快速施工橋梁-李國平

1、 土木工程研究進展與研究方法讀書報告題 目：快速施工橋梁指導老師：李國平老師姓 名：學 號：2017年11月26日近年來，我國國民經(jīng)濟發(fā)展和國家政策也不斷的改變，現(xiàn)代化建設(shè)快速發(fā)展，國民對于生活質(zhì)量的要求也大大地提高了。當前城市橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計正面臨的主要挑戰(zhàn)之一就是業(yè)主和居民除了要求橋梁結(jié)構(gòu)安全和耐久以外，還要求通過快速施工來減少對周圍交通的干擾、縮短阻塞時間、降低運輸車輛和施工中產(chǎn)生的各種噪聲等。這些要求的提出促進了快速施工橋梁在城市橋梁建造中的應(yīng)用。此外，巨大的跨海峽橋梁工程，有限的海上施工平臺空間和海上復雜的氣候條件等因素的限制，也促進快速施工橋梁的應(yīng)用。本文結(jié)合李國平老師講座及個人抗震方

2、向進行了一些調(diào)查工作?？焖偈┕蛄?，英文全稱為Accelerated Bridge Construction（ABC），主要目的在于加快橋梁建設(shè)速度，降低工程總造價，最大程度地減少對既有交通的不利影響?？焖偈┕蛄合喈斢谘b配式橋梁，ABC 橋梁與傳統(tǒng)現(xiàn)場施工的橋梁相比，主要具有以下幾點優(yōu)勢：（1）由于大量采用預制構(gòu)件，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行快速拼裝，最大程度地減小橋梁施工對現(xiàn)有交通的影響及交通管制引起的巨大費用。（2）快速施工橋梁的總造價取決于預制裝配化的程度。結(jié)構(gòu)的預制裝配化程度越高，橋梁的總造價就越低。當綜合考慮除橋梁結(jié)構(gòu)以外的工程造價和后期使用階段的養(yǎng)護維修費用，快速施工橋梁的經(jīng)濟性更佳。（

3、3）快速施工橋梁可最大程度地減少工人現(xiàn)場施工的工作量，增加施工現(xiàn)場的安全性。（4）減少重型施工機械的數(shù)量和重型施工機械在施工現(xiàn)場停留的時間，保護自然環(huán)境。（5）工業(yè)化的生產(chǎn)模式，提升結(jié)構(gòu)構(gòu)件和成橋的整體施工質(zhì)量，同時對損壞的構(gòu)件進行替換更為簡便。1 快速施工橋梁的組成快速施工橋梁的組成包括上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)以及連接系統(tǒng)。預制構(gòu)件在工廠預制生產(chǎn)，一般可按上下部結(jié)構(gòu)將其劃分成基礎(chǔ)、橋墩或臺身（單個或多個節(jié)段）、蓋梁、主梁及橋面系等預制構(gòu)件，通過連接構(gòu)造或連接件進行拼裝。1.1 上部結(jié)構(gòu)1.1.1 主梁預制主梁有板梁、多室小箱梁、混凝土倒T 梁、雙T梁、組合式T形梁、預應(yīng)力混凝土馬蹄形T 梁等幾種形

4、式。（a）預制實心板梁(b)預制空心板梁(c)預制T梁(d)預制雙T（）梁(e)預制組合式T梁圖1 預制主梁形式（1）預制實心板梁。實心板梁適用于跨徑 20 m的小跨徑橋梁，通常用于三跨以下的橋梁。在澆筑鋪裝層前將板梁的表面鑿毛，以利于兩者之間的粘結(jié)。橋梁的縱向用剪力鍵連接，不張拉預應(yīng)力。為了防止橫向和縱向發(fā)生梁體的滑移，在梁端設(shè)橫向和縱向防滑塊。（2）預制空心板梁?？招陌辶嚎捎玫目鐝椒秶容^大，但是它有縱向接縫，相對成本更高。這種主梁不用現(xiàn)澆混凝土面板，但是為了減輕縱向接縫的泄漏和耐久性問題，可以澆筑鋪裝層和張拉橫向預應(yīng)力鋼束。小箱梁的縱向也可以張拉預應(yīng)力，以用于更大跨徑的橋梁。（3）預制倒

