装配式木结构桥梁建造技术研究

钱 冲

(湖南建工园林工程有限公司，湖南 长沙 410004)

1 概述

木结构不同于钢结构、混凝土结构、砖结构等高耗能建筑结构，木材是一种绿色和可再生的材料，现代木结构所使用的工程木可实现木材的“小材大用”，即将速生材经过后处理技术，制造成现代木结构用工程木[1-2]。现代木结构是一种天然装配式结构，其构件及其连接件均是在工厂预制生产。这就促进了我国绿色、低碳、建筑的快速发展，同时提高了建筑构件的预制装配率。现代木结构在北美、北欧等发达国家发展已相当成熟，而在我国它还处于较新的发展阶段，特别是现代木结构桥梁建造技术，目前国内对其研究还十分有限。

为进一步了解研究现代木结构桥梁的整体性能，本文分析了现代重型木结构的结构类型、构件加工制造、构件拼装和结构安装等技术；根据国外现代重型木结构应用的成功案例，研究现代重型木结构建造技术，并将该技术成功应用于国内首座跨高速公路主线的现代木结构人行桥。

2 现代重型木结构建造技术要点

任何结构的适用性和可靠性都是建立在准确和高质量的制造和建造技术上[3]。采用正确的施工工艺程序，结构物的建造不但可节省较多的经费且能增加其使用寿命。由于木结构完全可在工厂加工预制，在施工现场进行整体装配式施工，所以采用精准的建造技术可降低木结构的建造费用。现代重型木结构是大跨度、大空间的建筑或桥梁结构，其建造技术更是关键程序。由于木结构的特殊性，不同的结构形式，除构件加工预制程序不同外，现代重型木结构的现场施工建造技术基本相同[4]。

2.1 结构类型

一般有5类木结构形式，此分类主要指常用的静定结构体系。

1)梁(包括变截面梁)。一般为单跨简支结构，对于多跨和悬臂结构，通常采用变截面梁或带预拱度的梁。

2)拱。根据现场地形和跨径的考虑，可选择拱形结构体系，这种结构形式比较美观，跨径也比较大。

3)桁梁和桁架。该结构形式一般可以具有较大的荷载承载能力和刚度，且可以变化出多种桁架形式。现代重型木结构桁梁和桁架采用先进的连接技术和安装技术，通常采用带预拱度或大曲率的形式，它可以多跨形式。

4)斜拉和悬索结构体系。该体系主要应用于桥梁结构形式。

2.2 构件制造

精确的构件制造对快速安装木结构至关重要，它可以减少在现场再次加工的时间，节约时间和经济成本，同时，这也意味着对工厂设备精度的要求也会相应提高[5]。构件加工完成后，需要对其进行连接构造加工。对于现代重型木结构来讲，构件连接非常关键。最后对构件进行防腐阻燃处理，现代重型木结构的设计使用寿命均在50 a以上，一般，重型木结构主要依靠其大截面的构件尺寸阻止木材的燃烧；对于小尺寸截面的木构件，防腐处理起到关键作用[6]，未经处理的木材易燃，经过阻燃处理的胶合木难以燃烧。经测试发现，胶合木构件耐火时间较钢材和混凝土更长。

2.3 构件运输及存储

木材在没有破损的情况下，是一种耐用的自然材料。因此，在运输、装卸、储存过程中应对构件进行合理的保护，以确保构件质量的完好。建造重型木结构所需构件一般通过货车、火车、船舶从工厂运抵施工现场，用大型卡车运输是最常用的运输方式，并且这种运输方式能够载重20 t～50 t，允许构件最大长度达15 m。构件运输可能需要配置特别的设备以装卸超长(>10 m)、超宽(>2 m)以及众多弯曲度很大的部件，异常大的构件则需要辅助车辆和转向拖车，较小的胶合木构件需要打包，以便运输和装卸，常见的做法是将构件堆成一捆，然后用钢带打包，为避免构件损坏，需在棱角处加以保护措施[7]。制造成型的构件在短期或长期存储过程中，应当保持场地平整、干燥，为避免构件变形，应在场地上放置足够的支撑物体[8]。

