性能和抗彎性能

目前，裝配式蓋梁采用整體預(yù)制橫向分段的方式較多，本文依托于工程實踐，選取25m的大懸臂蓋梁為研究對象，對其抗剪性能和抗彎性能進行試驗研究。

抗剪性能試驗考慮拼接縫間鍵齒個數(shù)、位置、大小等3個試驗參數(shù)，共設(shè)計了5個試件。通過模型試驗，研究了在荷載作用下，剪切裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展、接縫破壞形態(tài)及抗剪承載力，考察了試驗參數(shù)對抗剪承載力的影響。

圖9 裝配式蓋梁抗剪性能試驗

試驗結(jié)果表明：（1）環(huán)氧樹脂膠明顯提高了試件的抗剪承載力，改變了試件的剪切破壞模式。對于平接縫試件來說，破壞模式由克服接縫面間的摩擦力，轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)氧樹脂膠周圍混凝土破壞；對于單鍵齒試件來說，齒根直剪破壞表現(xiàn)得更加明顯。（2）鍵齒接縫試件的抗剪承載力大于平接縫試件的承載力；三鍵齒試件的抗剪承載力并非單鍵齒試件抗剪承載力的代數(shù)和。（3）在偏心循環(huán)荷載下，大剪力鍵受力性能較好；在相同面積的拼接面偏載下，設(shè)置大剪力鍵比設(shè)置多個小剪力鍵的極限承載力高5%左右。在偏心加載下，多個小剪力鍵的剛度仍然大于大剪力鍵。

對于裝配式蓋梁的抗彎性能，設(shè)計了3個試件。試驗參數(shù)包括剪力鍵類型、受力類型。受力類型指均勻加載和偏心加載。針對大懸臂蓋梁的受力特性，提出了大懸臂預(yù)制蓋梁的循環(huán)荷載加載方案，進行了正常使用階段和模擬地震荷載階段的加載。

圖10 蓋梁抗彎試驗?zāi)Ｐ徒M裝圖和加載示意圖

試驗結(jié)果表明：（1）大剪力鍵正載試件的峰值水平荷載較小，僅為小剪力鍵試件的71%，極限位移只有小剪力鍵試件的58%左右。主要原因是混凝土剪力鍵的外凸部分厚度不夠，在接縫未張開的情況下，外凸頂面與內(nèi)凹的底面部分沒有接觸。因此在實際應(yīng)用中，一定需要采用匹配澆筑，使外凸頂面與內(nèi)凹底面充分完好接觸。（2）有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)造分段蓋梁具有較強的自復(fù)位能力。（3）在不受預(yù)應(yīng)力管道影響的區(qū)域，布置小剪力鍵方案是大懸臂預(yù)制拼裝蓋梁的較佳方案。

標準體系

裝配式橋梁技術(shù)在實際工程中的推廣應(yīng)用需要有完備的規(guī)范、標準體系的強力支撐，包括材料、設(shè)計、施工、驗收、養(yǎng)護、造價、工業(yè)化評價（適用橋梁工業(yè)化預(yù)制裝配率程度評價）等各方面的內(nèi)容。

國內(nèi)標準體系現(xiàn)狀及構(gòu)建

我國目前現(xiàn)行的橋梁設(shè)計標準有行業(yè)標準《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》CJJ 11-2011和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG 3362-2018等，這兩部行業(yè)標準對橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計給出了詳細的規(guī)定，但涉及裝配式橋梁技術(shù)的規(guī)定較少，也未給出詳細的計算方法，很大程度上制約了裝配式橋梁結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。由上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團）有限公司于2015年編制的國內(nèi)第一部專門針對裝配式橋梁結(jié)構(gòu)的標準——上海市工程建設(shè)規(guī)范《預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)規(guī)程》DG/TJ 08-2160-2015，為上海市乃至全國裝配式橋梁技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。交通部等行業(yè)標準也正在編制中。

標準中的特殊關(guān)鍵技術(shù)

標準的制定是用于指導(dǎo)工程實踐，以利于工程技術(shù)的推廣應(yīng)用。裝配式橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計總體上需要滿足現(xiàn)行行業(yè)標準《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》CJJ 11和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG 3362的規(guī)定。但在裝配式橋梁結(jié)構(gòu)特有的技術(shù)方面，需要相應(yīng)的標準規(guī)范給出規(guī)定，裝配式橋梁結(jié)構(gòu)標準體系就需解決此類問題，尤其與傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)不相一致的地方需要特別給出規(guī)定。包括：

1.灌漿套筒連接的錨固長度

灌漿套筒連接在建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用比較成熟，在建筑工業(yè)行業(yè)標準《鋼筋連接用灌漿套筒》JG/T 398-2012中規(guī)定，灌漿連接端長度不宜小于8倍鋼筋直徑。建筑中采用的鋼筋直徑較小，同時也較少承受動力荷載，因此可以將錨固長度控制在8倍鋼筋直徑左右；而對于橋梁工程，橋墩立柱中采用的鋼筋直徑普遍較大，且需要承受動力荷載，為保證安全取用10倍錨固長度是合理的。

2.預(yù)制構(gòu)件的吊點設(shè)計

橋梁工程與建筑工程另一明顯區(qū)別是預(yù)制構(gòu)件的重量。建筑工程中預(yù)制構(gòu)件普遍重量較小，吊裝方便，因此在現(xiàn)行國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010（2015版）中規(guī)定，吊環(huán)應(yīng)采用HPB300 鋼筋或Q235B 圓鋼。在橋梁工程中，之前采用的預(yù)制節(jié)段梁吊裝較多，因此現(xiàn)行行業(yè)標準《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG 3362-2018中，也規(guī)定吊環(huán)應(yīng)采用HPB300鋼筋制作；然而對于預(yù)制橋梁下部結(jié)構(gòu)，預(yù)制構(gòu)件重量較大，同時在施工和運輸過程中會涉及構(gòu)件的翻轉(zhuǎn)，因此限定吊環(huán)采用HPB300鋼筋制作并不合適。吊環(huán)可以采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線進行制作。

3.灌漿連接件的檢測

灌漿連接技術(shù)難以檢測也是阻礙裝配式橋梁結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用的問題，預(yù)埋鋼絲拉拔法、芯片法、反射式超聲法等多種檢測技術(shù)已研發(fā)成功，將在新修訂的上海市地方標準中發(fā)布。

工業(yè)化裝配式橋梁技術(shù)，不僅能很好地控制工程質(zhì)量，而且能加快施工速度、減少環(huán)境污染，同時也符合低碳化、和諧社會的發(fā)展要求，將是一套高效、低碳、環(huán)保的橋梁建造技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。裝配式橋梁技術(shù)的出現(xiàn)，也是一次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的契機。政府應(yīng)在政策上進行鼓勵，設(shè)計師需要在理念上創(chuàng)新，承包商需要在管理上進行轉(zhuǎn)型。同時堅持產(chǎn)、學(xué)、研、用的整體技術(shù)開發(fā)路線，才能真正提升裝配式橋梁的質(zhì)量和性能，進而推廣應(yīng)用。

本文刊載 /《橋梁》雜志 2020年 第3期 總第95期

作者 / 周良 閆興非 李雪峰

作者單位 / 上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(集團)有限公司