中小跨径全装配式梁桥一体化架设方法及装备
时间：2023-06-27 09:35:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
田飞， 夏昊， 王敏， 郑和晖
(1.中交第二航务工程局有限公司， 湖北 武汉 430013；
2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室， 湖北 武汉 430014；
3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心， 湖北 武汉 430013)
随着中国社会经济的发展，传统现浇混凝土桥梁在施工效率、节能环保、耐久性能等方面已很难满足日益提高的社会需求，且现浇工艺存在的诸多缺陷与建设“美丽中国”的发展理念相悖。同时，随着中国人口老龄化问题的加剧，劳动力短缺将成为制约传统施工方式继续发展的重要因素。为此，桥梁产业的升级改造势在必行。2016年9月30日，国务院办公厅发文部署《关于大力发展装配式建筑的指导意见》中明确了产业升级改造的方向：坚持标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化安装、信息化管理、智能化应用，提高技术水平和工程质量，促进建筑产业转型升级。
中国目前公路与市政中小跨径梁桥建设中，上部结构的装配化技术已经较为成熟，装配式梁桥结构类型主要包括：钢筋混凝土或预应力混凝土空心板、T梁、小箱梁、节段预制拼装箱梁以及装配式组合梁等，多类型的结构形式基本满足中国的桥梁建设需求。下部结构的预制装配化在中国起步较晚，但近年也迅速发展，在跨海大桥如：港珠澳大桥、东海大桥、洪塘大桥等，以及市政桥梁如：上海S26高架、嘉闵高架、长沙湘府路高架等项目中都大规模实现了桥墩及盖梁的装配化。装配式桥梁基础的主要形式为预应力混凝土管桩，其标准化设计、离心预制、成桩工艺成套技术在中国也十分成熟，应用广泛。
现有装配式桥梁结构及安装工艺也存在以下问题：① 由于承台体量较大，难以实现预制装配化，导致基础结构现浇量仍然较大；
② 桥墩及盖梁主要采用履带吊安装，安装过程中占地面积大，对既有交通干扰大；
③ 预制构件的运输对便道、栈桥等临时结构要求较高，造成临时措施费偏高，进一步降低了装配式桥梁的经济性。
为充分发挥装配式结构的优势，国内外对全预制装配式桥梁的一体化安装进行了探索。如莱淡布隆大桥项目，采用一种移动方便的轻型钢平台安装全预制装配式桥梁，实现了对保护区的零干扰，但该工艺仅适用跨径较小的桥梁；
哥伦比亚卡塔赫纳沿海高架桥以及美国华盛顿高架桥在穿越浅滩时，均采用了意大利DEAL公司研发的一体化架桥机进行施工，将预制墩柱、盖梁及主梁的安装变为流水线，但该装备自重大，安装工效较低。
该文依托某高速公路连续梁桥，提出全预制结构桥梁的构造形式及配套的施工工艺与施工装备，进一步优化装配式桥梁一体化安装工艺及装备，以便为同类型桥梁施工提供参考。
由于上部结构装配化比较成熟，该文不再赘述，选用经济性好、预制简单、安装方便的标准化预应力混凝土T梁作为全预制拼装体系上部结构。该文重点针对基础的装配化进行探讨。
1.1 装配式基础
承台的装配化是实现全预制桥梁的难点，但也有一些工程开展了承台装配化的尝试。
美国Sarah Mildred Long桥，其承台采用了分块预制外壳结合填芯混凝土的部分预制结构形式(图1)。预制外壳上通过布置肋板来增大刚度，避免薄壁预制构件在运输、安装过程中出现过大变形而破坏。分块安装时，先安装桩基顶面外壳，再安装桩顶外壳间的承台节段。节段之间通过环氧胶结合预应力钢束的形式进行连接。该半预制承台结构省去了模板安装工序，具有一定的经济、工效优势，但结构主体仍然以现浇工艺为主，现场施工效率提升有限。