2.4 结构安装

在现代重型木结构安装之前，应熟悉相应的图纸和规范，理解施工顺序和可能需要特殊处理的步骤。然后要复核木结构下部结构施工的质量(尺寸、位置和连接件安装等)。为高效地安装现代重型木结构，现场施工所需机械设备和相应的工具需要准备充分，根据木结构工程的种类和大小，一般需要以下主要设备：

1)吊车。

根据构件的大小和数量，选用吊车的数量和规格。一般选用1台吊车就可以了，根据不同的建造技术，有时需要2台～4台吊车采用整体吊装方法，吊装时一般选用较宽的尼龙吊带，以免在吊装过程中对构件造成损伤。

2)装载机和铲车。

小的构件可以用装载机和铲车短距离运输和安装。

3)升降机。

因重型木结构施工工期较短，一般不需搭设钢管支架，需要升降机作为安装平台，以便工人进行安装程序工作。大型工程需要搭设脚手架平台。

4)扩孔设备、千斤顶、扳手和撬杆。

在构件加工制造精度有误差时，需要对构件进行扩孔，以便构件连接件安装。

5)特制木夯和大锤。

一般木结构构件加工较为精确，在结构构件连接部分安装时，为避免构件和钢连接件的损坏，需要使用特制的木质夯和锤。

3 国内现代重型木结构建造技术应用研究

在低碳减排的大局下，胶合木结构桥梁符合我国的节能政策和经济发展，在我国具有广阔的应用前景。利用现代重型木结构建造技术，在某高速公路服务区内建造了一座跨高速公路主线的现代木结构人行桥。

3.1 木结构桥梁设计

3.1.1 上部结构设计

桥梁主要设计依据为美国标准NDS—2005《National Design Specification for Wood Construction》。根据建设地点地质情况，选择三铰拱结构体系作为拱桥的结构体系，材料为美国花旗松，其强度等级为24F-V4，主要力学性能参数见表1，胶黏剂采用防水的酚醛树脂胶。该桥计算跨径为38.07 m，计算矢高为8.23 m，矢跨比为4.63，桥面总长为39.5 m，总宽为4 m，设计活载荷为5 kN/m2，风荷载为0.35 kN/m2，地震荷载为0.05g，设计使用寿命50 a。拱肋采用圆曲线拱，曲率半径为26.1 m，截面尺寸为0.686 m×0.229 m，其上部结构布置如图1所示。

表1 美国花旗松(24F-V4)主要力学性能参数

3.1.2 下部结构设计

根据现场地质条件，采用实体重力式墩台，基础为明挖扩大基础，基于地基承载力荷载试验结果和上部结构设计荷载计算，设计下部结构尺寸，混凝土强度等级为C30。

3.2 木结构桥梁构件制造

根据AITC 117—2004美国胶合木制造规范和我国规范GB/T 50708—2012胶合木结构技术规范，对木结构桥梁构件进行了加工制造，拱肋的制造如图2所示。

3.3 木结构桥梁安装施工

精心的准备工作能提高该木结构桥梁安装施工的效率。准备工作的第一步是熟悉所有图纸以及规范，制定出最合理的安装顺序，并制定出现特殊情况时的应急方案。如果在准备过程中发现问题，应立即与现场指导专家沟通，在最短的时间内解决问题。在木结构桥梁正式安装施工之前，项目部将人员分成了若干小组，有理论指导组，现场拼装组，构件编号组、施工放样组和后勤组等。理论指导组主要负责图纸的消化吸收，并熟悉所有的构件在设计图纸中的编号。构件编号组的主要工作是将所有的构件进行编号，方便拼装时辨认构件。施工放样组在施工前进行精确的放样和定位，现场拼装组负责构件的安装施工，后勤组时刻准备协调现场所需设备，负责设备的检查工作，保证所有的设备在拼装之前能正常工作，并准备好一切后勤工作。根据该木结构桥梁的特点、构件形式、数量和重量，选用了1台15 t吊车、门式活动支架16套、钢管数量若干、自制木夯和木锤各2套、扩孔设备2套、千斤顶2个、扳手和撬杆各8套。