5、T梁。倒T 梁的橫截面是底部帶有翼緣的矩形截面，翼緣起著支架作用。2 片倒T 梁并排在一起，翼緣形成通道。2 片主梁伸出來的彎起鋼筋在通道里發(fā)生交叉，在通道中放置鋼筋籠后進行現(xiàn)澆。雖然這種主梁可以大大提高施工速度，但是實心截面不能充分利用混凝土。（4）預制多T梁。根據(jù)梁體寬度的需要，將梁預制成截面為雙T梁、三T 梁甚至是四T 梁的形式。德州的多T 梁通過焊接錨板加灌漿進行連接。美國東北PCI 的標準，對主梁翼緣伸出的蘑菇頭加強鋼筋位置進行灌漿，實現(xiàn)相鄰主梁的連接。（5）鋼混組合梁。鋼混組合梁在美國運用較多，由預制好的鋼梁和混凝土面板組成，混凝土面板在施工現(xiàn)場通過高性能混凝土來完成橫向和縱向連接

6、。當混凝土面板與鋼梁共同作用后，再進行縱向預應(yīng)力鋼束的張拉。1.1.2 預制橋面板預制橋面板的主要類型有：全高預制橋面系、半高預制橋面系、鋼混組和橋面系、纖維聚合物混凝土橋面板、鋼質(zhì)開口格構(gòu)式橋面系、木質(zhì)橋面系。（1）全高預制橋面系。為傳遞板單元的剪力和彎矩，相鄰兩預制板單元在強度方向設(shè)置一個早強現(xiàn)澆鉸接縫即可；在分布方向，則采用灌漿剪力鍵和縱向預應(yīng)力。橋面板和鋼梁或混凝土主梁的連接，通過剪力連接件來實現(xiàn)。（2）半高預制橋面系。在預制橋面板搭設(shè)后，需現(xiàn)澆一層混凝土。兩者之間通過預制面板鑿毛即可連接。為讓橋面板和鋼梁或混凝土梁作為一個整體工作，兩預制板單元的間隙設(shè)置焊接剪力釘，在澆筑頂層混凝土時

7、完成混凝土的縫隙填充。（3）鋼混組和橋面系。鋼混組合橋面系分成部分填充格構(gòu)橋面和Exodermic橋面2 種。部分填充格構(gòu)橋面板在鋼格構(gòu)橋面放置后，在其上半部分澆筑混凝土。Exodermic 橋面鋼格構(gòu)上的混凝土是預先放置的。橋面板之間通過螺栓或焊接連接，和主梁的連接與全高預制橋面板相似。（4）纖維聚合物混凝土橋面板。纖維聚合混凝土橋面板常用的纖維有玻璃纖維和碳纖維。纖維聚合物的彈性模量相對較低，但滿足橋面板要求。橋面板單元之間的連接通過剪力鍵連接，既通過焊接剪力釘或螺栓與鋼梁連接, 又采用高強環(huán)氧膠結(jié)劑連接。（5）鋼質(zhì)開口格構(gòu)式橋面系。鋼質(zhì)開口格構(gòu)式橋面板常用于需要輕質(zhì)橋面系的可移動橋或者懸

8、索橋。這種橋面系是一個框架體系，由搭在梁之間的主桿單元和平行于梁方向的橫向交叉單元組成。相鄰預制橋面板、橋面板與主梁的連接通過螺栓或現(xiàn)場焊接進行連接。（6）木質(zhì)橋面系。預制的木質(zhì)橋面板用膠覆膜工藝生產(chǎn)，木質(zhì)橋面板的防腐通過壓實來實現(xiàn)，板單元間的連接采用防水的膠結(jié)劑。木橋面板間的連接通過在中間板厚處設(shè)置鋼銷釘，并在主梁間設(shè)置傳力梁。為了防止上覆蓋層出現(xiàn)反射裂縫，在鋪裝層和橋面板間設(shè)置一層土工織物。1.2 下部結(jié)構(gòu)( 1) 橋墩蓋梁。蓋梁的截面形式主要有兩種，分別為矩形與倒T 型。如果橋梁寬度較大，或者是吊裝能力相對較弱，則可將蓋梁預制成多個分段，然后進行分別連接。對于蓋梁和墩身立柱之間的連接，通

9、常會選取機械耦合連接器; 蓋梁和鋼排架樁墩之間的連接通常選取焊接方式; 蓋梁和排架空心管樁之間的連接，需要把鋼筋設(shè)置在預留孔道當中，然后通過混凝土澆筑完成連接; 蓋梁和混凝土排架樁墩之間的連接，需要先在蓋梁上預留一定空間，然后在連接完成后進行混凝土澆筑。( 2) 墩柱?？焖偈┕蛄憾罩话泐A制成全高或者是分段形式拼裝，截面的形式較為多樣，主要包括矩形、圓形與工字型等。墩柱的連接方式主要有三種: 其一為將墩柱嵌入至墩帽當中；其二為借助灌漿耦合器；其三為采取預應(yīng)力筋連接。為確保蓋梁和墩柱連接牢靠，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況選取最佳的連接方式，可選方式有: 承插式連接，灌漿套管以及波紋管連接等。對于墩柱和承

