全预制装配式桥梁

一、研究的背景和意义随着我国现代化城市建设的加速推进，城市建设中产生的环境问题日益受到人们的关注，城市居民对降低市政施工对日常生活影响的要求与日俱增。而全预制装配式桥梁技术为城市桥梁建设过程中带来的上述问题提供了合理的解决方案。全预制装配式桥梁的优点主要有：1）环境污染少。桥梁主要构件均在预制厂生产，现场施工量小，大大减少了由于现场施工产生的建筑垃圾、粉尘、噪音等污染问题。2）对交通影响小。现场施工量小，施工支架少，对交通影响小。3）施工工期短。各构件可在工厂同步预制生产，极大缩短施工工期。4）施工质量易保证。预制构件标准化程度高，混凝土养护条件好，构件质量能够保证。5）安全性高。高空作业少，施工支架少，减少施工安全隐患。6）受气候影响小。各构件在工厂生产、养护，仅拼装在现场进行，气候因素对施工影响小。7）劳动力投入低。标准化程度高，现场施工量小，有效降低劳力成本。桥梁构件预制化是现代化城市建设的趋势，也是城市建设低碳化的必经之路。随着公众对环境问题的重视，城市居民对降低市政施工对日常生活影响的需求与日俱增，解决当前城市建设中高能耗、高污染等问题迫在眉睫。在目前的经济增长模式下，我国自然资源支持体系已经无法持续发挥有效作用。我国能源的消耗率是日本的11.5倍，法国的7.4倍，美国的4.3倍。人均资源量少，各类主要自然资源的人均占有量水平都低于世界平均水平。城市发展策略应当走科技含量高、资源消耗低、环境污染少以及充分发挥人力资源优势的新型工业化道路。桥梁预制拼装技术的特点正好适合我国城市发展的需要，其绿色、低碳、安全、快速的特点，为当前城市桥梁建设中存在的问题提供了合理的解决方案。近年来，宁波的城市建设也发生了日新月异的变化。随着杭州湾跨海大桥、舟山连岛工程的通车，火车南站枢纽的运营，城市轨道一号线一期的开通，轨道一号线二期、二号线的相继开工，沪杭甬铁路客运专线的启动，加上市域“一环六射”高速公路主骨架的基本建成，海、空港综合枢纽的逐步形成，宁波已进入大规模交通发展阶段。宁波市机场快速路已全线通车，南、北外环快速路也即将开通，即将实施的有北环东路快速化改造工程、东苑立交快速化改造工程、东外环路快速化改造工程，远期规划的有世纪大道快速路工程、通途路快速路工程等，大量的城市内立交和高架桥工程将相继实施。为了最大限度的减少立交、高架桥梁建设中产生的污染，尽可能的避免桥梁施工对城市交通、市民生活造成的干扰，预制装配式桥梁不失为一个很好的选择。东外环路快速化改造工程将成为宁波市首个采用全预制装配式技术的城市高架桥梁，将在主线和匝道分别取一联并采用全预制装配式技术施工，其战略意义重大，为往后工程的实施奠定基础。在城市桥梁施工期间，为了减少污染，确保居民正常出行，并方便施工，针对性的节点拼装方案尤其重要。合理的拼装方式，不但可以方便施工，节约工程造价，还可以最大限度的缩短施工工期，真正实现快速化施工。所以，趁东外环改造的机会，针对施工场地狭小，交通条件复杂，全预制装配式桥梁技术的研究将具有重要的指导意义。二、研究现状和发展趋势桥梁结构的主要构件有桩基、承台、立柱、盖梁、主梁和防撞护栏。承台由于体积小、重量大，若采用预制方式，运输较为困难，且承台一般位于绿化带中，现浇施工对交通不会造成影响，故推荐采用现浇方式。在我国，桥梁上部主梁的预制拼装技术已经比较成熟，比如先简支后连续小箱梁，已大量应用于城市高架桥梁的建设中，而对于下部结构特别是立柱及盖梁的预制拼装技术的研究和应用仍然较少。1、桩基预制桩基础主要有预应力管桩和静钻根植桩两种类型。预应力管桩即通过施加预应力使桩自身强度增强，并通过锤击或静压方式打入土中，其单桩承载力较高，且打入式桩基无泥浆排放，较为环保。但由于挤土效应的存在，预应力管桩的缺点亦十分明显：对周围建筑物或地下管线存在影响，要求边桩到相邻建筑物的间距较大；庄中心间距较大，加大承台工程量；在地下障碍物或孤石较多的场地难以施工。静钻根植桩与传统桩基相比，其新颖之处在于采用钻孔后依靠桩身自重将预制桩埋入桩孔，并对桩端、桩周进行注浆，兼备了其它类型桩基的特点。