预制装配化桥梁技术发展及应用

广东公路交通

摇摇

GuangdongHighwayCommunications

摇摇摇摇摇

Vol郾45No郾5Oct郾2019

文章编号:1671-7619(2019)05-0067-07DOI:10.19776/j.gdgljt.2019-05-0067-07

预制装配化桥梁技术发展及应用

杨文武,蔡俊镱,柳欣荣,黄摇军,何益迪

(AECOM艾奕康有限公司,中国香港特别行政区)

摘要:预制装配化技术将桥梁工程由传统的现浇工法走向建造工业化及绿色化,缩短施工工期,降低交通冲击,减少环境干扰,降低工程造价,提升安全质量,成为桥梁建设的发展趋势。预制装配化桥梁技术要求达到标准化设计、工厂化生产、装配化施工、信息化管理,迈向桥梁建设工业化。目前预制装配技术在桥梁工程中的应用,已由上部结构部分预制装配,向全桥构件全预制装配化发展,预制节段连接方式为关键技术,并导入BIM技术信息化管理。介绍了预制装配化桥梁技术在上下部结构、附属结构、路基之发展及BIM信息化应用,并以实际案例作为应用参考。

关键词:预制装配式桥梁;节段连接;工业化;BIM

中图分类号:U445.4摇摇摇文献标志码:B

0摇引言

传统的桥梁工程施工大部分为现场浇筑施

PBES为桥梁构件在工厂或桥址旁建造,相较传统工法减少现场施工时间及交通冲击时间,内在效益包含安全、质量、耐久性、社会成本及环境冲击。PBES采用的原因就是为减少交通冲击,并减少交通改道、现场支架、工期等。

本文以AECOM在澳大利亚及香港的工程应用案例,重点介绍预制装配化桥梁技术的发展状况,为推广本技术之参考。

工,受天候影响大,需要大量现场施工人员、施工机具和现场材料。现浇作业施工包括预应力混凝土梁、钢及混凝土组合梁、混凝土桥面板、桥墩、桥台、承台及基础等,需安装大量支架,施工风险高,安全低,施工期长,对桥址交通冲击大,对周边环境和施工质量影响较大。因此,采用预制装配工法,减少现场浇筑混凝土,以无支架或少支架现场作业,成为桥梁建设发展的趋势。

绿色公路建设的重要标准,要求桥梁建设达到标准化设计、工厂化生产、装配化施工和信息化管理,以推进桥梁工程工业化发展。预制装配化技术采用工厂预制加上现场装配,将减少现场施工期,降低交通冲击,对环境干扰减小,提升工程安全质量和文明施工水平,以及降低社会成本。15万座桥梁须加固或拆除重建。美国联邦公路局FHWA(FederalHighwayAdministration)考虑基于减少施工对桥址交通的冲击,提出桥梁快速施工ABC(AcceleratedBridgeConstruction),预制桥梁构件及系统PBES(PrefabricatedBridgeElementsandSystems)为其运用策略达到执行ABC目标,并制定手册及预制节段连接方式供执行依据[1-2]。

据统计,美国现有约60万座桥梁,大约1/4近

1摇预制装配化桥梁技术发展状况

预制装配技术最早源起于法国,应用于预应

力混凝土大梁,之后推广预制桥梁上下部结构全部构件。用于上部结构为预应力混凝土梁或钢及混凝土组合梁,下部结构为混凝土构造,预制装配法为将传统分段现浇施工缝改为分段预制后连接。预制装配工法采取标准化设计、工厂生产、装配化施工、信息化管理。预制装配适用于桥面板(混凝土、钢、FRP)、大梁(钢梁桥、预力梁桥)、桥墩、桥台、承台、管桩、桩板式路基、箱涵、小型构件(护栏、胸墙、缘石)。预制装配桥梁以标准化、重预制不受天候影响,具有质量高、耐久性好等特点。预制装配工法由部分预制,如上部结构,发展至全桥预制,含上部结构、下部结构、附属结构、路基等。预制装配化桥梁对规模中、小的项目,单位复性、工厂预制、现场装配来减少现场施工时间,

