关于节段预制拼装桥梁几个问题的探讨

摘要：本文对节段预制拼装桥梁的施工方法及耐久性等几个关键问题进行了分析探讨，具有较强的价值和实用性，供借鉴参考。

关键词：节段预制拼装；施工方法； 耐久性；设计

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

1 节段拼装桥梁的施工方法分析

预制节段拼装施工是将桥梁的梁体划分为若干节段，在工厂或现场预制梁场预制后进行桥位组拼，并施加预应力使之成为整体结构物的一种施工方法。

我国的桥梁建设在节段施工方面的应用比较早，但与国外大规模地使用节段预制安装施工相比，总体上讲国内所占的比例是很小的。近年来，国内大规模的工程应用实例也就深港西部通道引桥、苏通大桥引桥、上海崇明越江通道长江大桥引桥、厦门集美大桥等部分桥梁。

1.1 节段预制的两种方法

1.1.1 长线法

长线法指组成梁体的所有梁段均在固定台座上的活动模板内浇筑且相邻段的拼合面应相互贴合浇筑，缝面浇筑前涂抹隔离剂，以致相邻块件在操作上既不粘结又保证其间接触密贴。长线法由于台座固定可靠，成桥后梁体线性较好，但占地较大，地基要求坚实，混凝土的浇筑和养护移动分散。

1.1.2 短线法

短线法是将连续梁分成若干短节段，考虑混凝土收缩、徐变、预拱度等影响因素，将每块梁段的成桥整体坐标转换为预制台座局部坐标，以待浇梁段为基准，调整已预制的前一相邻匹配梁段平面位置及高程，在预制台座的固定模板系统内逐块匹配、流水生产梁段的施工方法。

短线法特点是场地较小，浇筑模板及设备基本不需要移机，可调的底、侧模便于平竖曲线梁段的预制，精度要求高。由于计算机技术和施工工艺发展，短线法施工具有较大的技术优势。

1.2 节段拼装的两种方法

预制节段拼装有逐孔整体拼装和悬臂拼装两种方法： 逐孔整体拼装一般适用于跨径小于50 m 的梁桥； 预制节段悬臂拼装，跨径一般在 50 ～150 m。悬臂拼装法是利用移动式悬拼吊机将预制梁段起吊至桥位，然后采用环氧树脂胶及钢丝 束预施应力连接成整体。采 用逐段拼装，一个节段张拉锚固后，再拼装下一节段，或者全部拼装完成后进行合拢张拉。 悬臂拼装施工包括块件的预制、运输、拼装及合拢。目前使用较多的是悬臂拼装方法。

悬臂拼装又可分为悬臂吊机安装和上行式架桥机拼装 2 种方式。目前已经建成的深港西部通道引桥、苏通大桥引桥和在建的上海崇明越江通道引桥、厦门集美大桥等均采用短线法预制、上行式架桥机悬拼。采用节段预制拼装比采用膺架现浇施工能节省大量的材料和人工，经济效益显著，同时对地质地形的要求也较弱，在山区和城市运输空间狭小及水上具有较大优势。

2 预制节段拼装桥梁的耐久性设计关键问题

节段拼装混凝土桥梁一般都采用后张预应力法施工，此类桥梁的使用性能类似于其它预应力混凝土桥梁，在国际上已得到广泛应用。但由于预制节段拼装工法是将桥梁沿纵轴线方向分成若干节段，必须重点考虑节段缝对桥梁耐久性的影响尤其是对预应力钢筋的影响。

2.1 节段预制拼装桥梁耐久性的关键--节段间接缝的耐久性设计

对于节段预制拼装桥梁来讲，节段间接缝是其固有的薄弱环节，故预制节段拼装结构的耐久性问题最终反映在体内预应力筋的灌浆质量和接缝对体内预应力筋保护的可靠性上面。

采用节段预制拼装施工时，为了将各节段形成整体，在构造上就必然在节段之间有连接缝。节段缝是节段预制施工结构的一个特殊构造，在使各节段准确定位的同时，还承担剪力传递的作用，因此在各节段端部匹配面上通常设置剪力键( 又称接合键) 来传递部分剪力( 部分靠摩阻力、部分靠剪力键) 。《节段混凝土桥梁设计和施工规范指南》( 美国 AASHTO，1999)将预制节段施工接缝分为 2 种：一是 A 类接缝： 现浇混凝土接缝、预制节段间湿接缝或环氧粘结剂接缝；二是 B 类接缝：节段间的干接缝。目前预制节段拼装梁桥接缝通常采用 A 类接缝。以悬臂拼装为例，节段间接缝除合龙段采用混凝土湿接缝，一般采用环氧胶接缝。

