论文-1节段桥梁技术在城市立交桥的应用.doc

节段桥梁技术在重庆市新牌坊立交桥中的应用杨寿忠 陈明华 李斌 张天许重庆城建集团重庆桥梁工程总公司摘 要 本文通过对国内外节段桥梁技术的发展情况，对节段桥梁设计、施工、预制生产等方面进行介绍，以重庆市新牌坊立交桥改造工程节段桥梁技术的应用为背景，对节段桥梁技术在国内的推广中主要问题和应用前景进行分析。关键词 节段桥梁 设计 施工 研究 推广1. 节段桥梁技术概述节段桥梁技术是指将桥梁主体结构划分成很多个节段，在工厂（或预制场）预制好，然后安装、连接成整体的一种桥梁设计、施工技术。桥梁节段的划分可以采取纵向分段和横向分段，我们常见的架桥机架设简支T梁、空心板梁等，均可视为对桥梁的纵向分段，一般利用现浇湿接缝进行横向连接。悬索桥的钢箱梁拼装可看作是横向分段的节段拼装方式，钢节段之间采用焊接或栓接方式形成整体。箱板拱桥的多节段吊装则可以看作是纵向、横向分段的结合。无论是拱桥、悬索桥还是简支T梁的节段拼装，在国内都很常见，而一般作为新技术而言，节段桥梁技术主要是指预应力混凝土桥梁采用横向分段、工厂化制作、现场机械化安装的一种设计、施工技术。国外，预应力混凝土节段桥梁技术在连续刚构桥、斜拉桥、连续梁桥、简支梁桥等桥型上均大量应用，特别是以100m以下的连续箱梁为多。设计上，桥梁节段间连接缝构造处理，一般均设置了接合键，以传递剪力。接合键按材料可分为混凝土键、钢键，按数量可分为单键和多键，从形状上可分为梯形键和波形键等，接合键的选择与预应力的布置方法有很大关系。接缝类型包括水泥砂浆接缝、混凝土接缝、环氧树脂粘结层接缝等，出于防锈和加快施工速度的考虑，接缝常采用环氧树脂粘结层接缝。预应力多采用体外预应力体系。预应力混凝土节段桥梁在工厂或预制场生产，一般采用短线密贴镶合匹配浇筑法，即短线法。短线法为逐节段预制，每一节段与上一节段端面密贴浇筑，浇筑完成后，将上一节段拉开。整个预制场地只有待浇节段和上一节段两个节段，节省预制场地、预制速度快，但对模板要求高，模板要求各个部位均可采用液压系统进行微调。每一节段外形尺寸如控制不好，累积误差可能会影响梁体整体外观、线型。相对应，采用长线密贴法一般要准备整根梁的预制场地，占地宽，但模板系统要求不高，外观、线型较容易控制。预应力混凝土节段桥梁的架设方法多种多样，主要有：、平衡悬臂施工法，如常见的连续刚构、斜拉桥、连续梁桥连成整体，再整跨安装，安装好一跨后再架设下一跨，逐跨前进；、前进施工法，与平衡悬臂不同的是，前进施工法是从桥的一端向另一端逐节段悬臂施工，靠已架跨重量来平衡悬拼节段，对于等截面连续梁，为减少悬臂拼装的悬臂长度，可以在待架设的跨中设一个临时支墩，以改善受力状况；、顶推施工法，该方法在桥墩台后方设液压千斤顶，将预制梁逐节段向前顶推到位。顶推法一般在第一块桥梁节段前端设置导梁，以减少梁体施工过程中的弯矩。预应力混凝土节段桥梁技术的主要优点有：节段梁工厂化制作可以节省大量的施工支架、型钢和模板，减少了混凝土的后期收缩，混凝土质量容易得到保证，可利用大型机械，人工耗费少，由于节段预制与下部施工可同时进行，节约工期，现场无支架施工，可以减少城市桥梁施工对交通的影响，不在现场浇筑大量的混凝土，可以减少对环境和居民的影响。特别适合于城市桥梁中高桥或桥下有特殊障碍物的情况。正是由于节段桥梁这些优点，随着经济的发展，国内有很多大城市在城市立交桥上，加快了引入节段桥梁技术的步伐。