图1 部分预制承台
为进一步提升装配化率，以港珠澳大桥为代表的项目采用了全预制承台(图2)。承台整体在预制场预制，整体承台上设有预留槽孔，现场安装完成后桩基顶部穿过槽孔，再在槽孔内后浇混凝土形成承台-桩基连接。全预制承台的现浇量极少，大幅提升了承台的施工效率及质量。但由于预制构件自重较大，全预制承台仅适用于运输、吊装条件较好的深水域桥梁。
图2 全预制承台
桩柱一体式桥墩具有占地面积小、土方处理量少的优势，在公路桥梁中应用广泛。由于桩柱一体式桥墩无需设置承台，可在实现结构的全预制装配化的同时保持结构的轻量化。文莱淡布隆大桥下部结构采用桩柱式桥墩，并实现了全桥的预制装配化。直径800 mm的PHC管桩既作为桩基施沉，同时地面段也作为桥墩与盖梁相连(图3)。由于不设置承台，且PHC管桩运输、安装方便，该项目施工工效达到了3 d/跨。
图3 预制桩柱式桥墩
由于目前承台装配化技术在应用过程中，受运输、安装限制条件较多。相较之下，预制桩柱式桥墩具有预制构件种类少、运输简单、分段轻量化方便等优势，为此，确立以预制桩柱式桥墩、整体预制盖梁为下部结构、横向装配式混凝土T梁为上部结构的全预制装配式桥梁体系。
1.2 下部结构预制构件连接形式
预制构件间的连接形式是装配式桥梁的关键构造，直接影响安装工效及结构受力性能。全预制桥梁下部结构主要包括预制桩柱节段间的连接与墩柱-盖梁连接(图4)。预制桩柱式桥墩采用PHC管桩，PHC管桩节段通常采用预埋钢端板、节段间焊接的干连接方式，具有施工速度快、受力性能好的优点。
图4 预制桩柱-盖梁连接构造
目前，桥墩与盖梁的连接方式主要有灌浆套筒连接、灌浆波纹管连接、现浇湿接缝连接等。其中灌浆套筒应用最为广泛，但目前灌浆套筒价格较高，单个接头造价增加约2万元，大规模应用经济性较低；
灌浆波纹管连接工艺简单、经济性好，但存在灌浆密实度无法检测的问题；
现浇接头整体性好，但后浇等强时间长，难以体现快速装配化的优势。为此，提出采用超高性能混凝土(UHPC)为后浇材料的现浇连接(图4)，UHPC具有超早强性能，其1 d强度即可达50 MPa以上，连接接头具有功效高、整体性好、耐久性高等诸多优势。
2.1 工程概况
某高速公路桥梁采用预制桩柱式桥墩+预制盖梁+横向装配式T梁的全预制拼装体系(图5)，标准跨径16 m，全长5.43 km，共343跨。各结构尺寸及重量如下：① 预制桩柱尺寸为φ800 mm，壁厚110 mm，长度15 m/节，最大吊重为9.6 t；
② 预制盖梁尺寸为1 m×1.6 m×18.95 m，最大吊重为70 t；
③ 预制T梁梁高0.9 m，单根最大吊重17.7 t。
图5 依托工程下部结构构造图(单位：mm)
2.2 常规工艺
2.2.1 打桩锤+履带吊
桩柱式桥墩可采用履带吊配合打桩锤进行沉桩施工，预制盖梁及T梁均可采用履带吊进行安装，如图6所示。其特点如下：① 履带吊对场地条件要求高，工艺对场地适应性较差；
② 构件运输需设置便道，沿线占地面积多，对周边环境、交通干扰较大；
③ 工作面零散，需大量人工辅助，施工组织较困难。
2.2.2 打桩锤+履带吊+架桥机
履带吊+打桩锤沉设预制管桩、履带吊安装预制墩柱及盖梁、架桥机安装预制主梁的工艺也是目前的常规做法(图6)。特点：① 上下部预制构件安装，可形成独立的工作面，施工组织安排方便；
② 预制T梁可在已成梁上运输，可减轻预制构件运输压力；
③ 由于履带吊安装沿线下部结构，仍存在便道占地面积大、履带吊站位处场地需处理的问题。
图6 常规预制构件安装工艺
2.3 一体化架设装备及工艺
2.3.1 一体化架桥机
