预制装配式混凝土桥梁研究现状综述

麦日浩 江松柏

（海南科技职业大学，海南 海口 570100）

0 引言

预制装配式混凝土桥梁较传统现浇混凝土桥梁而言，具有绿色环保、建造效率高等优势，更符合建筑工业化、建筑产业化和绿色建筑等发展理念，目前被广泛应用于河海、山地和市政道路等不同场地的桥梁建设中。

装配式石桥、木桥、木石桥在我国有着悠久的历史，预制装配式混凝土桥梁的历史却很短，这与混凝土应用史有关。尽管预制装配式混凝土桥梁起步晚，人们对其的研究却不少。本文结合近年的文献从预制装配式混凝土桥梁上部结构、下部结构的预制拼装及其抗震等性能和高性能新材料、BIM 技术应用等方面综合阐述预制装配式混凝土桥梁的研究现状，并展望其研究前景。

1 上部结构的预制装配及其性能研究

1951 年在Lahn 河上建造的第一座悬臂浇筑施工的预应力混凝土桥梁，形成现代意义上的悬臂浇筑施工法[1]。我国1966 年竣工的成昆铁路旧庄河一号桥便采用预制节段悬臂拼装施工法[2]。进入21 世纪后，随着技术的逐渐成熟，上部结构预制装配式桥梁在我国得到推广和运用。桥梁上部结构的预制装配工艺有：预制装配钢-混组合梁、阶段预制拼装预应力束体系、预制拼装混凝土等[3]。

宋琢等[4]通过改进装配式防撞栏杆的施工方法，节约了工期和施工成本，同时验证了连接节点的可靠性。汪清泉[5]通过对高烈度区装配式公路桥梁不同桥型抗震性能进行研究，表明在Ⅷ度烈度区进行装配式桥梁抗震时可不考虑竖向地震作用；但该烈度地震作用下装配式简支桥梁横桥向抗滑移稳定性难以满足要求。霍静思、钟琼等[6-7]提出了一种预制装配式钢-混组合梁，并通过试验验证其工程可行性，该组合梁较现浇结构形式具有较大抗弯承载力和更好的延性，但存在预制装配组合梁混凝土板顶面纵向裂缝开展较现浇结构形式更快等不利影响。李成君等[8]进行了不同层级纵向荷载作用下剪力钉（钢-混组合梁中混凝土和钢的剪力连接件）抗剪性能与极限承载力试验研究，结果表明：装配式剪力钉试件的抗剪承载力较常规剪力钉试件提高20%以上；剪力钉周边核心区域混凝土所受到的约束作用对剪力钉纵向抗剪承载力和延性的提高有促进作用。赵秋等[9]提出了一种装配式钢-UHPC 组合桥面板弥补了钢-UHPC 组合桥面板所使用的传统剪力连接件的不足，并通过有限元软件ANSYS 建模进行受力性能研究，结果表明：该装配式钢-UHPC 组合桥面板能满足工程实际要求，且能较大程度地避免纯钢桥面板疲劳等危害。

2 下部结构的预制装配及其性能研究

下部结构为主要承重部位，预制构件间连接节点的处理更为复杂，其装配化施工的研究相对上部结构较晚，目前下部结构装配式多数为桥墩、盖梁预制拼装，基础、承台现场浇筑，国内典型的工程如上海嘉闵高架北二段工程、无锡凤翔路工程、长沙湘府路工程等。近年来“全装配式桥梁”（即主梁、挡土墙、防撞护栏、盖梁、桥墩、桥台、桩基等均为预制拼装）在城市市政桥梁中得到推广应用，全装配式桥梁对连接节点的安全和可靠提出了更高要求。

下部结构预制构件之间的连接方式有：灌浆套筒连接、波纹管浆锚连接、UHPC现浇湿接缝连接、后张预应力筋节段连接、承插式或插槽式接缝连接等，其中，后张预应力筋连接属于“非等同现浇”连接体系，其余属于“等同现浇”连接体系，灌浆套筒连接、波纹管浆锚连接和UHPC 连接更为常用[10]。灌浆套筒多预埋于墩身，对桥墩塑性铰的部位和损伤状况有所影响；灌浆金属波纹管多预埋于承台或盖梁内；UHPC连接在承台与桥墩、承台与盖梁连接时更具适应性，且施工流程较前两类拼接方式更为简化[10]。

