文 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 陳安 郭文健 孫靜

近年來，隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，現(xiàn)代化進程加快，國民對公路橋梁的通行要求進一步提升。一方面，在保證橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性之外，還應(yīng)通過快速施工來減少對交通的影響，降低對施工現(xiàn)場周圍的噪聲和環(huán)境污染；另一方面，由于原先等級較低的橋梁受到車輛荷載的增加、環(huán)境侵蝕和結(jié)構(gòu)老化等多方面的影響，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)性能變差，承載能力下降，使得安全性和耐久性降低，需要維修或構(gòu)件更換。在這種情況下，快速施工橋梁技術(shù)應(yīng)運而生。

快速施工橋梁技術(shù)的優(yōu)勢

快速施工橋梁(Accelerated Bridge Construction，ABC)是一種創(chuàng)新技術(shù)，運用新的規(guī)劃、設(shè)計、材料和施工方法，采用高度預(yù)制化和快速拼裝的形式，縮短建造新橋梁或更換、修復(fù)現(xiàn)有橋梁，以及現(xiàn)場施工和施工造成交通堵塞的時間，有效保證了橋梁質(zhì)量，保障了安全性和經(jīng)濟性。

與傳統(tǒng)現(xiàn)場施工技術(shù)相比，快速施工橋梁技術(shù)，優(yōu)點更多，包括建設(shè)時間可以縮短至數(shù)周甚至數(shù)天之內(nèi)；高度預(yù)制化可有效把控橋梁構(gòu)件和成橋質(zhì)量，提升生產(chǎn)和施工效率及施工安全性；減少了現(xiàn)場作業(yè)量，簡化了現(xiàn)場設(shè)施，并降低人力投入，節(jié)約了建造成本，還在一定程度上降低了對施工現(xiàn)場及周圍環(huán)境的不利影響，比如減少了施工噪音，降低了粉塵污染等；由于預(yù)制構(gòu)件的模數(shù)化，該技術(shù)使得后期對于損壞構(gòu)件的更換和維修更為簡便。

在國外對快速施工橋梁的研究內(nèi)容中，80%左右是關(guān)于預(yù)制構(gòu)件組裝和連接的研究，15%左右是關(guān)于橋梁上部結(jié)構(gòu)的型式和材料的研究，5%左右是關(guān)于下部結(jié)構(gòu)的研究。這是由于預(yù)制構(gòu)件的連接在整體性和抗震性能方面起著至關(guān)重要的作用，決定著快速施工橋梁的方法是否可行。

快速施工橋梁的結(jié)構(gòu)型式

橋面板

應(yīng)用于快速橋梁建設(shè)的橋面板，主要是全高預(yù)制混凝土橋面板，其生產(chǎn)質(zhì)量易于控制、橋面板間的連接及橋面板和主梁間的連接，相比于部分預(yù)制混凝土橋面板更加簡便。目前，全高預(yù)制橋面板的型式由最初的混凝土橋面板發(fā)展為多種改型的橋面板型式，一方面是為了改善混凝土板受彎引起下部開裂的問題，另一方面是減輕橋面板的自重，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。美國佛羅里達國際大學(xué)土木與環(huán)境工程系薩哈爾·加西米（Sahar Ghasemi）等提出一種超輕超薄實心橋面板，其采用非對稱雙向密肋板的型式，如圖1所示。這種不對稱來自于主次肋的布置，肋條分別垂直于交通方向和平行于交通方向。密肋板由超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）和高強度鋼（High Strength Steel，HSS）或碳纖維增強復(fù)合材料（Carbon Fiber-Reinforced Polymer，CFRP）加固而成。采用UHPCCFRP橋面板，一方面可以發(fā)揮CFRP輕質(zhì)高強的特性，另一方面由于UHPC的存在，可以改善CFRP變形過大的問題，從而形成一個整體的延性體系。

圖1 非對稱雙向密肋板

圖2 預(yù)制混凝土橋梁護欄

加拿大艾伯塔大學(xué)塔瑟夫·桑森（Tassew Samson）等研究了陶瓷預(yù)制混凝土板作為橋面板的可行性。膠凝材料采用磷酸鹽水泥來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅酸鹽水泥，因為磷酸鹽水泥與普通的硅酸鹽水泥相比，早期強度增長更快，尺寸穩(wěn)定性好，并且具備更好的耐火性能。通過實驗研究表明，陶瓷預(yù)制混凝土板的板帶剛度和強度可以達到要求，是一種可行的替代方法。

