裝配式橋樑的應用前景分析
為克服傳統橋樑建造模式存在的弊病，促進裝配式橋樑發展，本文透過與傳統建橋方法進行比較，分析了裝配式橋樑的優點，特別是在建造速度快、建設質量高、交通影響小、節能環保優等方面的突出優勢；闡述了裝配式鋼筋混凝土箱梁、鋼箱梁、鋼-混凝土組合結構、預製橋面板等上部結構拼裝，以及裝配式橋樑墩柱、橋臺等下部結構拼裝的發展現狀；最後從鋼結構及鋼-混凝土組合結構、新型材料、BIM技術等方面，提出一些值得進一步研究的建議，以期促進裝配式橋樑建設技術的進步和創新發展。
關鍵詞：裝配式橋樑；裝配式鋼筋混凝土箱梁；裝配式橋墩；新型材料；
引 言
裝配式建造是一種施工方式的創新，把在工廠模組化生產加工的裝配式構件，運送到施工現場，透過吊裝並整體裝配而成［1］。裝配式建造具有設計標準化、產品模組化、生產工廠化、裝配機械化、管理精細化等特點［2］，在節能減排、環境保護等方面具有極大的優勢，因此受到國內外學者的廣泛關注。學者們透過與傳統建造模式進行對比，普遍認為裝配式建造可以提高生產效率、提高工程質量，縮短施工工期，減少勞動力，減少能源消耗［3］。相比於西方國家，我國建築裝配化程度不高，市場尚未成熟，缺乏設計施工經驗，在推廣應用中主要存在以下幾個方面的問題：標準體系不健全、建築多樣性與標準化之間存在矛盾、成本偏高、產業化隊伍亟待培育等［4］。目前我國將建築產業現代化提升到了前所未有的戰略高度，從政策支援到科研投入等多方面推動裝配式建築的發展。
本文首先分析裝配式橋樑的優勢，再從上部結構拼裝、下部結構拼裝兩方面介紹裝配式橋樑的發展現狀，最後對裝配式橋樑的發展前景做了展望。
1 裝配式橋樑的優勢
目前，我國的公路和城市橋樑多數採用現澆混凝土這種傳統橋樑的建造模式，施工週期長、對交通影響較大、整體耗能高、現場施工人員多、工人勞動強度大。美國早在1970年開始，便啟動了ABC計劃，即橋樑快速施工，工廠化預製主樑、橋面板及橋臺等，再運到現場橋位進行現場快速拼裝。這一施工方法大大加快了橋樑的建造速度，減小了橋樑建設對交通及環境的不利影響［5］。
相對於傳統建橋方法，裝配式橋樑的優勢主要表現在［6］：
（1）施工效率高。模組化設計及預製裝配，流水化作業程度高，可縮短工期、提升質量、大大減少橋樑施工的現場作業，對城市交通流的影響也可降到最低。
（2）節能環保。預製構件均已在工廠內製作完成，節約模板用材及施工場地，避免了現場施工對環境的汙染，同時降低施工噪音，減少現場物料堆放，等。
裝配式橋樑具有傳統橋樑建造方法無法比擬的諸多優點，符合我國節約資源、保護環境的理念，是我國橋樑建造業可持續發展的大趨勢。
2 裝配式橋樑的發展現狀
2.1上部結構拼裝
2.1.1 裝配式鋼筋混凝土箱梁
裝配式鋼筋混凝土箱梁。沿縱向把橋樑的梁體劃分為節段，在工廠預製後運輸至現場橋位進行組拼，並施加預應力使之成為整體［7］。節段預製拼裝法主要有長線法和短線法［8］［9］。
（1）長線法
長線法是按照橋樑底緣曲線製作一個足夠長度的固定臺座，依次序逐塊預製，完成半跨至整跨主樑，再脫離節段。該方法為傳統技術，施工相對成熟，但對臺座基礎要求高，當橋樑縱坡變化大時，難以適用。
（2）短線法
預製臺座的底模為一個節段的長度，一側採用端模，另一側利用預製完成的相鄰節段作為端模，逐段預製。短線匹配法節段預製拼裝，靈活機動性大，施工速度快，適於梁段型別變化多的橋型，但對模板的靈活性和剛度要求較高，施工精度要求高。
按照預製節段之間不同的連線形式，可劃分為溼接縫、膠結縫和幹接縫等。三者區別在於相鄰預製梁段間填充物不同，填充材料包括混凝土或乾硬性水泥砂漿、環氧樹脂等，幹接縫透過榫頭和預應力完成連線［10］。隨著起重裝置能力提升，大節段整體吊裝方法越來越多的用於橋樑建設；減少了拼接縫的數量，將製造及主要的控制工作轉移到製作工廠內；減小了現場控制的難度，易於保證施工質量，建造速度更快。
廈門集美大橋總長3470m，分為道路橋和BRT橋兩大部分，跨徑佈置均為55m+2×100m+55m，兩座橋共長620m，根部梁高5。6m，跨中梁高3m；採用短線法預製拼裝［11］。集美大橋節段拼裝如圖 1所示。