2.节段桥梁技术在国际、国内的应用和研究情况21国外节段桥梁技术的应用节段桥梁技术自上世纪七十年代问世以来发展迅速，在美洲、欧洲、东南亚的泰国、新加坡、香港、孟加拉等国的城市立交和轻轨建设中应用广泛，在节段桥梁的设计、施工等方面都有了一些成熟的规范、标准，如美国AASHTO节块拼装施工规范，欧洲FIP环氧树脂施工标准等。这里有两个比较典型的例子：211 香港红磡绕道与公主道连接路该项工程在原设计基础上，通过优化设计，特别采用全预制节段方法建造，在挤迫及繁忙的主要道路上施工，将对交通影响减至最低，其预制节段技术为中国桥梁建筑的首次采用，该工程于1999年建成，并获得香港工程师学会结构部暨英国结构工程师学会奖状、第三届詹天佑土木工程奖。图1 香港红磡绕道与公主道连接路212 美国卡罗莱纳州国家公园风景区内的Linn Cove桥。该桥位于美国卡罗莱纳州国家公园风景区内，出于环境保护的特殊要求，桥墩、箱梁均采用了节段拼装技术，采用前进法施工，将对环境的影响减少到最小。该桥采取前进法施工（逐节段悬臂拼装），前进到每跨跨中时设置一个临时墩，以减小悬臂拼装时梁体产生的负弯矩。这两座桥梁可以代表两种迫切需要采用节段桥梁技术的典型例子，在繁华的城市立交改造工程中和重要风景区，由于桥梁下方都受到特殊限制，此时采用节段桥梁技术更有它特殊的价值，所以这两座桥均有较高的声誉。图2 美国卡罗莱纳州国家公园风景区内的Linn Cove桥22国内节段桥梁技术的应用预应力混凝土节段桥梁在国外运用较多，但在国内应用较少，目前国内已建成的有上海新浏河桥、沪闵高架桥、北京四丰立交1号匝道桥。上海嘉浏公路新浏河大桥全长412m，其中主桥段分342m，采用节段预制拼装工艺。每跨箱梁划分为13个节段，分为标准块、端块和转向块三种。箱梁断面为单箱单室结构，每个节段重约38t。考虑本工程箱梁节段数量较少，同时又是第一次施工缺少经验，施工误差的积累可能会影响到箱梁的整体外观，该桥节段预制采用长线密接法施工工艺。该桥采用架桥机逐跨施工，整机总重230吨，最大吊挂重量450吨，主梁全长72米，共有前、中、后三条支腿，前支腿和后支腿固定于箱梁的两端预埋件处，是主要的承重结构，而中支腿在架桥机行走时起临时支撑的作用。该桥于2001年11月竣工，编制了嘉浏二期新浏河大桥节段预制拼装简支梁施工及验收规程（编号S2-17-2002）。沪闵高架二期工程与新浏河大桥相似，于2003年底完工，该工程形成了混凝土节段梁预制拼装及验收指南。北京四丰立交1号匝道桥建成后成为国内第三座采用桥梁预制阶段拼装技术的桥梁。该桥平面曲线半径为400m，跨径36m，是国内首次使用架桥机进行弯、坡、斜预制节块架设的桥梁。此工程使用的LG-900架桥机最大工作跨径50米，可架设最小曲线半径为145米的桥梁，其设备工作能力在国内最高，在国际上处于领先水平。此工程还在国内首次使用短线预制法进行曲线桥梁的节块预制。该桥2004年年初开工，于2005年11月完工。另外江苏省苏通大桥引桥、广东快速轨道交通线等项目也运用了节段桥梁技术，现正在建设中。从国内节段桥梁技术的应用来看，节段桥梁技术的应用还是一个初级阶段，从设计上来说，主要是40m左右的连续梁或简支梁，长线法、短线法预制均有采用，而施工则都采用了架桥机逐跨架设。