一体化架桥机分为3跨，可作为3个独立工作面同时工作：首跨为悬臂跨，在本跨配置了可移动、可旋转的打桩机(图7)，因此悬臂跨可用作施沉桩柱式桥墩的工作面，同时可配合主天车进行预制盖梁的安装；
中跨可用于装配式主梁的安装；
尾跨为提梁跨，满足预制构件在已成梁上运输、起吊的需求。为降低设备总体造价，在架桥机上设置索塔及拉索来降低架桥机主梁工作时的应力水平，从而减少设备主梁用钢量。
架桥机前支腿锚固于已安装盖梁上，前中支腿及后中支腿支承于已成梁段上。架桥机上搭载的打桩机可在架桥机主梁上纵向移动，也可以进行旋转：预制桩柱式桥墩从尾部运输至前端时，打桩机处于水平状态，此时，构件与导向架进行固定；
随后，打桩机连同构件一起旋转竖直，转换为打桩状态。当悬臂跨架设预制盖梁时，打桩机可以水平姿态纵向移动至中跨，为盖梁的安装让出空间。
图7 一体化架桥机
2.3.2 一体化架设工艺
一体化架桥机安装全预制装配式梁桥步骤如下：
(1) 线路的始发跨可采用龙门吊或履带吊进行安装，一体化架桥机散件在始发跨拼装成形，并开始预制构件的安装；
打桩机初始状态为水平，与架桥机主梁平行。
(2) 预制桩柱从始发跨由运梁车运输至架桥机提梁区，由起重天车抬吊起升，前移至打桩机处并缓慢下放，将桩柱与导向架进行固定；
随后打桩机旋转为竖直状态，对沉桩平面位置进行复核后开始打桩作业；
通过架桥机横移并重复上述步骤，完成单幅桥同一里程的所有预制桩柱施工。
(3) 打桩机旋转为水平状态并向后移动至架桥机中跨位置，下放桩顶钢筋笼；
盖梁由运梁车从始发跨运输至架桥机提梁区，并由前主天车起吊、运输至桩位，盖梁在水平平面旋转90°并下放，盖梁下放至设计高程后，与桩柱临时固定。
(4) 主梁同样采用运梁车梁上运输，在提升跨通过两起重天车抬吊，前移至桥位处，平面位置复核完成后即可下放；
同一跨横向其余主梁通过架桥机横移完成架设。
(5) 浇筑盖梁预留槽孔，完成盖梁与桩柱的连接；
同时安装主梁湿接缝模板，浇筑主梁纵向湿接缝并养护。
(6) 架桥机准备过跨，后中支腿由起重天车倒运至前支腿旁，并锚固于已成梁段上，随后将前支腿倒运至后浇材料养护完成的盖梁上并锚固；
架桥机主梁由中支腿驱动前移，后支腿在轨道上滑移，架桥机到达设计里程后，过跨完成。
根据上述安装步骤，一体化架桥机完成一跨构件的安装工期为5 d(表1)。
表1 一体化安装工效
由于线路较长，为缩短工期，线路两端同时开始施工。分别采用打桩锤+履带吊、打桩锤+履带吊+架桥机、一体化架桥机3种方案进行安装，其安装工效、主要设备投入、主要临时措施费用对比如表2所示。
表2 不同安装工艺对比分析
续表2
对比分析表2可见：① 一体化架桥机相较于常规方案，总工期增加23.8%，但设备费及临时措施费节省约50%，成本优势明显；
② 对于滩涂、浅海等场地处理难度大，设置临时便道或栈桥造价高的环境下，一体化架桥机优势更为显著；
③ 一体化架桥机将设备集成于一体，工序衔接紧密，组织管理更为高效。
(1) 带承台的桥梁结构目前较难实现全预制装配化，预制外壳承台结构仅节省了现场承台模板的安装时间，对总体工效提升较小。
(2) 预制桩柱式桥墩+预制盖梁+预制T梁的全预制装配式桥梁结构体系避免了大型承台，轻便的预制构件在预制、运输及安装上更为有利。
(3) 集成了打桩设备的一体化架桥机实现了全预制桥梁的一体化安装，实现了安装过程中对周边环境、交通的零干扰。
(4) 相较于传统的施工工艺，一体化架桥机在施工工效相差不大的情况下，装备费及临时措施费投入节省约50%，经济优势明显。
(5) 对于环保要求高、安装场地条件差的自然生态区、滩涂、浅海等长线桥梁项目，设置栈桥或便道措施费用较高，一体化架桥机的优势更为显著。
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