圖 1 集美大橋節段拼裝
廈門BRT高架橋坐落在交通極度繁忙的廈禾路和蓮前路上，需縮短施工工期，減少對現有交通的影響。採用預製節段拼裝連續箱梁，其中廈禾路段內預製拼裝總長3512m，蓮前路及聯絡線段內預製拼裝總長3330m。施工現場照片如圖 2所示。
圖 2 廈門BRT高架橋施工現場照片
2.1.2 裝配式鋼箱梁
港珠澳大橋採用約16km的鋼箱梁和6km的組合梁，是國際上建設規模最大的海上鋼結構長橋。鋼箱梁自重較輕，在橫風作用下穩定性好，抗震效能好［12］。港珠澳大橋如圖 3所示。
圖 3 港珠澳大橋
2.1.3 裝配式鋼-混凝土組合結構[13]
（1）鋼桁腹組合梁
鋼桁腹預應力混凝土組合梁橋採用鋼桁式腹杆代替混凝土腹板，是一種新型組合結構橋樑，適用於中等或大跨徑橋樑結構。如南京繞城高速江山車行天橋（見圖 4）和深圳大學1號橋（見圖 5）。
圖 4 南京繞城高速--江山車行天橋
圖 5 深圳大學1號橋
（2）裝配式組合鋼箱梁
裝配式組合鋼箱梁採用耐候鋼、波形鋼腹板等新材料，結合雙鋼箱閉合截面新工藝，提高了承載能力，使得橋樑結構更輕盈，如京港澳高速保定互通小半徑曲線橋，其橋墩、蓋梁、主樑均實現了工廠化生產和裝配化施工，見圖 6所示。
圖 6 裝配式組合鋼箱梁在曲線橋中的應用
（3）波形鋼腹板組合梁
波形鋼腹板組合梁，把預應力混凝土箱梁中的混凝土腹板採用波形鋼板替代。工廠預製波形鋼腹板工字組合梁如圖7所示。
圖 7 波形鋼腹板工字組合梁
常莊水庫橋也採用波形鋼腹板PC組合箱梁，如圖8所示。
圖 8 常莊水庫大橋
（4）波形鋼腹板-鋼管混凝土組合梁
波形鋼腹板-鋼管混凝土組合梁橋，該橋型結構新穎，由混凝土頂板、鋼管混凝土下弦杆、波形鋼腹板組合而成，其中波形鋼腹板-鋼管混凝土製造中的空間曲面焊接問題是結構難點（見圖9）。
圖 9 組合梁製造
（5）H型波形鋼樑-GFRP橋面板組合梁
H型波形鋼樑-GFRP組合橋面板組合梁，主樑採用H型波形鋼樑，橋面板採用GFRP橋面板。工程例項：京港澳高速柏鄉服務區人行橋（如圖10所示）。
圖 10 京港澳高速柏鄉服務區人行橋
（6）鋼箱組合梁
將混凝土橋面板與半閉合鋼板箱梁連線成整體，形成鋼箱組合梁。這種組合梁能夠充分發揮鋼材所具有的抗拉效能和混凝土所具有的抗壓效能。採用該結構形式的邢衡高速沙窩溝北支大橋如圖11所示。
圖 11 沙窩溝北支大橋
（7）鋼板組合梁
鋼板組合梁由外露的工字型鋼與鋼筋混凝土頂板透過剪力鍵連結形成的一種組合結構。該橋型充分發揮了鋼材和混凝土各自的材料效能，承載力高、抗震效能和動力效能好、施工快捷。採用該結構形式的曲港高速主線橋如圖12所示。
圖 12 曲港高速公路主線橋
（8）鋼桁組合梁
鋼桁組合梁以鋼管或型鋼作為主要受力構件，主樑由上、下弦杆、腹杆和混凝土橋面板組成，是一種具有高強度、高剛度、高穩定性的鋼桁組合梁。採用該結構的雅西高速幹海子大橋如圖13所示。
圖 13 雅西高速--幹海子大橋
2.1.4 預製橋面板
預製橋面板主要為全厚度混凝土橋面板，採用剪力鍵與主樑進行連線。一般有鋼格構橋面系、波紋鋼橋面系和華夫板橋面系。其中波紋鋼橋面系是利用螺栓將波紋鋼板固定在主樑上，用混凝土或瀝青混凝土灌注填平［14］。湖州五一大橋人行橋預製橋面板（如圖14所示）。
圖 14 湖州五一大橋預製橋面板
2.2下部結構拼裝
2.2.1 裝配式橋樑墩柱
橋墩通常包含帽梁、墩柱、承臺和基礎4個部分，裝配式橋墩將橋墩分解成若干構件，如承臺、柱、蓋梁（墩帽）等，在工廠或現場集中預製，再運送到現場裝配成橋墩［14］，如圖15所示。相關研究表明，採用合理連線型式與構造措施是實現快速橋墩拼裝的關鍵，拼裝墩柱的效能與現澆混凝土墩柱等同，甚至具有更好的動力特性，可在中、高地震區應用；目前對預製拼裝橋墩的研究和設計分析較多，而對預製拼裝橋臺研究相對較少，這方面有待加強［15］。
圖 15 分節式墩臺示意圖
2.2.2 裝配式橋臺
