桥梁快速施工的连接特点

二战之后，美国进入了大量修建州际高速公路系统的时期。1956年6月29日，州际高速公路系统通过了联邦政府助建公路法案的审核，该法案也被称为1956年美国国家州际防御高速公路法案，美国现存的大量桥梁都修建于这一时期。美国国家桥梁名录（NBI）数据库中已登记的桥梁共有超过63万座，截至2018年，这些在册桥梁的平均使用寿命约为45年。根据2018年检修报告（图1）中显示，约有12%的桥梁拥有结构性缺陷，13%的桥梁存在功能过时问题——这就意味着美国有约25%的在册桥梁需要复原、整修或重建。

图1 美国公路桥年龄与使用情况

2013年，为了帮助会员单位更好地对美国公路基础设施进行设计和管理，美国州道与交通工作者协会（AASHTO）桥梁与结构公路小组委员会（HSCOBS）根据研究，出台了一项战略性规划——《AASHTO 2013-2018桥梁与结构战略性规划》，该规划有8个主要任务，包括：

1.延长桥梁使用寿命

2.评估桥梁状况

3.维持并增加专业劳动力

4.维持并提高AASHTO规范

5.桥梁交付与施工的加速

6.优化结构系统

7.以智能方式模拟并管理信息

8.助力国策

由于当年只求数量的大批建造公路桥，导致目前桥梁养护成本急剧增加（同期修建的桥梁出现老化现象，需要集体修复或重建），美国交通部和各州公路部门开始研究延长现有桥梁的使用寿命（特别针对占桥梁总数80%以上的中小桥梁），其他桥梁的保护计划，以及采用更快的施工技术和方法，使公路桥继续安全地服务于民。

桥梁交付施工加速法（ABC）

通常,桥梁交付施工加速法(ABC，以下简称“快速施工法”)是一种采用创新型规划和设计,使用新材料的桥梁施工方法。其创新型的施工方式拥有安全和经济的特点,可在修建新桥、旧桥重建或修复旧桥时有效减少现场施工时间。

由于行人的安全和交通流受施工活动的直接影响，采用快速施工法的常见原因是减少施工对交通的影响。当然，也有一些项目会用加速施工法来解决现场施工问题，如出现交通绕路、临时结构成本过高、工地位置过于偏远、施工周期有限等情形，快速施工法便可以用适用、经济的形式解决施工中出现的问题。

不论是新桥的修建还是旧桥的更替，快速施工法和设计技巧已被广泛应用于美国等多个国家。快速施工法解决的首要问题便是“交通拥堵”，其五大技术特点包括：

◇ 地基元件和墙元件

◇ 路堤快速施工

◇ 预制桥梁元件和系统（PBES）

◇ 结构替换法（或使用SPMT模块车工法）

◇ 快速路径法

多数情况下，同一工程通常会将以上5个施工法结合使用。

人们首先想到的问题是：为什么使用常规施工法还要再采用快速施工法？

图2 全进深预浇筑混凝土板拼接示例

由于美国大部分公路网络至臻完善，大部分公路桥已经到了需要修复和重建的阶段。不属于整体公路重建项目的单体桥梁重建工程变得越来越普遍。此类工程往往使桥梁施工进入施工流程中的关键路径。

对绝大多数桥梁翻建项目而言，施工还需顾及在桥梁上通行来往的车辆，这无疑会使设计和施工复杂化。我们可以把这一过程视为运转中的发动机替代燃油。桥梁设计师和施工方为了不影响车辆通行，会更换桥梁施工的范型。交通的管控（对象包括车辆、自行车和行人）已成为整个施工过程中的重要一环。

快速施工法并不适用于所有桥梁项目。其中，对单体施工项目的影响需要通过决策制定框架进行具体分析。然而，若采用快速施工法（包括在施工初期使用预制桥梁构件系统(PBES)）将获得以下收益：

◆对道路使用者的影响有所减少

施工项目对道路使用者有着重要影响。由施工拥堵导致的交通行驶时间延长以及绕路都会导致道路使用者交通成本增加，施工作业区也被视为导致交通事故的一大诱因。快速施工法可通过缩短项目周期，减少上述风险。

◆ 施工质量的提高

现场施工质量应一直保有较高水准。严格的规范和质量控制流程可共同保证施工质量，尽管如此，工人暴露在严酷的施工环境下，建造桥梁时想要保持高水准的施工质量并不容易。现场浇筑混凝土的质量受温度、湿度、雨水和风力影响，这些因素都会减少混凝土的耐久性，导致出现过多裂缝。钢结构的施工同样也会带来挑战。钢材料的现场低温焊接成本高，风险高。与现场制作相比，部件的预制就具有较多优势。许多预制工厂（包括室内制造区域）都会使施工和元件制造分离，在极端天气条件下，室外制作区域也可以搭建帐篷制造适宜的施工环境。工人及其施工活动也将避开施工的“不良环节”。若采用桥梁加速施工法，工人暴露在不良工作环境中（如施工区域交通管制及夜间施工）的几率也会有所降低。