薛文浩[11]针对方钢管约束的装配式混凝土桥墩进行拟静力对比试验研究，结果表明：与传统的装配式混凝土桥墩和现浇混凝土桥墩相比，灌浆套筒连接的方钢管约束的装配式混凝土桥墩水平承载力更高，且具有良好的抗震性能。包龙生、王娟等[12]建立节段预制无粘结后张预应力环形截面桥墩的有限元模型，探讨预应力度、预应力筋配筋率、普通钢筋配筋率对结构抗震性能的影响规律。葛继平等[13]介绍了基于性能设计的桥梁设计方法，总结了装配式预应力混凝土的工程应用和抗震性能研究现状。欧智菁等[14]探讨了装配式桥墩的连接方式、施工工艺及检测方式等。桥墩是影响桥梁结构抗震性能的关键构件，故装配式桥梁抗震性能的研究多集中于其下部结构，张于晔[15]从抗剪能力、结构刚度、自复位能力和延性耗能等方面对比分析了提高装配式桥墩抗震性能的不同方法，认为接下来装配式桥墩抗震研究应从装配式双柱墩、装配式桥墩地震作用下的传力机理和接缝处的力学行为等方面开展，进行装配式桥墩抗震研究时应考虑整个桥梁结构。

3 高性能新材料的应用

高性能新材料的应用是改进结构性能的重要途径。应用于装配式混凝土桥梁的高性能新材料目前主要有：纤维增强复合材料、形状记忆合金和超高性能混凝土[3]。

Zhang 等[16]将一种超高性能纤维混凝土（UHFRC）应用于预制分段墩部桥墩墩柱底部，提高其侧向承载力与耗能能力。邵旭东等[17]以超高性能混凝土（UHPC）为基础，研发了装配式UHPC 箱形结构、全预制UHPC“π”形梁和全预制钢-UHPC轻型组合“π”形梁三种高性能装配式主梁，使装配式混凝土主梁实现自重降低、施工方便、抗腐蚀、抗冻、防渗漏性能优良等方面的改进。Zhuo 等[18]将高强耗能钢筋应用于预制分段式桥墩连接，以提高其耗能能力、侧向刚度和自复位能力。耿佳硕[19]基于采用UHPC 连接的装配式桥墩拟静力试验，通过有限元软件ABAQUS 建立相应桥墩模型进行研究，结果表明：采用UHPC 现浇连接的装配式混凝土桥墩可在一定程度上提高其自身的水平承载力和结构的延性。刘传飞[20]分别对灌浆套筒桥墩、UHPC 连接桥墩和现浇桥墩三种缩尺桥墩试件进行低周反复荷载试验和静力破坏试验，研究表明：装配式桥墩UHPC连接节点的力学性能基本达到“等同现浇”，优于钢筋套筒连接节点。

高性能新材料的使用仍存在成本较高、新材料与传统材料之间的界面易开裂和性能不连续等问题。

4 BIM技术的应用

BIM 作为一种新兴的信息技术，具有三维可视化、参数化、信息化、模拟性、协同性、可出图、可优化、一体化等特性，应用在土建领域能大幅提高设计、施工效率，同时BIM 可与3D 打印、AR、VR、大数据和云技术等其它技术相结合，实现整个BIM 项目的信息管理[21]。BIM 技术的应用有助于提高预制装配式混凝土桥梁的工业化生产、标准化施工和预制构件的深化设计。

李志峰[21]提出了基于Revit为核心建模软件的参数化设计流程，通过创建标准族，参数驱动装配式钢板组合梁桥全桥BIM 模型的快速创建；借助Revit 和Navisworks 软件，研究了基于BIM 技术的钢板组合梁桥虚拟施工方法。陈文宝等[22]利用BIM 技术完成江西赣州快速路全预制装配式桥梁项目的建模、深化设计、施工模拟、项目管理、数字化生产管理等工作，为BIM 技术在装配式市政桥梁上的应用积累经验。周群等[23]应用Bently平台建立BIM模型，基于南宁市快速综合整治项目（北湖立交）改造工程的设计管理提出优化方案，为BIM 技术应用于装配式市政桥梁的设计管理提高效率提供参考。

5 结束语

综合相关文献，钢-混组合桥梁结构剪力连接件、下部结构的连接构造、高烈度地区抗震性能研究和高性能新材料的应用等是目前预制装配式混凝土桥梁领域的研究热点，BIM 技术能大幅提高设计与施工效率。未来预制装配式混凝土桥梁还需从以下几个方面进行进一步的研究和发展。

（1）构件或部品标准化仍不足，全国范围内可建立相对完善的标准构件库，装配式混凝土桥梁预制时可直接从中选取合适的构件类型与尺寸或经过简单改进可使用，提高设计效率。

（2）下部结构尤其是桥墩作为整个桥梁结构力学性能中的关键构件，应不断优化其施工工艺和连接构造，深入研究各种连接方式的工程应用与抗震等力学性能。

（3）高性能新材料的应用能提升装配式混凝土桥梁的整体力学性能，有望突破现有的技术瓶颈，在持续研究高性能新材料的应用时，应注意新材料与传统材料连接界面的稳定及两者力学性能的连续。

（4）BIM 技术能大幅提高设计与施工效率，目前国内大型设计与施工企业已较为普及。此外，应综合考虑预制场地、预制工艺、运输装配和相关技术人员的培训，以提高预制装配式混凝土桥梁的生产和安装效率，同时减少装配式桥梁的建造成本。