橋臺通常包含帽梁、臺身、翼牆和基礎4個部分，構件的劃分與連線方式與橋墩類似。由於橋臺相對橋墩數量少，故相關的研究和應用更少一些。典型形式有承插式預製拼裝橋臺（圖16）和H型鋼樁［14］。
圖 16 承插式預製拼裝橋臺
3 裝配式橋樑的應用前景分析
3.1 鋼結構及鋼-混凝土組合結構的應用
鋼結構橋樑適用於建造結構複雜、荷載很大、跨徑很長的橋樑，適合用於地震高烈度地區、地震重點設防區。我國受經濟社會發展水平和鋼材產能制約，鋼結構橋樑主要僅用於特大跨徑橋樑。隨著鋼鐵產能的提高和鋼結構橋樑建設技術的進步，我國已經具備推廣鋼結構橋樑的物質基礎和技術條件。當前，鋼鐵產能過剩、鋼材價格下降，是推進鋼結構橋樑建設、提升公路橋樑建設品質的良好契機，是促進鋼鐵行業轉型升級的重要舉措。目前，砂、石等建築材料供應越來越緊張，商品混凝土生產成無米之炊，全國商品混凝土生產產量會逐年下降，鋼結構在橋樑中的應用將成為大勢所趨（圖17-圖20）。
圖 17 梁與拱組合鋼橋
圖 18 梁與懸吊系統組合鋼橋
圖 19 梁與懸索+斜拉索組合鋼橋
圖 20 梁與斜拉索組合鋼橋
值得一提的是，鋼-混凝土組合結構橋樑，透過兩種材料的結合，可充分發揮混凝土抗壓和鋼材抗拉效能上的優勢，避免混凝土受拉開裂和鋼材受壓失穩。城市橋樑以中小跨徑橋樑居多，大跨度和特大跨度橋樑較少，鋼-混組合結構橋樑便有了廣闊的應用空間，可以發展成為我國城市中小跨徑橋樑的主要結構形式。
3.2 新型材料的研發及應用
超高效能混凝土（UHPC）和纖維增強聚合物材料（FRP）等新材料，可以大幅提高抗拉能力，橋面板引入UHPC和FRP等新型材料，能夠改善橋面板力學效能並提高耐久性［16］-［18］。應加快UHPC和FRP等新材料在快速橋樑施工中的應用，提升橋面板效能、施工工藝和質量控制水平。重點研究高效能混凝土材料的拌制及質量控制、混凝土橋面板架設的施工控制、現場橋面板間連線構造、鋼-混凝土剪力群釘連線的質量控制等。
3.3 BIM技術在橋樑建設中的應用
BIM技術作為一種高階的資訊整合技術，在工程建設領域得到了越來越多的推廣應用。BIM技術具有視覺化，協調性，模擬性，最佳化性和可出圖性等五大特點，它是以三維模型為載體的資料庫，是模型和資訊的共同體［19］。
BIM技術與裝配式橋樑在多方面存在一致性，主要體現在裝配式橋樑的核心是“整合”，而BIM突出資訊整合，契合裝配式體系發展需求，BIM技術可打通設計、採購、施工環節，真正實現設計施工一體化。可使工作流程整合化，提高設計質量，提升施工和運維管理水平［20］。因此，在裝配式橋樑工程中應用BIM技術對整個工程專案的意義重大。在設計階段，利用Revit等引數化建模工具建立橋樑三維實體模型，透過碰撞檢測，及時調整以避免後期設計變更，提高設計質量；在施工階段，引入BIM技術4D、5D特性，更好地動態精細化管控專案進度、成本等，最佳化施工方案，確保橋樑工程的施工質量，減少風險和提高建設管理水平；在運營管理階段，包含設計、施工階段及專案其它建造資訊的BIM模型，可整體傳遞至運管部門，進而可提高運營管理、檔案管理水平。
4 結語
橋樑的裝配式建造是加快施工速度、減少現場汙染、實現低碳化建設的有效手段。在國家政策的引導下，裝配式橋樑結構在各類工程中雖已得到了部分應用，但還遠未完全推廣，發展的潛力巨大。我國是產鋼大國，但不是鋼結構應用強國。在橋樑工程中應用鋼結構的比例較低，與發達國家佔50-60%的比重相比，還有很大的差距。隨著政府對鋼結構應用的鼓勵和扶持，特別是我國經濟持續高速增長，規模大、跨徑長的特大型橋樑等大批建設專案待建，為鋼結構橋樑提供了廣闊的應用前景。
裝配式橋樑在後續的發展過程中，應重視鋼結構及鋼-混凝土組合結構的應用。加快UHPC和FRP等新材料的推廣應用，改善橋樑的力學效能，提高橋樑的耐久性。透過BIM技術推動裝配式橋樑的發展，將橋樑建造從傳統的作業方式向現代化施工模式提升，減輕橋樑在建造、使用、拆除的全生命週期內對環境資源的壓力，提高橋樑的現代化建設管理水平。
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