作者简介:杨文武(1964.01-),男,博士,注册工程师,从事交通基础设施研究、规划、设计和管理工作,E-mail:morgan.yang@

aecom.com。

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2019年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇总第164期

造价虽较传统工法高,但考虑到工期短,减少交通环境的冲击,整体造价计入社会成本仍然较传统工法低。标准化及重复性过程,降低施工风险,大1.幅提高施工人员安全1摇上部结构。

上部结构包含桥面板及大梁。预制桥面板材

料有混凝土、钢和FRP,其中混凝土桥面板可先预制部份厚度当底模板,现场绑扎钢筋后再现浇至设计厚度;或预制整个设计厚度,现场接口预留孔绑扎钢筋现浇混凝土;钢及FRP桥面板则直接现场拼装(图1)。预制大梁材料有预应力混凝土及钢,分为整孔预制、分片预制及节段预制三种。整孔预制受限设备之吊装重量,主要用于铁路桥梁或宽度较窄桥梁,采整孔架设法施工;分片预制常用于城市大宽度桥梁,横向切割为预制小梁,现场装配横向连接成设计宽度;节段预制常用于制式高架箱型梁桥,纵向切割节段减少吊装重量。

图1摇预制桥面板安装

主梁(大梁)施工法有平衡悬臂拼装法、逐孔拼装法及整孔架设法等。节段预制拼装预应力箱梁,适用在中等跨径混凝土桥梁,配置体内及体外预应力钢腱,预制节块以逐孔拼装法施工;更大跨径采用平衡悬臂拼装法,缩短工期,节省造价。钢及混凝土组合梁适用在中小跨径桥梁,钢主梁(工字梁)及桥面板均在工厂预制,标准化施工,快速1.施工2摇,下部结构

相较混凝土梁自重轻,降低基础造价。

下部结构包含桥墩、盖梁、承台和桥台,下部

结构预制装配技术重点在拼装接头型式(图2),包含黏结后张预应力筋连接、灌浆套筒连接、灌浆金属波纹管连接、超高性能混凝土UHPC、插槽式连接、承插式连接、钢筋焊接搭接采用湿接缝等,其中以灌浆套筒连接及金属波纹管连接,抗震性·68·

能与传统现浇工法相同,套筒用于墩身连接,波纹管用于承台或盖梁内连接,UHPC适用于墩身、承台或盖梁连接。桥墩为桥梁承重及最重要的抗震构件,基于安全考虑,预制桥墩仍限于低震度区域。已建成通车的港珠澳大桥非通航孔桥梁大量采用预制桥墩,包含整体桥墩含承台,一次吊装需大型吊重设备船舶,及节段预制桥墩及承台,分段现场装配。针对预制桥墩设计、预制、装配之规定,上海市已拟订技术规程供执行参考[3]。

图2摇预制桥墩、盖梁和承台

1.3摇桥梁预制附属结构包含护栏附属结构及路基

、防撞墙等,为小

型预制构件,在工厂大量生产,效率高、质量好,现场装配快速美观。路基预制包含桩板式路基,公路路堤拓宽,边坡打预制桩,顶铺预制混凝土板梁取代传统填土,节省用地征收,施工快速,交通冲击小,节省造价。预制混凝土箱涵或通道,集中在

工厂预制生产,节块运至现场分段装配,代替传统的公路现浇箱涵或通道,质量好,缩短工期,节省1.造价4摇。

预制装配桥梁应善用信息化管理BIM应用,结合BIM

信息化技术,对质量要求、进度掌控及成本降低有较大的帮助,落实全生命周期永续发展目标。BIM以3D可视化成果,便利沟通协调,协助设计施工整合、减少施工冲突及变更设计,避免节段预制及装配过程出现如钢筋冲突、构件不匹配、安装错误等问题。BIM技术可掌控人员、机具、设备之信息,除3D空间模型外,更能管控4D工期及5D数2摇量成本,达到桥梁工业化目标。

2.1摇预制装配化桥梁技术应用

澳大利亚工程案例[4-7]