美國佛羅里達國際大學(xué)土木與環(huán)境工程系亞扎德·賈比里·賈羅米（Azadeh Jaberi Jahromi）等提出一種新的橋面板連接方式，將搭接鋼筋接頭做成90度彎鉤型式，再利用直筋橫向加固，最后澆筑混凝土。這種連接方式可以減小鋼筋的搭接長度，并且提高橋面板連接處的延性。

加拿大瑞爾森大學(xué)賽義德·艾哈邁德·馬哈茂德（Sayed-Ahmed Mahmoud）等研究了采用GFRP（Glass FRP）筋加固的全高預(yù)制混凝土橋面板間連接的疲勞強度，橋面板之間采用角形企口接縫，使用超高性能纖維增強混凝土（Ultra High Performance Fiber-Reinforced Concrete，UHPFRC）連接。通過研究表明，UHPFRC材料的性能優(yōu)于普通混凝土，接縫的疲勞強度可以達到設(shè)計要求。

由于橋面板間存在伸縮縫，會使一些腐蝕性材料通過伸縮縫進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)耐久性問題，同時一些碎屑和雜質(zhì)進入伸縮縫中，影響運動導(dǎo)致?lián)p壞。美國愛荷華州立大學(xué)貝魯茲·沙飛（Behrouz Shafei）等提出了采用纖維混凝土（Fiber-Reinforced Concrete，F(xiàn)RC）或UHPC結(jié)合GFRP筋的連接板代替伸縮縫的方法，通過有限元數(shù)值模擬和實驗分析，證明了連接板的設(shè)置可以取代伸縮縫，并且可提升結(jié)構(gòu)的整體性，改善結(jié)構(gòu)的性能。

對于橋面兩側(cè)護欄的快速施工方法，美國愛荷華州立大學(xué)阿什莉·?？藗惖拢ˋshley Ecklund）等研究出一種預(yù)制混凝土橋梁護欄，可分段預(yù)制護欄，護欄間通過X型螺栓連接，如圖2（a）所示。護欄與橋面板之間通過護欄內(nèi)插入的斜桿與橋面板形成機械連接，如圖2（b）所示。通過實驗證明，這種預(yù)制混凝土橋梁護欄與橋面板間的連接性能良好，且自身強度可以達到使用要求。

主梁

快速施工橋梁的主梁可分為鋼梁橋、混凝土梁橋和鋼-混組合梁橋。鋼梁橋由于截面面積較小，應(yīng)在一定間距設(shè)置腹板加勁肋，以防止腹板的局部屈曲，并且應(yīng)在一定間隔處設(shè)置橫梁，確保其側(cè)向穩(wěn)定，防止發(fā)生扭轉(zhuǎn)屈曲。對于混凝土梁橋來說，由于運輸、吊裝條件的限制，一般采用分段預(yù)制，節(jié)段拼裝的方法，節(jié)段拼裝的混凝土梁采用體外預(yù)應(yīng)力體系，其相比于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力體系來說，可以縮短施工工期，減小梁截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)自重。同時體外預(yù)應(yīng)力體系預(yù)應(yīng)力筋的替換更為簡便，方便后期的維修和更換?；炷吝B續(xù)梁主要劃分為錨固節(jié)段、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和轉(zhuǎn)向節(jié)段，在轉(zhuǎn)向節(jié)段中設(shè)置轉(zhuǎn)向塊，以傳遞體外束產(chǎn)生的水平力和豎向力，同時可以限制體外束的自由長度，改變預(yù)應(yīng)力筋線性，來改善結(jié)構(gòu)抗彎和抗剪性能。

下部結(jié)構(gòu)

快速施工橋梁的下部結(jié)構(gòu)與采用現(xiàn)澆的方法施工的傳統(tǒng)橋梁相比，多采用預(yù)制的方法。下部結(jié)構(gòu)包括蓋梁、橋臺、橋墩、承臺和基礎(chǔ)等。

