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杭州湾大桥工程初步设计附—1第一章引言1.1预制节段拼装桥梁的发展及优点预制节段拼装施工是将桥梁的梁体划分为节段，在工厂或工场预制后进行组拼，并施加预应力使之成为整体结构物的一种方法。在预应力混凝土桥的建设中，和其它类型桥梁相比有几个需要尽快改变的极为重要问题，即现场作业时间较长、现浇时现场需要较多的钢筋工和模板工等熟练工人以及现场的高等质量管理等。特别对于桥长较长的大规模工程，如采用现浇施工，则往往工期难以满足要求或者工程投资成本过大。解决这些问题的办法之一就是近年来在欧美各国较多地采用预制节段施工法（PrecastSegmentalContruction），并取得了成果。预制节段桥梁结构在上个世纪50年代在欧洲开始使用，现在已在世界范围内广泛使用。在国内由于国情的特殊，现在占主导的施工方法仍为现浇法，预制节段拼装施工较少。但是随着时代的进步和工程环境的变化，施工时制约条件越来越严格、快速施工的必要性越来越大、对结构物构件的质量将有更高的要求，预计预制节段桥梁在国内将有长足的发展。预制节段拼装施工相对于就地浇注混凝土的方法来制造主梁具有以下优点：①上部结构分为制造与架设，上部结构的架设工期可以大为缩短。此外，由于上部结构的制造和架设可与下部结构的施工同时进行，从开工到竣工的总工期也可大为缩减。②由于设备完整的工厂或场地上制梁的关系，质量容易管理和得到保证。③由于主梁的制造在工厂或场地上连续进行，可以采用机械化达到省力的目的。④在多跨桥梁的截面形式相同时，模板的倒用次数增多而可以取得经济的效果。⑤主梁节段的质量管理与试验由于可在进入架设作业之前来实施，如发现有不合格的节段可以废除不用，因而对工程的进行影响较少。⑥节段如有足够的存放期，可减少架设后的收缩与徐变。1.2预制节段拼装桥梁曾经出现的事故由于预制节段拼装施工可以达到省力和减少工程费用等诸项优点，上世纪中叶欧美各国修建了众多的预制节段桥梁。然而上世纪后期发生的两起塌桥事故使人们对其有了重新的看法。由于预应力筋的腐蚀，1967年英国BicktonMeadows人行桥突然崩塌。1985年Ynys-Y-Gwas桥也突然垮塌。由于这两起塌桥事故以及发现其它后张预应力混凝土桥梁也存在腐蚀问题，导致了1992年英国交通部颁发了一项禁令：禁止修建任何新的有粘接后张预应力混凝土桥。1996年，对于现浇施工的有粘接的后张预应力桥梁禁令取消，但是对于预制节段拼装桥梁到1998年依然保持禁止。很显然这是担心体内预应力筋在节段拼缝处的腐蚀问题。而从美国修建的预制节段拼装桥梁来看，其在耐久性方面的表现是较好的，然而这种现象似乎是同英国在这方面的经历互相矛盾的，因为英国至1998年仍在禁止预制节段桥梁施工。在这种背景下，即将修建的杭州湾大桥，因工程规模浩大，自然环境特殊，国内业界对杭州湾大桥部分区段能否采用预制节段拼装方案提出了疑虑。因此，对国内的桥梁工程师来说，有几项紧迫的任务需要解决的是：①如何正确地理解预制节段拼装桥梁的耐久性问题。②如何在技术及合乎逻辑的基础上，正确地评判英国对预制节段拼装桥梁所实行的禁令。③如何评判预制节段拼装方案对杭州湾大桥的适用性。杭州湾大桥工程初步设计附—2第二章预制节段拼装桥的设计与施工2．1预制节段拼装桥梁的设计2．1．1预制节段适用的场合由于预制节段拼装施工能达到省力和经济的目的，因此往往需要一定的桥梁长度规模来保证。桥梁长度愈长，经济效果愈明显，桥梁太短则不如现浇省事。一般意义来说，桥梁节段点数达到600~800时，方能显示出规模经济的效果，当然不排除有特定条件的桥梁。