Ipswich(WacoltoDarra)高速公路升级项目位

2019年第5期杨文武,等:预制装配化桥梁技术发展及应用总第164期

于昆士兰州布里斯班,长约5km,包括数座桥梁/2千4百万澳元(约合人民币39亿元),以减少该地区的交通拥堵,是Ipswich地区重要的基建工程。2008年开始施工,2010年4月竣工。SuperTee梁在该项目的SandyCreekbridge,BullockheadCreekbridge和跨铁路桥中被大量应用。

人行桥的修建和道路拓宽。由澳洲政府出资8亿

12m至38m的桥梁,最大的SuperTee梁跨径43m、宽5m。SuperTee梁是由T型梁演变而来,最开始VicRoads发明的SuperTee是箱型断面,后来新南威尔士州的RMS(交通管理部门)改进为开口式带翼缘的U型梁(T-roff),降低了生产成本与生产难度,进一步简化了浇筑与施工。SuperTee梁120mm~200mm)组成(图3)。

的桥面由预制SuperTee梁和现浇桥面板(一般

等优点。梁高1.0m至1.8m之间,多用于跨径

具有便于标准化生产、施工迅速、作业安全程度高

SuperTee梁是采用先张法施工的预应力梁,

图3摇SuperTee标准断面

摇摇SuperTee的特点:

比,浇筑过程和养护环境更为可控,且保证施工安全。T-roff(开口式SuperTee梁)的发明简化了浇筑过程,更提高了质量。

(2)快速施工,减少对环境的影响。与澳大利

(1)工厂化预制,质量有保证。与现浇结构相

摇摇(3)适用于大跨度桥梁。NAASRAI型梁只可用于跨径不大于30m的桥梁,而SuperTee梁的跨径可达到40m以上。如今,SuperTee梁已在澳大利亚市场占据主导地位。

(4)可调式模板,适用于变宽桥梁。可调式模

板可以成功地解决弯桥和桥梁变宽的需要,在新西兰SH2DowsetoPetoneUpgrade项目中,设计方和施工方采用可调式模板适应变宽翼缘板的需要(图5)。

亚NAASRAI型梁相比,SuperTee梁现浇桥面的施工更为安全,较宽的翼缘板避免搭建模板及脚手架。与T型梁相比,相同桥宽的SuperTee梁只需要一半T型梁的数量(图4)。SuperTee的应用加快了施工速度,减少对周边环境和居民生活的干扰。

图5摇变宽翼缘板的SuperTee梁

图4摇相同桥宽T型梁(上)和SuperTee梁(下)数量比较

(5)连续桥面板,行车更舒适。SuperTee梁一

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2019年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇般应用于简支梁桥,桥面板可以现浇成连续桥面,保持桥面连续,提供较好的服务水平。土结构,养护成本低。

(6)养护成本低。SuperTee梁为预应力混凝(7)对场地、运输和吊装要求较高。SuperTee

摇摇摇摇总第164期

两个150m的单向通航跨度,在新石湾和沙螺湾之间的岬角以东,均超过100m(最长180m)的大跨度结构(图6)。

梁桥现场施工速度快,但是预制件体量较大,对运输要求较高,并需要较大的现场吊装设备。利用施工道路运送和吊装预制梁是一个不利的因素。

SuperTee梁式桥梁采用工厂预制梁及现场浇

筑桥面,在澳大利亚已广泛使用,具有结构轻盈,梁体品质优良,现场施工速度快等优点,连续桥面具有连续梁桥一样的桥面平顺的服务水平。2.2摇香港工程案例[8]

港珠澳大桥是世界上最长的跨境交通基础设施之一,连接东部的香港与西部的澳门和珠海。主桥与香港机场岛的观景山连接线工程,包括设计及建造约9.4km双向六车道高架桥,工程费129亿港元,AECOM负责高架桥施工方案、临时工程设计及方案的独立设计检查。机场航道区域使用大跨度桥梁,满足46m的双向航道要求。施工场地有诸多限制,包括:对中华白海豚的生态影响,混凝土供应的物流,建筑噪音以及根据香港机场对机场高度限制的要求“障碍物条例冶。本项目高架桥共115跨,在西部水域是标准的75m跨度和