静钻根植桩的主要优点有适用于各种地质条件，适应性强；采用预钻孔植桩，无挤土效应，有效避免了对周围建筑物及桩自身的损失；利用桩自重埋入桩孔，施工简便，且无噪音污染。其不足之处在于需预先钻孔，存在泥浆排放，污染环境。东外环路位于城市中心地带，道路两侧建筑物多、地下管线复杂，若采用预应力管桩将对周边建筑物及地下管线产生较大影响，稍有不慎就会出现重大安全事故，本次设计推荐静钻根植桩。2、立柱立柱的预制拼装技术的研究与应用仍然较少，目前国内已有的预制拼装方式主要有以下3类：1）互合式连接，立柱采用分节段预制，各立柱节段间采用互合的连接部件实现定位与连接，且接缝采用砂浆或环氧树脂等干接缝进行固定，另外通过施加预应力加强各预制块件之间的连接，如图1所示。通过互合式连接的立柱整体性好，抗震性能好；立柱节段重量轻，运输及吊装方便。但互合式连接部件的构造较为复杂，不便于施工。图1：互合式连接2）承插式连接，立柱采用整体预制，承台浇筑时在顶面预留杯口，将预制立柱插入到承台杯口中并现场浇筑墩座，如图2所示。此法的优点有墩身整体预制，施工缝少，耐久性好；墩座采用现浇，可调整墩身高度，预制段立柱标准化程度高。缺点有墩身整体预制，重量较大，运输和吊装有难度；墩座采用现浇，影响施工工期。图2：承插式连接3）套筒连接，立柱采用分节段预制，各节段间采用套筒连接，如图3所示，各立柱节段浇筑时需预埋套筒和钢筋。当立柱高度较高时，亦可施加预应力加强立柱整体性。此法的优点是构造简单，施工方便；墩底采用现浇，墩身采用节段预制，对立柱高度的变化适应性好，预制段标准化程度高；立柱节段重量轻，运输和吊装方便。缺点是套筒和钢筋需对应预埋及连接，对施工精度控制要求高；施工缝多，影响美观。图3：套筒连接由于城市中对大构件运输的限制条件较多，且大吨位吊装设备进场困难，经综合比选，东外环快速化改造工程推荐采用立柱分节段预制的套筒连接方式。另外，由于东外环高架本身立柱高度较低，无需施工预应力亦能满足要求，大大方便了施工，降低了工程造价。3、盖梁预制盖梁有钢盖梁和混凝土盖梁。钢盖梁采用工厂整体组装，现场一次性吊装的施工方式。钢盖梁与墩柱间的连接方式有后浇混凝土连接、焊接和高强螺栓连接，高强螺栓连接施工方便，应用更加广泛。钢盖梁的优势在于结构重量轻，运输和吊装方便；施工支架少，对交通影响小；施工方便，工期短。不足之处在于钢结构对防腐要求高；钢盖梁与其他混凝土结构差异化大，美观性差。混凝土盖梁为便于施工需分节段预制及吊装，通过后浇带及张拉预应力束使其形成整体，如图4所示。混凝土盖梁与墩柱间的连接采用套筒连接。混凝土盖梁的优点是整体美观性好。缺点是混凝土盖梁体量大，运输困难，对吊装设备要求高；套筒和钢筋需对应预埋及连接，对施工精度控制要求高；后浇带的施工影响工期。图44、主梁主梁结构的预制拼装技术已经比较成熟，目前应用较多的有节段预制悬臂拼装混凝土箱梁以及先简支后连续小箱梁。节段预制悬臂拼装预应力混凝土箱梁，将大跨径混凝土箱梁沿顺桥向划分成适当长度并预制城块件，再将其运至现场进行拼接安装，经施加预应力后使块件成为整体。它的优点是分块后节段的重量轻、尺寸小，运输方便，对吊装设备的要求不高；单次浇筑混凝土量少，质量易控制；可大大降低安装及成桥后混凝土的收缩徐变。缺点有施工工序复杂，施工工艺要求高，技术难度大，造价较高；预制次数多，外观不如整体预制或现浇法的好，施工缝较多；阶段之间以干接缝联结，结构耐久性差。先简支后连续小箱梁，将单跨桥梁横桥梁分为多片标准小箱梁进行预制，再将其吊装架设成简支受力状态结构，通过浇筑纵横向湿接头及张拉预应力使其成为多跨连续桥梁结构。它的优点是结构简单，设计、施工经验成熟，经济指标较低；结构刚度较大，抗扭性能好，梁高适中，适应跨径较大；通过现浇形成整体桥面，对变宽段桥面适应性强。不足之处在于单片梁体量较大，对吊机或架桥设备要求较高；需经过体系转行，增加了临时支座的设置。先简支后连续小箱梁被大量应