由于受到運輸條件、施工場地條件的限制，寬度較大、重量較重的蓋梁和高度較高的墩柱多采用分段預(yù)制。蓋梁主要采用上下分層預(yù)制和橫向分段預(yù)制的方法，再進行現(xiàn)場拼裝。分段預(yù)制的橋墩可通過濕接縫連接、干接縫連接、預(yù)應(yīng)力連接和灌漿套筒連接等方式連接。由于濕接縫連接和預(yù)應(yīng)力連接現(xiàn)場施工比較復(fù)雜，施工作業(yè)時間較長，因此在快速施工橋梁中較少使用，而更多的則是使用施工方式簡便，受力性能較好的灌漿套筒連接。

美國愛荷華州立大學(xué)特拉維斯·霍森（Travis Hosteng）等研究了分塊預(yù)制橋臺的連接，實驗采用了灌漿套筒連接方式，結(jié)果表明灌漿套筒連接的鋼筋接頭強度要比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中鋼筋接頭處的屈服強度低17%。這種影響主要是由于灌漿施工操作不精細，鋼筋受力的力矩長度減小和灌漿處混凝土與鋼筋之間黏結(jié)性能較差造成的。

美國華盛頓大學(xué)海瑟姆·達胡德（Haitham Dawood）等研究了采用后張拉式的分段預(yù)制橋墩的抗震性能。其中，混凝土柱采用混凝土填充纖維增強符合材料管（Concrete Filled FRP Tube，CFFT）分段預(yù)制的形式，并在柱間連接處放置氯丁橡膠。通過實驗分析和有限元模擬，驗證了這種橋墩在地震荷載作用下側(cè)移量明顯減小，且易于震后修復(fù)。研究對橋墩的設(shè)計給出了一系列設(shè)計參考系數(shù)，包括段高與柱徑比、氯丁橡膠厚度和硬度值和應(yīng)力張拉水平等。

美國華盛頓大學(xué)喬納森·瓦克（Jonathan M. Wacker）等研究了地震區(qū)的預(yù)制混凝土橋墩設(shè)計方法，考慮了墩柱的3種破壞形式，即混凝土保護層的剝落、縱筋屈曲、縱筋斷裂。采用兩種不同的設(shè)計方法，基于力的設(shè)計方法和基于位移的設(shè)計方法。研究表明，這兩種設(shè)計方法均可保證在相應(yīng)的抗震等級下墩柱不發(fā)生嚴重破壞 。

快速施工橋梁中的預(yù)制構(gòu)件連接

在快速施工橋梁中，各預(yù)制構(gòu)件的連接是否可靠，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性能，也直接關(guān)系到快速施工橋梁設(shè)計方法是否可行。對于預(yù)制構(gòu)件間的連接方式和連接性能，國外一些學(xué)者開展了大量研究。

美國內(nèi)華達大學(xué)莫斯塔法·塔扎夫（Mostafa Tazarv）等研究了帶凹槽的預(yù)制蓋梁與橋墩承插式連接的各方面性能。實驗表明，這種連接方式表現(xiàn)出了良好的整體性，對抗震性能的影響與整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比可忽略不計，同時，這種蓋梁還可通過后張法施加預(yù)應(yīng)力來提高梁的剛度，從而減小截面尺寸。與整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，現(xiàn)場施工時間可以降低75%，可以大大節(jié)省橋梁建設(shè)時間。

圖3 耦合器類型

美國佛羅里達國際大學(xué)莫哈馬德雷扎·沙菲伊法（Mohamadreza Shafieifar）等研究了用UHPC連接柱頂和蓋梁的可行性，通過有限元數(shù)值模擬和實驗分析，證明了利用UHPC連接，可以增強結(jié)構(gòu)的整體性，并且在地震作用下，節(jié)點區(qū)延性提高。由于UHPC的強度等級較高，鋼筋的搭接長度可適當(dāng)減小，從而減少了混凝土現(xiàn)場澆筑體積，以提升施工效率。

美國內(nèi)華達大學(xué)阿里雷扎·莫希比（Alireza Mohebbi）等研究了承插式連接柱的抗震性能，實驗結(jié)果表明，利用UHPC和工程水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite，ECC）來加固底部塑性鉸區(qū)域，可以明顯改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，有效防止塑性鉸區(qū)域混凝土柱的破壞，并消除了地震荷載下傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱中經(jīng)常出現(xiàn)的低周期疲勞破壞現(xiàn)象。