2.1.1 合理设置节间缝的道数和位置

在满足预制节段工厂化、模块化、流水线的施工要求下，应依照结构尺寸模数化、结构尺寸标准化、结构对称等原则，并通过结构计算优化。借鉴国内既有桥梁的经验，对于32 m、40 m 跨径的箱梁，建议单个梁节段的长度宜控制在 2．5 ～4 m 为宜，梁节段的最大预制重量不宜太大( 苏通大桥 75 m 跨箱梁和深圳湾大桥72 m 跨径箱梁的单个节段重最大达 175 t) ，一般建议以 100 ～150 t 左右控制为宜。

节段拼装箱梁的腹板、底板厚度变化一般做成阶梯变化，其节间缝不宜设置在厚度急剧变化段。对于厚度变化段，在受力允许的情况下，宜将节间缝应朝较厚端移动 200 ～500 mm，尽量将内力突变、应力集中带来的不利影响降低到最小。

2.1.2 节间缝剪力键的设置

剪力键应分布均匀，能够有效的在接缝间传递剪力。建议采用密齿剪力键，确保接缝处的抗剪承载能力。

密齿剪力键主要设置在腹板上，在顶板、翼板和底板亦设置少量剪力键，以不影响预应力孔道位置为原则，剪力键尺寸和位置应模数化。

箱梁预制时，剪力键应精心制作。剪力键成形应采用实体钢制剪力键固定在固定端模( 或活动端模)上，浇注时形成凹面键槽。当此面作为匹配面时待浇梁段将形成凸形键。实体钢制剪力键可为收分结构，以适应梁段腹板厚度的变化。

剪力键材料有两种：混凝土或钢材，早期的节段拼装箱梁有用钢质剪力键的，现在一般都使用混凝土剪力键。剪力键型式有少键和多键两种，少键型式便于施工，但应力集中现象明显、易开裂，故应尽量按构造要求，多布置剪力键，以减小应力集中。

根据《节段混凝土桥梁设计和施工规范指南》( 美国 AASHTO，1999) 的规定，剪力键的布置及构造尺寸应满足如下要求：( 1) 腹板内剪力键宜布置在 0．75 倍梁高范围内，每个剪力键宽度宜为腹板厚度的 0．75倍，顶、底板也应设置剪力键，但可用更大尺寸的剪力键；( 2) 剪力键高 h 不小于 2 倍最大骨料粒径且不小于 32 mm，一般不大于 100 mm； ( 3) 剪力键宽 d 约为2 倍的剪力键高；( 4) 两剪力键的间距取 3 h 与 5 h 的中间值。

2.1.3 预制节段间胶拼接缝的设计要求

借鉴国内外类似工程，节段拼接缝宜采用环氧树脂胶为主要成分的桥梁专用粘结剂。采用环氧胶接缝主要是发挥其对体内预应力束的防腐功能。

目前国内对桥梁节段预制拼装用的环氧胶材料本身没有明确的相关技术规范要求，借鉴国内外类似桥梁的经验，对环氧胶的抗压强度、抗剪强度、弹性模量、触变性、挤压性、耐热性、适用期等性能指标可参照国际后张预应力协会( FIP) 专用规范、《节段混凝土桥梁设计和施工规范指南》( AASHTO，1999) 的相关建议执行。

2.2 节段预制拼装梁预应力体系的耐久性设计

除了对构件混凝土材料、剪力键、接缝处理的耐久性要求之外，节段预制拼装作为特殊工艺，为确保结构的耐久性，预应力体系的设计亦有特殊要求。

2.2.1 应按全预应力体系进行设计

节间缝为结构的薄弱环节，不宜使胶缝受拉。采用节段预制拼装施工，节段块匹配面没有普通钢筋通过，粘结剂粘结强度不能保证等同于整体混凝土抗拉强度。若采用部分预应力，结构受荷载作用后，下翼缘会出现拉应力，可能引起胶接面的开裂，使力筋受蚀。胶接缝更是结构的薄弱环节，设计时应保证胶缝处有一定的压应力储备。

