基于新材料与新结构的预制装配式桥梁发展趋势分析

李纯

（佛山市广佛肇高速公路有限公司，广东佛山528000）

0 引言

预制装配式桥梁由于具有施工快速以及质量可控的优点，在桥梁建设领域逐渐得到广泛应用。相对于现浇类桥梁，预制装配式桥梁对施工环境带来的影响性较小。但是，由于运输条件和施工装配技术的局限性，预制装配技术目前一般主要应用于较小跨径桥梁的主体以及大跨径桥梁的局部构造[1]。其局限性主要来源两个方面：一是施工现场的地势环境所带来的预制装配场地条件，对工程机械以及现场人员调动具有极大的挑战性；二是已有的运输条件无法满足预制构件的运输要求或者说运输存在安全隐患。

为了弱化预制装配式桥梁的局限性，工程领域在机械、材料、结构等方面，不断提高预制装配式桥梁的适用性。特别是近些年来对于新材料和新结构的不断发展、创新和优化，也刺激了预制装配式桥梁的突破。超高性能混凝土（UHPC）作为一种高强度且在桥梁领域逐渐广泛应用的混凝土材料，在基因上自带适合预制的特性，因此UHPC 预制装配式桥梁逐渐成为一种可行性方案，得到了广泛的关注。与此同时，伴随着多种高性能的土木工程材料的发展，为了充分地发挥材料的优势力学性能，组合结构开始在桥梁结构的主体和局部结构中广泛应用[2]。组合结构由于本身结构复杂，所以预制装配施工方式成了该类结构的主要施工方式。

将新材料和新结构应用于预制装配式桥梁，将会在传统预制装配式桥梁的基础上，出现新的突破和改观。在特性上，适于预制的新材料和新结构，将会给未来预制装配式桥梁的设计和施工带来明显的变化。在一定程度上，新材料和新结构会引领预制装配式桥梁的发展新浪潮。

1 预制装配式桥梁的发展

1.1 预制装配式桥梁的优势

随着快速化建设和施工质量可控的双重目的的提出，以及响应国家节能减排和保持环境的倡导，预制装配式桥梁被视为一种具有应用前景的桥梁类型。相比于施工现场现浇类桥梁，预制装配式桥梁在某些方面具有明显的优势：

1.1.1 工厂化制备保证了预制构件的质量可控。由于工厂在室内生产，预制构件的质量不会因为天气的原因，而出现混凝土强度下滑或强度参差不齐等现象。

1.1.2 预制构件的施工现场装配对周围自然环境和居民生活的影响程度大幅度降低，因此预制装配式桥梁十分适用于市政类桥梁建设。

1.1.4 预制装配式桥梁节约了经济成本。根据桥梁的全寿命周期成本计量，不同于现浇类桥梁在耐久性、养护加固方面的费用占比较高，预制装配式桥梁后期的运营成本较低。

1.2 预制装配式桥梁的设计与施工

预制装配式桥梁常适用于简支梁桥和连续刚构桥。若考虑材料的种类，预制装配式桥梁可分为混凝土梁预制构件和钢混组合梁预制构件。对于混凝土梁预制构件，常采用的接缝类型主要有干接缝、胶接缝，通过体外预应力张拉的方法将各梁段连接成整体。对于钢混组合梁预制构件，预制梁体之间一般留出部分钢筋，经过绑扎浇筑形成湿接缝。

预制装配式桥梁的施工方式主要有以下三种：

1.2.1 逐跨拼装施工

逐跨拼装是通过将各预制梁段吊装，并串联装配成整体后，张拉预应力钢束的施工技术。逐跨拼装技术通常是采用专用的架桥机拼装施工的，因此架桥机的最大承载能力决定了整跨梁体的最大跨径，一般而言预制装配式桥梁的单跨跨径不超过60m。同时，运输机械的最大运载质量限制了单个预制构件的最大质量，一般而言不超过70t。逐跨拼装适用于梁体高度保持一致的简支梁桥和连续梁桥。

1.2.2 对称悬臂施工

与现浇变截面连续梁桥和现浇变截面连续刚构桥一样，预制装配式桥梁的对称悬臂施工就是沿着桥墩分节段吊装箱梁，节段拼装后，张拉预应力钢束的施工方法。对称悬臂施工的梁体构件约束和跨级限制同样来源于架桥机械和运输机械的极限能力。

1.2.3 梁段湿接施工

逐跨拼装施工和对称悬臂施工的单个预制构件梁体是完整截面，梁段横纵向湿接施工是由众多横纵向的小型T 梁或小箱梁组成，且连接部分伸出钢筋，用以现场浇筑横向湿接缝和纵向湿接缝。梁段湿接施工明显的优点是减小了单个预制构件的质量，便于运输和吊装。缺点是仍需要现场浇筑部分混凝土。