莫斯塔法·塔扎夫（Mostafa Tazarv）等研究了承臺和墩柱的機械連接方式，如圖3所示，分別采用剪切型耦合器、螺紋鋼筋耦合器、灌漿套筒耦合器和擠壓型耦合器進行了研究。研究表明，耦合器的長度、位置和剛度對機械連接柱的延性有著顯著的影響，耦合器剛度越大，位置越靠近柱腳，塑性鉸區(qū)域的延性越差。但是，施工時間相比于傳統(tǒng)施工方式來說可以縮短約60%。

圖4 灌漿套筒連接

美國佛羅里達國際大學(xué)埃爾米拉·舒什塔里（Elmira Shoushtari）等利用地震模擬振動臺研究了快速施工橋梁中構(gòu)件連接處在地震作用下的響應(yīng)。實驗分別測試了柱腳和承臺處的連接；墩柱和蓋梁的灌漿套筒式連接;鋼梁到蓋梁的連接；主梁和橋面板之間的連接;橋面板之間UHPC的連接板連接；使用UHPC作為連接材料的墩柱連接。研究表明，快速施工橋梁的整體性可以滿足抗震要求，僅在主梁和臨近墩柱的橋面板底部觀察到了一些細微裂縫，這在設(shè)計過程中是可以接受的。研究還指出，UHPC接頭可以增大結(jié)構(gòu)剛度，使結(jié)構(gòu)在地震作用下保持良好的完整性，相比于機械連接或者灌漿套筒連接的方式，UHPC連接是一種更好的選擇。

美國猶他大學(xué)土木與環(huán)境工程系克里斯·P·潘泰利德斯（Chris P·Pantelides）等對灌漿套筒連接方式的抗震性能進行了實驗評估，實驗采用了兩種不同的灌漿套筒連接方式，一種是一端采用螺紋鋼筋擰入套筒，另一端采用灌漿連接的方式，如圖4（a）所示。另外一種是兩側(cè)搭接鋼筋均采用灌漿連接的方式，如圖4（b）所示。實驗表明，這兩種連接方式的抗震性能均可達到抗震設(shè)計要求。同時，研究還發(fā)現(xiàn)套筒位置的不同會影響其抗震性能，將套筒放置在基礎(chǔ)頂部和蓋梁底部而不是放置在柱端時，其結(jié)構(gòu)的抗震性能會有所改善。

克里斯·P·潘泰利德斯（Chris P·Pantelides）等研究了灌漿套筒連接在地震損壞后的修復(fù)方法，提出使用碳纖維增強復(fù)合卷材、涂抹環(huán)氧樹脂的低碳鋼筋和非收縮混凝土作為加固材料，加固塑性變形過大的塑性鉸區(qū)域(墩柱底部)；CFRP卷材包裹住加固用的鋼筋和混凝土，對混凝土提供足夠的側(cè)向約束力；鋼筋承擔(dān)抗剪作用，如圖5所示。實驗表明，這種修復(fù)方法是可行的，修復(fù)后的強度不低于原本的設(shè)計強度值。

采用合理的連接方式是實現(xiàn)快速施工橋梁的關(guān)鍵，一系列的研究表明，灌漿套筒連接、UHPC連接等連接方式和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，能獲得相近的甚至更佳的動力性能，從而實現(xiàn)快速施工橋梁在抗震設(shè)計中的應(yīng)用。

快速施工橋梁在橋梁建設(shè)方面具有很大的優(yōu)勢，既節(jié)省了大量的建造時間和社會資源，同時對于橋梁質(zhì)量的把控更加有利，對于后期的維修也更加方便，其發(fā)展前景無比廣闊。但是由于相關(guān)施工技術(shù)的不成熟、相關(guān)行業(yè)規(guī)范不完善，再加之受到材料價格過高（如FRP、UHPC）的影響，導(dǎo)致快速施工橋梁的方法在我國還未能得到廣泛的運用。

未來，隨著城市化進程的加快，城市橋梁建設(shè)的需求量會不斷增加，快速施工橋梁發(fā)展前景巨大，制定出相關(guān)行業(yè)規(guī)范和推廣快速施工橋梁施工方法，對于其發(fā)展將會起到巨大的推動作用。

圖5 CFRP卷材和鋼筋混凝土加固示意圖