国内深圳湾大桥设计要求，在施工阶段各接缝处至少保证 0．5 MPa 的临时压应力； 在运营阶段最不利荷载组合下，接缝处要求保证1．0 MPa 的压应力储备。

2.2.2 结构设计计算应充分考虑节段预制拼装的技术特点

节段预制拼装施工桥梁的极限强度计算与普通预应力结构有所不同，在设计时要充分考虑节间缝的结构特点、体外预应力( 对于较大跨径的节段预制拼装箱梁，通常要考虑体外预应力的设计) 的受力特点及其应力水平的极限值。

完全配置体内预应力的预制节段拼装桥梁结构由于在接缝处无普通钢筋穿过，其抗弯能力完全依赖于预应力钢索，配置体外预应力后对结构力学性能的影响主要由于体外预应力钢束在极限阶段的极限应力降低，使要达到相应的截面极限承载能力需要配更多的预应力钢束。由于目前国内对节段拼装的预应力体系设计并无相关设计规范可以遵循，建议相关设计参数应结合国内预应力桥梁设计规范，并参照国外已有规范，如《节段式桥梁混凝土桥梁设计和施工指南》( AASHTO) ，再结合一些科研试验成果进行取值。

计算时应考虑节间缝的强度折减。节段施工桥梁的强度折减系数在桥规 JTGD 62-2004 中并未作出明文规定，可参照《节段式桥梁混凝土桥梁设计和施工指南》( AASHTO) 的相关规定执行。

另外，大跨径的节段拼装桥梁设置体外预应力束时，应注意设计应力限值。由于体外预应力束在汽车荷载作用下的应力变化值取决于体外预应力束在使用阶段应力限值的主要因素，一般认为体外预应力束在汽车荷载作用下的应力变化值比体内预应力要小，但由于体外预应力体系的疲劳性能和锚固系统、转向装置受力等许多不确定因素影响，建议取偏于安全的应力限值，可取0．60 fPK，其设计张拉控制应力取0．70 fPK。

2.2.3 严格控制预应力管道灌浆料质量

对于体内预应力束，预应力管道灌浆料的质量是整个预应力体系耐久性的关键所在，建议采用塑料波纹管和真空辅助压浆技术，考虑到现场拌制灌浆料容易造成浆体质量的不稳定性，借鉴国外工程的成功经验，对于箱梁节段预制胶拼方案，建议采用工厂预制灌浆材料，用以严格控制管道压浆的质量，确保预应力体系的耐久性。

2.2.4 体外索设计应注意减振和防腐

体外预应力混凝土结构由于体外索配置在结构外部可以有效地减小混凝土结构截面尺寸，降低结构一期恒载。对于跨径较大的节段拼装桥梁，如60 m 跨径以上，其纵向通常预应力采用体内与体外相结合的体系：体内预应力承担一期、二期恒载，体外预应力承担活载。

体外预应力可检测、可调整、可更换的特点保证了配索体系在结构耐久性基准期内能满足设计要求的可靠性，但必须重视体外索的耐久性设计。

由于车辆荷载等会引起梁体结构和体外预应力索体产生振动，在索体适当的位置上安装减振装置，使索体的自由段的振动区间变短并给索体适当减振，以避免索体产生有害振动。减振装置先与索体紧固在一起，再与梁体可靠联结。体外索可采用环氧钢绞线，并用油脂、PE 套提供第二和第三层防腐层。还可增加HDPE 外护套管，构筑第四防护层。

3 结论

节段预制拼装桥梁具有工艺技术成熟、理论先进、预制用地少、施工速度快、控制精度高等优点，在跨江( 河) 、跨海( 湾) 、城市高架桥( 包括轨道交通高架桥)等桥梁建设项目中将有着极为广阔的应用前景，设计上应充分把握其结构受力特点及施工工艺特点，充分重视这类结构节间接缝和预应力体系的耐久性设计。节间接缝的耐久性设计应注意合理设置节间缝的道数和位置，做好节间缝剪力键的构造设计，同时充分重视接缝环氧胶的性能指标要求。对于其预应力体系，应按全预应力体系进行设计，结构设计计算及预应力配束应符合节段预制拼装的技术特点，预应力管道灌浆应严格控制质量，有体外索设置时应注意减振和防腐处理。

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史成万宁夏公路勘察设计院有限责任公司高级工程师750004

蒋永祥中国交通建设集团高级工程师、一级建造师