另外还需要有足够的预制堆放场地面积，以及考虑到道路运输的限制或者是装卸码头和设备。2．1．2节段的设计从大多数国外设计的预制节段拼装桥梁实例来看，典型的主梁截面为梯形箱梁截面，虽然在这种截面的基础上也有一些变化，诸如：直腹板、单箱多室以及曲线的桥面板及腹板等截面也被使用过。决定箱梁截面时，要考虑到尽量减少节段重量，采取诸如体外预应力、大挑臂的悬臂板等结构措施，以减轻架梁设备的荷载。同时节段的形状要力求简化。在预制节段时，由于同一节段中各部分板件的厚度如有变化时，会涉及到制造工作量的增大，故力求加以统一。2．1．3节段的接缝节段的拼装靠预应力和剪力键相互成为整体。节段相互之间的接缝形式有如下几种：①水泥砂浆接缝早期的预制节段拼缝，由于体内预应力筋在接缝处的腐蚀而出现了两次塌桥事故，现在国外已基本上禁止使用。②混凝土现浇湿接缝主要用于调整节段的形状、定位或安装误差，一般数量较少。国外有关规范对现浇缝的宽度有一定的规定限制，主要是考虑预应力筋的连接以及接缝处混凝土的强度。③环氧树指接缝为了确保连接面的密贴性和隔水性，匹配浇注施工法一般广泛采用在连接面上涂敷环氧树脂系列的胶粘剂，俗称胶接缝。国外一般在使用体内预应力的情况下或者桥面使用防冻化学制剂以及桥梁暴露于侵蚀性环境当中使用，预制节段拼缝大多采用此种接缝。④干接缝这是匹配浇注的节段在施工中连接面上不使用胶粘剂的方法，在国外一般在预应力全部使用体外索的情况下才使用干接缝。而且在使用时有一定的环境限制。在国外现浇接缝和环氧树脂接缝统称为湿接缝。环氧树脂接缝的材料以及涂装工艺有较高要求，但是适用的范围较为广泛；而干接缝则施工中简单但是使用上有一定的限制。在设计中应针对具体的桥梁结构类型、自然环境以及使用要求而区别选用。在匹配浇注的节段接缝部分混凝土和钢筋不连接，所以为了在节段相互之间准确传递剪力、准确地固定节段的相互位置并确保整体性，采用了剪力键。剪力键有钢制的和混凝土制的两种，在箱形梁上一般广泛使用多层的复式混凝土剪力键。2．1．4预应力体系由于体外预应力具有减轻上部结构重量，方便主梁制作以及可以更换等诸项优点，预制节段拼装桥梁使用体外预应力的实例愈来愈普遍。既有全部使用体外预应力索的，也有兼用体内与体外索的，体外索的使用是根据架设方法的不同而有所差别的。在逐跨架设施工时，全部使用体外索或兼用体内外索。在兼用体内与体外索时，一般而言对架设过程中所需的预应力钢材主要采用体外索，对成桥后所需的预应力则使用体内索。使用伸臂法架设时全部采用体内索或兼用体内外索。在两者兼用的情况下，一般对架设所需的采用体内索，成桥后所需的则采用体外索。2．1．5管道的压浆杭州湾大桥工程初步设计附—3管道的压浆是体内的后张预应力结构必不可少的一道环节，随着国外发现已前建造的后张预应力桥梁出现了不少的灌浆问题，主要是灌浆不密实水泥浆中存在气泡以及锚头的防护等问题，国外对灌浆工作愈来愈重视，对灌浆的工艺、材料等要求愈来愈严，美国现在有专门的灌浆规范，从事灌浆的施工人员需进行专门的培训，合格后方能持证上岗。2．2预制节段拼装桥梁的施工2．2．1节段的制作节段的制作是把已制节段的混凝土端部表面当作模板，制作相邻的节段，广泛采用使接缝部分成为整体的密接匹配浇注施工法，节段制作有两种基本的制作方法。①长线方式制作长线法制作就是放置半跨或全跨的制造台座，按照适当的大小分割并制造节段，一旦一跨节段制作完成就被送到存贮场准备去拼装，长线法主要用于主梁不规则的地方，诸如复杂的几何形状、变截面等。绝大多数节段还是用短线制作。②短线法短线法制作每次只涉及到两个节段，只设置一个制造台座，通过倒用制造台座来制作所需数量的节段，短线法的优点在于减少预制场地的面积。