◆ 施工能力的提升

预制元件可提升桥梁的施工能力，在拥有显著制约条件的工地可发挥明显作用，可使施工方在有限的周期内迅速完成既定施工计划。使用预制桥面元件可简化安装及拆除模板的流程，对铁路桥、跨江/河大桥，及车流量大的公路桥尤为适合。若下部结构邻近铁路、交通要道区域等，使下部结构工期紧迫、施工空间有限的制约因素，那么预制下部结构元件则会发挥最大作用。

◆ 缩减成本

所有基建项目都会产生一定成本，然而，已经完成的项目所带来的经济效益远比工程的建造代价重要。建筑工程的货币成本可以通过两种方式衡量，第一种是以税收的方式核算项目实际建造成本，第二种是建造期间由于工期延误对社会产生的成本。快速施工法和预制桥梁构件系统目的在于，通过缩减施工时间，减少由工期延误而对社会产生的施工成本。元件预制的终极目标则在于将危险、拥挤的施工地点，切换至安全、宽敞的预制地点。采用快速施工法和预制桥梁构件系统完成项目前期工作的施工方发现，其项目由于规模不同，项目的建造成本增幅通常在10%～30%内浮动。

快速施工法和预制桥梁构件系统的成本并不能通过一般因素进行调节。一些因素可以对施工项目的整体成本产生影响，这些因素包括：

◇ 项目规模

◇ 包含采购周期的施工周期

◇ 对专业设备的需要

◇ 元件的重复使用程度

◇ 相似项目的重复程度

采用预制桥梁构件系统（PBES）的拼接细节

2009年，美国交通部（DOT）/美国联邦公路局（FHWA）曾出版一本名为《桥梁预制元件及系统拼接细节》的手册，其中包含了各类预制元件拼接、元件拼接耐久性的重要信息。该手册中还列举了很多有关耐久拼接的例子，包括已经在美国北部使用20多年的预制桥面板，以及已在高度易腐蚀环境下使用超过15年的预制墩台。这些都是美国几家研究所目前正在进行的研究项目，研究的初期结果表明，这些拼接元件的结构稳定，且耐久性较强。

这本手册记录了包含三大类预制元件位于上部结构、下部结构、基座的拼接细节，以下是相关综述及部分设计细节：

AASHTO将桥梁的上部结构定义为“为桥梁提供水平跨距的结构部件”。该定义较为广义，对于一般桥梁而言，上部结构被定义为桥梁支座以上的部分。

◆ 桥面系统

由于预制桥面需被视为一个完整的系统进行设计和建造，桥面的拼接便被分为数个合成系统类型，而非单独的拼接类型。由于优势明显，快速施工法经常被运用于桥面系统。首先，由于筑造桥面需要进行大量成型工作，以常规方式建造混凝土桥面（混凝土是建造桥面最常用的材料）非常耗时。桥面的预制可在施工现场将混凝土加工成型的需求最小化，甚至完全排除。其次，和其他桥梁元件相比，预制桥面体积小，易于运输储存。图2为全进深预浇筑混凝土板的拼接细节。图3为预浇筑桥面板拼接细节。

图3 预浇筑桥面板拼接细节示例

预浇筑板之间的拼接通过浇筑混凝土合拢完成。由于突出的系杆与相邻的嵌板不适配，两块预浇筑板在组装方面存在问题。系杆需在拼接现场进行加弯处理（如图4所示）。由于与后加张力风道有冲突，5号横筋两块面板的合拢浇筑遇到了困难，因此使用预应力绞线作为替代。预应力绞线原本应该进行涂层处理，节点内浇筑了自密实混凝土（SCC）。起初，自密实混凝土有所露出，随后被密封。

图4 两块预浇筑板的拼接，摄于拼接现场

箱形梁预浇筑面拼接细节（图5）,只需在预制件现场完成预浇筑梁顶端钢板的镶嵌，即可完成预浇筑板和预浇筑梁之间的拼接。栓钉焊接则在施工现场进行。元件预制方在进行钢板的镶嵌过程中遇到了困难，预制板的设计带有纵向后张力（每个风道拥有直径为4～0.6"预应力绞线）及横向预应力（详见图6）。

图5 箱形梁预浇筑桥面拼接细节示例

图6 带有箱形梁的预浇筑面，摄于施工现场

下部结构的拼接

下部结构系统的拼接则被分割为墩台、桥台及墙面这三大部分。直接拼接于基座元件（桩排架）的下部结构元件间的拼接同样包括在内。

预制墩台元件已被美国的多个州立机构所采用。这是因为在高处进行混凝土的成型和浇筑较为困难，且下部结构有返工的可能性。对位于水体上方或邻近输电线等危险设施的桥梁下部结构而言，采用预制墩台元件同样可大量节省工期。