国内相应的设计、施工规范还比较缺乏，施工工艺、设备以及设计、施工、监控等各方面人才与国外相比都还有一定的差距。23 节段桥梁技术在国内发展的疑问节段桥梁的发展是不均衡的，在日本，自1965年到90年代，基本上每年都有一座节段桥梁，70年代中期达到高峰，而80年代又不太采用节段桥梁，90年代又出现流行的倾向。改革开放以来，国外的先进技术也源源不断地进入到国内，特别是伴随信息技术的飞速发展，国外技术的引入更快，在各行业与国外的技术差距也在迅速缩小。关于节段桥梁，在学术界译文、论文也有很多，但为什么这项技术在国内发展如此之慢呢？究竟什么问题阻碍节段桥梁技术的发展呢？我们又该如何去发展节段桥梁技术呢？3.节段桥梁技术发展的主要问题31 技术上的问题节段桥梁从结构受力方面来说，无论节段间接缝有无粘接，与整体制造的梁相比，它们的剪切强度约小20%。对接缝部分的设计，现有的混凝土标准规范中，很少做出具体的设计方法的规定，在日本公路桥设计规范中，对节段桥梁的设计前提是作为没有接缝的整体结构来考虑，即要求在极限状态下要求不产生拉力，对各种荷载组合、架设状态等做了一些规定，但还有不明确的部分。在定量地评价节段桥梁的受力行为方面、剪力键形状、数量以及预应力因素对抗剪的作用方面、定量地反应节段桥梁高质量和施工合理方面还比较困难。国内相应设计、施工规范还不完备，经验较少。32 工厂化制作的问题工厂化制作主要涉及的是投资预制工厂的回报问题。节段桥预制工厂设备一次性投入大，预制场、养护室、存梁场、龙门桁车、小平车、工厂化的预制模板（包括能够自动脱模的内、侧模和自动找平的底模），这些需要专业的厂家进行设计、制造，要求高、通用性较差，每套模板是针对本次施工节段的长度和横断面，如果在以后的施工中运用，还需对模板进行重新改造，所以如果节段桥梁本身规模不大，且以后当地交通路网和节段桥梁规划也不多的话，将很难收回投资。33 运输上的问题节段桥梁一般也有40t左右，需要大型拖车或船只运到现场。当项目有与桥梁平行的街道方便拖车运输或有水运条件时，运输就比较方便。但国内很多城市的路网还不发达，施工时需要对运输条件进行评价，否则费用会较高。在美国，如果桥位方便运输，其造价可能只有40美元/平方英尺，而在运输不便处，架设几跨的长跨桥，造价可能高达300美元/平方英尺。34 安装上的问题安装问题主要是安装设备，从国内修建的桥来看，都采用了桥架机逐跨架设，这种架桥机类似于一般的简支T梁逐片、逐孔架设，但是，单片T梁50m也只有百多吨，单跨50m的节段梁总重可能近千吨，所以这种架桥机是大型的、专用的设备，国内很少，广东正在施工的两座架桥机造价高达2000万5000万元，在全世界，该类设备也比较少，属于世界先进水平。当然，如果运输条件好，比如在宽阔的江面、湖面上的桥，每一节段都能从正下方起吊，那么安装设备可以采用浮吊配合移动模架，或者利用国内非常流行的悬臂施工挂篮直接在船上起吊，安装则相对比较简单。35 其它因素在社会发展进程中，国外公路发展较为完备，设备先进，劳动力资源缺乏，同时有很多桥梁是在现有的路网上增加的。相对应国内公路系统处于规划、发展期，设备还相对落后，劳动力资源丰富，新建的公路规划能够满足相当一段时期的需求，在现有路网上的复杂的立交桥梁改造相对较少，而且很多桥梁均可以采用常规手段完成，相对而言对节段桥梁技术需求迫切性不强，导致节段桥梁技术在国内发展相对较慢。4.