10、臺之間的連接，大多會運用現(xiàn)澆連接法。在海洋工程當中，應(yīng)結(jié)合高樁采用有效措施保證連接可靠性。( 3) 橋臺懸臂橋臺。按擋墻高度可將橋臺分為兩種類型，即為高擋墻與低擋墻。其中，低擋墻橋臺主要安裝于路堤上端，長度相對較小，用于阻擋上部土壤。而高擋墻橋臺主要安裝于高路基邊坡，橋臺和承臺之間存在凹槽，在凹槽處完成橋臺和承臺之間的連接。預制埋置橋臺。運用這種橋臺可大幅降低土壓力，若不考慮結(jié)構(gòu)物所處位置，則預制埋置橋臺與橋墩是較為相似的。此外，在之前提到的墩柱連接方式也可在此橋臺中使用。( 4) 基礎(chǔ)。相比之下，混凝土空心樁有著很好的經(jīng)濟性特點，但其整段長度較大，會受到運輸條件等方面的影響，因此在實際情況中

11、可將其分為多個節(jié)段再進行拼裝。1.3 連接系統(tǒng)( 1) 灌漿套管。灌漿套管為全新的鋼結(jié)構(gòu)連接方式，其原理為在套筒和被連接鋼材之間的環(huán)形間隙中填充一定量的灌漿料，進而實現(xiàn)鋼材連接。為有效提升黏結(jié)強度，減少重疊距離，可適時采取改進措施，如預應(yīng)力灌漿等。( 2) 機械耦合器。機械耦合器的使用十分廣泛，其類型也較為多樣，常用的有: 扣壓連接器、剪力螺栓耦合器等。3) 金屬波紋管。構(gòu)件當中預先埋置了相應(yīng)的金屬波紋管，在完成鋼筋穿束以后實施灌漿，從而實現(xiàn)和預制構(gòu)件的連接。金屬波紋管連接對于錨固長度的要求較為嚴格，雖然這種連接方式存在一定局限性，但它的結(jié)構(gòu)十分簡單，且成本低廉，在實際建設(shè)過程中有著廣泛的應(yīng)用

12、。（4）承插式連接通過將預制橋墩的鋼筋伸入預制蓋梁的鋼管內(nèi)，或者將預制墩柱整體伸入預制蓋梁鋼管內(nèi)，之后澆注混凝土使橋墩和蓋梁連接成整體。該方法也可用于橋墩與承臺的連接以及預制承臺與樁的連接。（a）灌漿套管（b）鋼筋錨固（c）橋墩與承臺承插式連接（d）預制承臺與樁連接圖2 連接方式2 快速施工橋梁發(fā)展2.1 新材料的應(yīng)用（1）高性能混凝土(HPC)。高性能混凝土由于其抗彎拉壓強度高、耐久性好等優(yōu)點，應(yīng)用于快速施工橋梁中提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量、降低預制構(gòu)件和系統(tǒng)的重量。其次，各種輕質(zhì)高強混凝土（LWC）在快速施工橋梁也有所應(yīng)用。（2）纖維增強聚合物(FRP)?？垢g性與抗疲勞性提高的輕質(zhì)復合材料，

13、是目前結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中非常需要的。經(jīng)過十余年的創(chuàng)新橋梁研究與施工方案，F(xiàn)RP 復合材料技術(shù)已經(jīng)成功運用在橋梁結(jié)構(gòu)中。FRP 復合材料應(yīng)用于預制橋面板或橋面鋪裝，改善橋面系及鋪裝的性能，避免橋面裂縫的出現(xiàn)，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。（3）形狀記憶合金。形狀記憶合金在墩柱塑性鉸區(qū)豎向鋼筋中使用，可提升墩柱抗震能力。通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，這種材料可從本質(zhì)上提高結(jié)構(gòu)抗震水平，并能降低永久殘余位移，有著很好的推廣與使用價值。2.2 存在的問題2.2.1 試驗研究中發(fā)現(xiàn)的問題（1）截面破壞形態(tài)改變。破壞裂縫形成方式隨接縫和荷載位置而變化，且剪切破壞可能以豎縫的形態(tài)出現(xiàn)，因而箍筋可能不起抗剪作用。（2）裂縫寬度控制問題。