3.3.1 拱肋安装

现代重型木结构一般采用高空散装拼装和地面分块、分条、整体拼装后吊装就位，该木结构桥梁安装使用后者。拱肋构件共8件，按照构件编号顺序在地面上先将半边拱肋构件拼装到位，然后将拱肋上的连接件安装到位，节省了拱肋吊装完之后再安装连接件的时间。整体吊装时，应根据其不同的边界条件，验算在自重和施工荷载作用下各构件与节点的安全性，构件的工作应力不应超过1.2 倍的木材设计强度，否则，应做临时性加固处理，且吊点一般不少于2个，吊索与水平线夹角不宜小于60°。拱肋构件连接处抗弯连接件构造如图3所示，受压钢板传递所受的压应力、拉应力由抗拉扁钢以及剪板承载，剪板承载端部的剪力，附加连接板用于固定拱的位置。

拱肋拼装到位后，开始进行安装，由于只有1台吊车，故在跨中部位搭设了临时钢管支架，主要作用是支撑拱肋构件和工人操作平台，钢管支架上面的顶托可以调节高度，以便与设计值一致。拱肋安装过程如图4所示。

金属连接件与构件的连接类型和方法应符合设计文件规定，受压抵承面间应严密，局部间隙不得大于1.0 mm，非承压面处应预留缝隙。除设计文件规定，各构件轴线应相交于金属节点的物理中心。三铰拱中央节点连接构造一般有2种方式：轴铰构造和板铰构造，该木结构桥梁中三铰拱中央节点采用第一种连接方式。

3.3.2 拱上立柱、横撑及其他部分安装

拱上立柱及横撑构件在地面拼装后整体吊装就位，提高安装效率。木梁和木柱在中间支座上可用U型连接件连接(见图5(a))，也用T型连接钢板连接(见图5(b))。梁和木柱在端支座处的连接，可采用图6所示的连接方式。本章木结构桥梁的连接构造采用图5(a)和图6所示的连接方式。

当构件与基础相连时，应注意对构件进行防护。木柱应支承在混凝土柱墩(或基础)上，柱墩顶标高不应低于室外地面标高0.3 m以上[9]。木柱与柱墩接触面间应设防潮层，防潮层可选用耐久性满足设计使用年限的防水卷材。柱与柱墩间应用螺栓固定(见图7)，当基础表面积不够，不能安装露明地锚螺栓时，可按图8所示采用半露明的连接方式。当胶合木拱和基础之间按铰连接设计时，其构造应按图9的要求，当胶合木拱的基础之间不是按铰连接设计时，其连接方式应按图10的要求。胶合梁与基础之间连接时，应避免采用切口连接，以防止由于抗剪承载力的不足以及含水率的变化引起的构件开裂。胶合梁支座可以采用焊接板或角钢连接件连接，用于承载竖向(重力荷载和上拔荷载)和水平荷载，木构件与砌体或混凝土构件之间应保持宽度不小于13 mm缝隙，见图11。斜梁底部与底板的连接如图12所示，当斜梁底部超出底板时，剪切产生的横纹受拉和含水率的变化，容易引起底部开裂。该木结构桥梁拱肋与基础采用铰连接，立柱与基础之间采用隐藏式地锚螺栓连接，详见图13。

木柱安装前应在柱侧面和柱墩顶面上标出中心线，以便安装时对中，柱位偏差不应超过±20 mm。安装第一根柱时至少应在两个方向设临时斜撑，后安装的柱纵向用连梁或柱间支撑与首根柱相连，横向至少在一侧面设斜撑。柱在两个方向的垂直度偏差不应超过1/200的柱高，且柱顶位置偏差不大于±15 mm。竣工后的木结构桥梁全貌如图14所示。

4 木结构桥梁成桥荷载试验

为了检验该桥的施工质量和承载能力是否满足规范要求，以及确保结构运营的安全性和长期使用性能，对木结构桥梁进行了桥梁投入使用前的成桥静、动载试验。根据试验结果对其安全性能做出科学的评定，为该桥的正常运营、今后的日常养护和维修工作提供科学依据。