墩台帽梁是桥梁下部结构中最常见的预制元件，也是就地浇筑混凝土最难建造的元件，因为在建造过程中，临时支撑和成型较有难度。此手册所提及的拼接细节起源于地处中低地震带的（美国各）州。许多拼接描述无法利用塑性铰或不含充足的约束性加固设施。由美国东北地区预制及预应力学会桥梁技术委员会制定的几处细节较适合地处高地震带的地区，但当时还未进行地震带识别的研究，因此仅推荐那些地处中低地震带的地区参考（图7）。

图7 帽梁和立柱的拼接细节示例

施工方用垫片设定墩帽的参考水准面，风道采用标准后拉张力，从底部贯穿至墩帽顶点附近的位置，此举是为了避免用来固定墩帽的螺栓所造成的干扰。采用了载人电梯（位于照片外左侧）用于风道的安装，一位工人负责引导杆件进入风道（图8）。

图8 预浇筑帽梁，摄于施工现场

部分墩台与立柱的拼接细节示例（地处非地震高发区）（图9）,拼接由钢制灌浆钢筋接片系统，完成灌浆接片系统可完成强度超过150%的杆件出品率。有关杆件和接片位置的质量检测至关重要。接片尺寸可以超规，以适应约半英寸（约合1.27cm）的公差，其唯一的设计效应在于杆件必须移至各构件的中心位置，一直覆盖住接片（长约2.54cm）。为减轻重量，该设计还结合了H形立柱截面及U形墩帽截面，墩帽的重量不会给起重机造成负担（起重机与梁同重）。由于水上作业的时间有所减少，施工方的劳动和保险成本亦有所减少。图10为施工照片。

图9 预浇筑立柱的拼接细节示例

图10 预浇筑立柱，摄于施工现场

墩墙拼接细节的又一典范（图11）,预浇筑后加拉力墩台也可加快施工速度。由于底部覆盖面积较小，此类墩台可用于高架桥或现存巷道断面正中的高架铁路桥或高架公路桥。此法造价对小型桥梁而言较高，但对车流量较大的多跨桥梁而言较为经济高效。该主体桥梁有8座排架，每个排架配有3座墩台，因此墩台总数为24座。图中展示的是相邻墩台管片之间的拼接细节。接缝已被密封，由环氧树脂胶粘剂粘合。由于预浇筑零件中含有剪力键，因此剪力已被转移。后张拉力棒被镶嵌在就地浇筑的基脚中，并用连接器迭接数层。将管片安装完毕后，整个墩台的后加张力过程才得以完成（详见图12）。

图11 预浇筑墩墙的拼接细节

图12 预浇筑墩墙，摄于施工现场

基座的拼接

基座系统被切割为不同的基座元件，大多数桥梁采用了这些基座元件。AASHTO设计规范将可修建的基座定义为扩展式基脚、打入桩和挖孔桩。

美国仅有少数的几个州为桥梁设计并修建预制基脚，大多数州则采用的是预制桩。新罕布什尔州交通运输部在预制基脚方面表现出色，美国东北地区预制及预应力学会桥梁技术委员会目前已将这些细节采纳为东北部地区的标准。

预浇筑基脚与桩的拼接细节（图13）,该细节由委员会制定为桥梁概念性细节。虽尚未完成，但其他州已经建成了相似的配置。角落内的调平螺栓可设定参考水准面，通过端口注入的小块集料混凝土可填补桥桩的空隙。桥桩周围的加固系统可控制灌浇混凝土的收缩率，并可在安装基脚前安装。基脚的设计与就地浇筑的常规基脚设计相同，波纹钢腹板板槽可由锥形腹板板槽替代。

图13 预浇筑基脚与围护桩的拼接细节

快速施工法最常见的形式就是桥梁元件的预制。这些元件可在施工现场以外的受控环境内制造，并在桥梁施工现场进行装配。这种建造方法被称为建筑砌块。预制元件通常在施工现场进行拼接，以形成一座完整的桥梁。

梁的预制已不再是新概念。事实上，目前所有桥梁的梁和主梁都是提前预制好的。其他行业则利用预制的方式加速项目的交付，缩减成本。停车设施等行业则最大程度地利用了预制。目前适用范围正在扩大的新概念包括其他桥梁元件的预制，如桥面及下部结构（包括墩柱、基脚、拱座/围护墙芯柱）的预制。预制元件的安装通常采用标准起重机完成。

然而，预制结构需要各个元件上配有接缝，这对预制桥梁构件系统（PBES）的成功具有决定性作用，但一些机构并不看好元件接缝的耐久性和结构完整性。不但预制结构中含有元件之间的拼接接缝，就连常见的就地浇筑混凝土结构中也包含许多拼接部分和接缝。就地浇筑结构一般由多个结构构成。例如，在开放式墩式排架中，基脚和立柱之间、立柱与墩帽之间都存在施工缝，就连多跨桥的桥面都存在施工缝。施工缝不但可以使混凝土更好地成型就位，还能减少由混凝土收缩及结构变形引发的裂缝。

本文刊载 /《桥梁》杂志 2019年 第3期 总第89期

作者 / W. Phillip Yen, PhD, PE

作者系国际桥梁抗震工程协会（IABEE）主席