14、混凝土開裂控制及裂縫寬度估算及控制尚不完善。（3）接縫截面抗裂和耐久性能下降。接縫無骨料貫穿，砂漿層強度低于混凝土，易拉脫；接縫截面的碳化系數(shù)、氯離子擴散系數(shù)均明顯大于無接縫部位；被認為耐久性能相對較好環(huán)氧膠接縫，沒有顯示更好的耐久性能。2.2.2 全橋使用過程維護快速施工橋梁的預制構(gòu)件按照仿真設(shè)計準則設(shè)計，這意味著快速施工橋梁的使用性能和傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土橋梁幾乎相同。對于橋面系而言，只要設(shè)計施工合理，除了進行傳統(tǒng)橋梁的檢查維護，其使用過程中無需額外維修?？焖偈┕蛄汉苌俪霈F(xiàn)問題，但檢查和維護依舊重要。尤其對于結(jié)構(gòu)的連接部位，比如受到濕氣和鹽分侵蝕的承臺與橋墩的連接處，長期作用下很容易發(fā)生性能

15、退化。因此，對于這些比較重要的連接部位，需要定期監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時維護。2.2.3 接頭疲勞測試快速施工橋梁的建設(shè)中存在大量接頭，在某些連接薄弱或缺陷部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導致接頭處的疲勞破壞。接頭處的可靠程度直接影響快速施工橋梁的耐久性和使用壽命。對接頭處的受力分析，進行有限元軟件模擬以及必要的破壞實驗，研究接頭處的受力特性，從而創(chuàng)造或改進接頭處的構(gòu)造，具有十分重大的意義。3 快速施工橋梁抗震性能研究進展橋梁上部結(jié)構(gòu)的震害主要有自身震害，一般為鋼結(jié)構(gòu)的局部屈曲破壞；移位震害，即在設(shè)置伸縮縫處出現(xiàn)縱向、橫向及扭轉(zhuǎn)移位；碰撞震害，橋梁在地震中碰撞產(chǎn)生的震害。對于混凝土連續(xù)梁橋，上部結(jié)構(gòu)自身

16、發(fā)生破壞的現(xiàn)象較為少見。震害資料表明，墩柱的彎曲破壞和剪切破壞在地震中極為常見。墩柱彎曲破壞是延性的，主要是由于約束箍筋配置不足、縱向鋼筋的搭接或焊接不牢引起墩柱的延性能力不足；墩柱剪切破壞是脆性的，往往造成墩柱及上部結(jié)構(gòu)的倒塌。故對快速施工橋梁抗震性能的分析主要針對橋墩進行?？焖偈┕蛄轰摻罨炷龢蚨盏睦碚摲治龇椒ㄓ薪馕龇椒?、纖維模型、鋼筋混凝土實體有限元模型三類，其中解析方法只能從宏觀上反映結(jié)構(gòu)在彈性和極限狀態(tài)時的性能；纖維模型分析方法也只能從宏觀上反映結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展過程和構(gòu)件中混凝土的開裂壓碎及鋼筋的屈服。而實體有限元方法除了具有上述兩種方法的功能外，還可以反映構(gòu)件細部的受力變形過程，特別

17、是描述混凝土裂縫的形成和擴展，適合較復雜的結(jié)構(gòu)的受力分析，但是該方法目前存在的問題較多，如計算效率較低，算法不穩(wěn)定等，仍需進一步研究。對于采用十接縫和膠接縫連接的節(jié)段拼裝墩進行理論分析的難點主要是預應(yīng)力筋和接縫區(qū)域力學特性的模擬。（1）解析方法解析方法是指通過公式推導得到重力和水平地震荷載作用下，墩頂荷載一位移骨架曲線的方法。該方法突出的優(yōu)點是可以直接用于設(shè)計公式的確定。推導時采用的假設(shè)包括：平面變形假設(shè)，預應(yīng)力筋保持彈性，不考慮可能產(chǎn)生的鋼筋黏結(jié)錨固失效等。（2）纖維模型法纖維單元模型早期是基于力法，現(xiàn)在一般基于位移法的彈塑性纖維梁單元。彈塑性纖維梁單元的基本假定有：小變形假定、平截面假定、同一彈甥性纖維梁單元中截面形狀和材料均相同、鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移忽略不計。（3）實體單元法鋼筋混凝土實體有限元發(fā)展已有40多年的歷史，理論上該分析方法可充分考慮混凝土的非線性、預應(yīng)力筋的作用和節(jié)縫的力學特征。采用實體有限單元法進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分析，