图6摇港珠澳大桥香港连接线

本文简要介绍有关桩帽、桥墩、主梁所采用的2.2.1摇桩帽

预制装配化施工方案。

钢筋混凝土桩帽采用预制混凝土外壳为模

板,与桩帽一体作为额外的保护,以抵抗腐蚀性的海洋环境。共采用7种通用的混凝土外壳,壳体设计满足强度和耐久性要求,壳体在120年的设计寿命期间可以有效地保护桩帽抵抗腐蚀性海洋环境(图7)。

图7摇预制桩帽模板

2.2.2摇桥墩

索连接预制单元,以形成整体。预应力钢索的一端部分锚固在承台,其余锚固在桥墩墩底现浇段。预应力钢索另一端锚固在墩帽,而不是预制墩身单元,可以快速地完成桥墩单元的安装和形成整体性。采用预应力钢索连接预制桥墩单元这种方

采用预制预应力混凝土空心桥墩,外形尺寸

为5.0m伊3.2m,内部尺寸3.0m伊1.5m。预制桥墩单元为6m,桥墩现浇段和第一节预制单元之间设置400mm的现浇缝。桥墩内采用U型预应力钢·70·

2019年第5期杨文武,等:预制装配化桥梁技术发展及应用

图8所示。

总第164期

法,可以最大限度减少海洋环境中的现场混凝土施工,并优化安装周期时间。标准预制桥墩段如

图8摇标准预制桥墩段

2.2.3摇主梁

宽为16.82m。桥墩上的预制节段梁(SOP)由3个3m长的预制节段单元组成,这些单元由预制壳、填充混凝土与横梁同时浇筑完成。

陆地和海上高架桥的施工采用平衡悬臂拼装法,可以减少对现有陆地、海洋交通、海洋环境的影响。陆地高架桥主跨35m至65m为预制节段,由架桥机架设。其中觀景路和赤鱲角南路是公共交通和物流服务的主要道路,需要特别规划临时交通。当在既有道路上方架设高架桥时,道路的相应路段在夜间关闭,预制节块由架桥机吊起并由临时预应力杆暂时悬挂,待新建立的部分就位,地面的道路可以重新开放以恢复交通服务。海上高架桥在机场航道段施工时,由于需要维持海上交通,预制装配化施工方法可以减少对海上交通的影响,只有装配预制段的部分才需要关闭,其它区域的交通可不受影响(图9~图10)。

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主梁采用预制装配式混凝土箱梁,其中主跨

180m为目前世界最长的预制装配化节段桥。海上高架桥的标准跨度长度为75m,梁深4m,采用8跨连续桥面(600m长)桥梁标准单元设计,并优化支座配置,减少未来的维护。主梁采取内部和外部预应力筋的混合预应力方案,以优化梁自重,减少安装周期时间。所有外部预应力筋都为可更换的,同时设计备用管道,以方便未来预应力筋的置换操作。

西部水域的导航通道桥,主跨150m,配置109m+3伊150m+109m。在岬角及机场航道桥,主跨180m,配置109m+2伊165m+109m和115m+2伊180m+115m。主跨180m主梁,梁深为4m至10m,跨度梁深比在中跨为1/45,在墩顶预制节段梁(SOP)为1/18。主梁采用双向分离箱梁,标准的桥

2019年第5期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇广东公路交通摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇总第164期

图9摇陆地高架桥架桥机施工

图10摇海上高架桥架桥机施工

2.2.4摇预制装配化桥梁施工在质量预制装配化桥梁施工的优势

、工期、造价具有

优势,表1简要总结了预制装配施工和传统现场施工的比较。

表1摇预制装配施工和传统现场施工的比较因素预制装配施工传统现场施工在良好的环境中由质量训练有素的人员操天气不可控,施工变数较作的高效设备大

施工更快(最多可节省

更费时,可能因为天气延速度70%)