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1.3 结合新材料与新技术的预制装配式桥梁的发展趋势

基于前述的预制装配式桥梁的优势和设计施工特点，明显可以发现预制装配式桥梁是一种可持续发展桥梁，但受限于施工机械的原因在桥梁设计跨径和桥梁施工方面仍存在局限性。为此，根据土木前沿领域的新型土木工程材料以及新型制备技术，探究预制装配式桥梁的发展趋势。将从以下几点展开具体分析：

1.3.1 超高性能混凝土（UHPC）在预制装配式桥梁中的应用

超高性能混凝土（简称为UHPC）是一种具备超高强度、较高延性、耐久性较好的水泥基材料。UHPC 的抗压强度和抗拉强度一般分别大于120MPa、5MPa，并且由于材料中钢纤维的存在，UHPC 在开裂后存在延性，即抗拉强度不会迅速失效，而是抗拉强度维持稳定或者有小幅度上升。大部分学者通过试验表明，UHPC 的质强比是介于普通混凝土和钢材之间的，就是说在相同的承载力下，UHPC 制备的构件的质量小于普通混凝土。为此，若将UHPC 用于预制装配式桥梁，对于简支箱梁桥、连续箱梁桥和连续刚构箱梁桥，其箱梁截面尺寸可往薄壁方向设计，这将极大地减小预制梁体的质量。此外，UHPC 在浇筑完后，需采用高温蒸汽养护，可以较大地提升UHPC 的强度。而预制构件的工厂化生产，为UHPC 蒸汽养护提供了场地条件。

目前，在土木工程桥梁建设领域已表明，UHPC 预制箱梁装配式桥梁是可行的，未来市政类桥梁可能会采用该类桥型，且UHPC 预制装配式箱梁桥由于UHPC 突出的力学性能有望往更大跨径发展。另外，由于UHPC 的抗压性能是普通混凝土的几倍，UHPC 预制空心桥墩也在不断地探究和发展。部分专家针对拱桥也提出了UHPC 箱型拱的设计理念。

1.3.2 预制组合结构技术在预制装配式桥梁中的应用

预制组合结构技术是通过将多种土木工程材料[普通混凝土、UHPC、ECC（韧性混凝土）、钢材、环氧树脂胶、CFRP（碳纤维增强材料）等]组合成一个整体，充分利用相关材料的优异性能，为此具有轻质高强的特点。现有预制装配式桥梁常采用的钢混组合结构，如工字钢－混凝土组合梁、波形钢－混凝土组合梁等，一般通过栓钉界面将钢材和混凝土连接成整体。相类似的，工字钢－UHPC 组合梁、工字钢－ECC 组合梁、钢－UHPC 组合桥面板等组合结构在不断发展，并应用于桥梁建设中，以发挥其优异的性能。此外，由于每种材料的力学性能存在差异，通过将材料以多层形式制备的组合梁也被广泛研究，该种形式组合梁被称为“三明治”结构。以钢－UHPC-ECC 组合结构梁为例，为充分发挥UHPC 的抗压强度和利用ECC 易变形性，则以钢板将UHPC 和ECC 连接成整体组合受力。

预制组合结构技术可以较大程度地发挥出材料的特性，提高梁体承载能力的同时，减小预制梁体的质量。预制组合结构不适用于现场浇筑，为此预制装配式桥梁才是预制组合结构的较优选择。

1.4 预制装配式桥梁的应用前景

预制装配式桥梁的应用前景比较开阔，未来将朝着以下三个方向发展。

1.4.1 朝着施工简单化发展

预制装配式桥梁现场拼装对于吊装机械的依赖性极大，且梁体拼装的吻合程度需要人员的精准对接，往往带来的安全问题也是比较明显的。为了保证施工的简化，首先是从设计上，尽量减少拼接的工作量；其次是从施工上，需对拼接的精度达到系统性可控。

1.4.2 朝着运输便捷化发展

预制装配式桥梁很突出的问题是将预制构件运输到现场，若要保证运输的快捷，一是通过结构层面改变预制构件的质量，二是对工程机械的发展创新。

1.4.3 朝着结构安全化发展

与现浇类桥型相比，预制装配式桥梁存在薄弱位置接缝。保证接缝位置不成为结构的主要破坏位置，以及提高接缝的极限承载能力将会成为发展预制装配式桥梁的关键问题。

2 结语

综上所述，通过结合预制装配式桥梁的优势以及设计施工特点，分析了预制装配式桥梁现阶段存在的部分问题。预制装配式桥梁将朝着与新型土木工程材料和新型结构技术结合的方向发展应用，并寻求突破，其主要目的是施工的简化、预制构件运输和吊装的便捷以及结构的安全。在一定程度上，由于新材料和新结构的引入，预制装配式桥梁将在传统装配式桥梁的基础上不断发展创新，以此扩展预制装配式桥梁的适用范围。