4.1 拱轴线形测量

拱轴线形的相对坐标采用全站仪对桥跨拱肋外侧截面下缘按约50等分进行测量，如图15所示。现场以0号台拱脚为相对坐标系的原点，向跨中每隔水平距离约0.76 m进行选点测量，其测量结果如图16所示。根据测试结果可以看出拱轴线形实测值与设计值基本吻合，证实了其建造技术的可靠性和适用性。且其余各构件安装质量符合规范[10]要求。

4.2 静载试验

应变测点布置于拱肋两侧面，应变测量拱顶最大剪力，拱脚最大水平推力用拱脚侧面的应变片量测，采用电阻应变测试仪进行应变测试。位移测点分别布置在拱肋的1L/4，1L/2和3L/4，以及拱脚位置处，用全站仪进行测试。

试验时按试验荷载效应与设计荷载效应等效的原则，对各测试截面活载内力进行有限元分析，并适当考虑温度的影响。根据现场条件，最终确定采用水箱注水的方式进行桥面均布加载试验。试验荷载为：3.712 kPa×39.5 m×3 m=43.99 t。

所有工况均分三级加载、每级分别14.7 t，一次卸载。每级加载持续时间约为50 min，即仪器读数处于稳定后开始读数。同时，加载过程中密切注意结构各控制点的应变和位移，如遇异常情况应立即终止加载。

实测挠度及应力测试结果分别列于表2，表3和图17。经测试发现，两端拱座水平位移平均值为0.015 mm。

表2 挠度变形测试与计算结果比较 mm

表3 应力测试结果与计算结果比较表

根据美国花旗松(24F-V4)材料性能，通过测试结果发现：在设计荷载作用下，应变校验系数在0.735～0.894之间。同时残余应变与加载应变之比最大值为0.180，均小于0.2，满足规范要求。变形校验系数在0.788～0.872之间。残余变形与加载总变形之比最大值为0.143，均小于0.2，满足规范[11]要求。

4.3 动力试验

桥梁结构的动力特性(如自振频率、阻尼系数、振型等)，只与结构本身固有性质有关(如结构的组成形式、刚度、质量分布和材料性质等)，而与荷载等其他条件无关，是桥梁结构振动系统的基本特性。

通过动力荷载试验以及结构固有模态参数的实桥测试，了解桥跨结构的动力特性以及各控制部位在使用荷载下的动力性能(振幅、速度、加速度等)，除了可用来分析结构在动荷载作用下的受力状态外，还可验证或修改理论计算值，并作为结构设计的依据，为木结构桥梁以后的运营养护管理提供必要的数据和资料。

采用Midas/Civil程序进行桥梁的自振频率，表4为频率对比结果。

表4 桥梁结构频率对比结果

动力试验结果表明，该桥人工跳跃试验比较理想，实测频率比计算频率约大33%，表明实际刚度满足设计刚度要求，桥梁的整体受力性能较好。在跳车作用下桥梁结构反应平稳，无异常现象发生，表明所测试结构的动力性能良好，采用半功率带宽法计算测试该桥结构的阻尼比为1.667%，在正常范围之内。

成桥试验结果证实了该技术应用的可靠性和适用性，为我国现代重型木结构的推广应用提供了技术支持和试验基础，具有很好的示范作用。

5 结论

通过对国外现代重型木结构的设计、构件加工制造、构件拼装和结构安装等研究，对现代重型木结构建造技术进行了深入的研究，并将该技术成功应用于国内首座跨高速公路主线的现代木结构人行桥，得出了如下几点结论：

1)不同结构体系的重型木结构，除构件加工预制程序不同外，现代重型木结构的现场施工建造技术基本相同。

2)成桥后的拱轴线实测值与设计值基本一致，证实了现代重型木结构建造技术的适用性。

3)木结构桥梁在设计荷载作用下的受力性能研究表明木结构人行桥各项力学性能指标均满足设计要求，证实了该技术应用的可靠性和适用性。