误工期

费用成本超支可能性小

不可控因素较多如天气等,可能增加施工成本

多样性少

多

空间储存预制件所需空

需要更大的空间,施工需间小

要安装脚手架

垃圾

施工现场产生建筑施工现场产生建筑垃圾垃圾较少较多,清理成本提高

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3摇结语

预制装配化桥梁技术为快速绿色建桥新技

术,具备缩短工期、提高质量、降低造价、延长耐久、提升安全及节能环保,特别适用在城市桥梁、交通及环境冲击大之工区施工。目前由仅有上部结构的部份预制,朝向全桥构件预制装配发展及应用目标,其中预制桥墩的连接方式及抗震性能为达到全预制的重要关键技术,应制定相关设计施工规范及标准。预制装配桥梁要求达到标准化

设计、工厂化生产、装配化施工、信息化管理,桥梁工业化,应结合BIM技术,搭配完善的项目管理及风险管理,并以实际项目执行经验及科研反馈,落实预制装配化技术之应用。再配合政府政策上鼓励推动,达到桥梁走向工业化及绿色化目标。

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(收稿日期:2019-07-02)

2019年第5期杨文武,等:预制装配化桥梁技术发展及应用

DevelopmentandApplicationofTechnologiesonPrefabricatedBridges

YANGWenwu,JiunnyinTsay,JimmyLau,HUANGJun,HEYidi

(AECOMAsiaCo.,Ltd.,HongKongSAR,China)

总第164期

Abstract:Thetechnologiesofprefabricatedbridgeswithlarge-scalefactoryproductionandsiteassemblinghavechangedconventionalcast-in-situbridgeengineeringtoindustrializationandenvironmentalfriendlyconstruction.Thedevelopmenttrendforbuildingbridgesistoshortenconstructiontime,minimizetrafficandenvironmentalimpacts,reduceconstructioncostandimprovesafetyandquality.Therequirementistomeetstandardizeddesign,factoryproduction,sitefabrication,informationmanagementandbuildingindustrialization.Currenttechnologieshavebeendevelopedfrompartialprefabricationofbridgesuperstructuretofullyprefabricationofentireelementsofbridges.Theconnectionofprecastsegmentsisakeytechnology.Inthispaper,technologiesofprefabricatedbridgesonsuperstructure,substructure,ancillaryworks,earthworkhavebeenmainlyintroduced,aswellasBIMapplication,withpracticalprojectcasesbeingprovidedasareferenceforapplication.

Keywords:prefabricatedbridge;segmentconnection;industrialization;BIM

适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适适(上接第66页)

StudyonQualityInspectionMethodforPilewithExpandedBranchesandPlates

(1.GuangdongRoadandBridgeConstructionDevelopmentCo.,Ltd.,Guangdong510623;2.CCCCHighwayBridgesNationalEngineeringResearchCentreCo.,Ltd.,Beijing100088)

LIJian1,FUBaiyong2,SHIHaiyang2

Abstract:Beingcomparedwiththeconventionalpilefoundation,thepilewithexpandedbranchesandplatesofbridgecanshortenthepilelengthandreducethesettlementafterconstructionunderthesamegeologicalconditionsofdeepsoftsoil,whichrepresentsignificantbearingcapacityadvantages.However,theconcreteintegritytestingtechnologyofbranch-platestructureisnotyetmature,whichhasbecomeaconstraintconditionforthewidespreadofthistechnology.RelyingontheprojectofChaoshanLoopLineExpressway,inthispaper,typicalpilewithbranchesandplatesfoundationhasbeenchosen,comparativeresearchonpilediameterdetection,boreholecoring,thermalanomalydetectionandcrossholesonicloggingcomprehensivedetectiontechnologyforbranch-plateconcretehavebeencarriedout.Theresultshaveshownthatthetheoryofpileintegritytestingtechnologyisfeasible,buteachhasitsownadvantages,disadvantagesandlimitations.Itissuggestedthatavarietyofmethodsshouldbeselectedtotestthesamepilefoundationtoensurethequalityandsafetyoftheproject.

Keywords:pilewithexpandedbranchesandplates;integritydetection;thermalanomaly;core-pulling;acoustictransmissionmethod

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