节段桥梁技术的发展前景随着国内经济的发展，现有路网逐渐不能满足交通的要求，对现有路网的立体改造将越来越多，随着对环境保护的意识增强，也可能出现类似于Linn Cove桥的环境要求，因此对节段桥梁技术的需求会越来越强烈。另外，随时机械化、工厂化的推广以及人工成本的上涨，节段桥梁技术的造价相对而言也越来越低，加上节段桥梁技术原有优势，将会有广阔的前景。对于现阶段，国内节段桥梁的发展还处于初期，在适合于建节段桥梁的地方，可以大力发展推广，特别是经济发达区和水陆运输方便的地区，在其它地区，可以针对以后的桥梁规划、发展，选择合适的项目，小规模地使用节段桥梁技术，并对设计、施工进行针对性的优化，可以达到较好的效果。随着节段桥梁技术应用增多，其设计、施工各方面也应进一步发展，比如定量的确定节段桥梁收缩系数减少带来的好处、定量确定剪力键的设计等，将有利于进一步的理解和掌握节段桥梁技术。5.节段桥梁技术在新牌坊立交桥改造工程的应用重庆新牌坊立交桥改造工程是重庆市第一座采用节段桥梁技术的城市立交桥，由重庆城建集团担任代理业主，林同炎国际（重庆）公司设计，现已进入初步设计阶段。新牌坊立交桥原为两座上跨桥跨一条下穿道，上跨部分形成一个平交转盘，保持五个方向的互通，立交四周高楼林立，该立交仅机场红旗河沟方向通过下穿可以不受任何影响，其它几个方向交通均通过转盘通行，随着经济发展，交通拥堵严重，为此政府拟对其进行立交改造，增加上跨桥梁。该立交桥工程改造设计平面图如下：图3 重庆新牌坊立交桥改造工程该工程属城市立交改造工程，经过多次研究，决定采用节段桥梁技术。利用节段桥梁技术可以更好地解决交通、环境、扰民等问题，同时可作为节段桥梁技术在重庆的试点，学习研究节段桥梁技术，以节段桥梁技术在重庆市的发展积累经验，并增加重庆桥梁的多样化。该工程规模不大，相应的经济、技术风险也不大，通过设计、施工的优化选择，可以达到控制造价和控制技术风险的目的。比如，施工中不选用大型架桥机进行安装，而采用逐跨架设法和前进法施工相结合，逐节段悬拼，架桥机仅作为悬臂拼装工具，起吊重量可只承担12个节段重量，使用普通架桥机即可满足要求。这种方法可节省上千万的架桥设备，设计可以借鉴Linn Cove桥，在每跨跨中设计临时支撑墩来改善结构施工受力条件，减少施工时梁体的负弯矩。施工中采用其它可行的措施来替代架桥机设备，或者租赁也是一种节省设备投资的办法。对控制技术风险来说，本桥是一座弯坡桥，在重庆又是第一次建设，如采用长线法预制，更容易满足整体外观要求，安装精度容易保证，能够有效的控制技术风险，同时模板要求不高，一次性投入相对较少。但是短线法节约占地少，机械化程度高，技术含量高，如只会长线法，短线法还要重新学习。如果节梁桥梁在重庆发展前景良好，那么使用短线法预制和直接投资购买大型架桥机可以更好地掌握节段桥梁的技术，并且前期投入也会在后续工程中收回，还可能成为利润的增长点。本项目详细的设计、预制、安装方案还在研究之中，预计在2006年中动工，2007年竣工。由于节段桥梁的设计、预制、安装方法紧密相关，不同的施工方法其设计相差非常大，所以代理业主、设计、施工、监控等参建各方必须共同努力协作，结合本地区的特点，合理设计、施工，才能充分利用节段桥梁的优势，不仅可以在投资上满足要求，更可以发展、推广节段桥梁技术，让重庆桥梁多样化，为桥都重庆注入新的活力。6.结束语本文主要收集了一些节段桥梁方面的资