短线法的台座数量根据节段制造的总数量来决定。但一般有三种台座：桥墩顶上的所谓零号节段的制造台座、标准节段的制造台座，以及连接以上两种预制节段的连接节段的制造台座。在节段的制造工期内，起控制作用的是标准节段，每个标准台座平均每天可以制造一个节段。2．2．2节段的运输一般采用门式吊机或自行式桥式吊机进行节段从制造台座到存放场地的运输。从存放场地到现场的运输，陆地架设通常使用挂车，海上架设通常使用平底驳船。2．2．3节段的架设根据桥梁的跨度，规模及架设条件，一般采用下述施工方法进行节段的架设。2．2．3．1逐跨施工法逐跨施工法（span-by-spanConstruction），就是由架设梁支承一跨内的全部节段，一次架设成一跨，再依次移动架设梁架设下一跨的方法。逐跨施工法架设主梁的跨度为50~55m以下。逐跨施工法有上行式预制节段拼装系统及下行式预制节段拼装系统两种架梁设备，上行式架梁设备具有可以从桥下起吊节段、桥墩不用作巨大的临时支架等优点，但是在某些情况下需要每一孔设一个湿接头的缺点。下行式架梁设备具有不用每孔设湿接头，操作相对简单等优点，但是需要在每个桥墩设置支承架设梁的临时支腿以及只能从桥上喂梁的缺点。具体选用何种架梁设备需要针对每座桥的特点而定。逐跨施工法的特点就是施工速度快。根据国外逐跨施工桥梁的实绩以及查询架梁设备提供单位的信息表明：逐跨施工法是昀快速度达到1.5~2天每孔，平均架梁的速度为2孔/周。2．2．3．2伸臂架设施工法伸臂架设施工法昀常用的是对称悬臂拼装施工法，悬臂拼装施工适用的桥梁跨度为45m~200m。其加工梁设备有很多，诸如：移动式吊车、桁式吊、缆索起重机、汽车吊、浮吊等。它们分别适用于不同的施工场合。在国外，在大的江、河、湖、海上修建预制节段拼装桥梁时，用得较多的是节段采用驳船从预制场运到工地，利用浮吊进行悬臂拼装。对称悬臂拼装施工的特点是能跨越较大的跨度、所需架梁设备重量较轻、拼装方便等。对称悬臂拼装施工速度较快，平均可达每天4~6个节段左右。对于预应力混凝土连续梁，对称悬臂拼装施工需要将墩梁临时固结起来，拼装合拢后存在着体系转换问题，而且对称悬臂拼装的施工精度要求较高。因此对主梁施工时的线型及节段预制时的几何控制要求很严。杭州湾大桥工程初步设计附—4第三章预制节段拼装桥梁的耐久性问题由于国内预制节段拼装桥梁的起步较晚，建造实例不多，因此对预制节段拼装桥梁的耐久性问题，主要是通过查阅国外的文献来了解国外对耐久性问题的看法。本章内容为1998年《美国国家合作公路研究计划(NCHRP)》关于预制节段混凝土桥梁耐久性专题研究的昀终报道节选。该报告主要目的为美国各州公路和运输工作者协会（AASHTO）桥梁与结构小组委员会提供关于预制节段桥梁耐久性问题的权威结论和建议。3．1预制节段砼桥梁的腐蚀状况为了对预制节段桥梁的腐蚀状况得出一个比较满意的评价，首先调查了英国曾经作过的预制节段砼桥梁，然后是欧洲局部区域，接着是调查了北美洲作过的预制节段砼桥梁。3．1．1英国和欧洲预制的节段混凝土桥梁经历的腐蚀问题3．1．1．1文献查阅很少有特别关于预制节段桥梁腐蚀状况的信息报道，然而不管怎样，从相关的非节段后张预应力桥梁的一些信息中可以洞察到节段预制桥梁的腐蚀问题的存在。在英国，有粘接的后张预应力桥梁由于腐蚀而引起的第一起严重事故是1967年汉普郡BicktonMeadows人行桥的倒塌，仅有的另一起由于腐蚀引起的塌桥事故是格拉摩根郡西部Ynys-Y-Gwas桥。Ynys-Y-Gwas桥倒塌是由于纵向预应力筋在节段拼缝处被腐蚀，接缝处的水泥浆是高渗透性的，从而让湿气、氯化物及氧气等能够进入到体内而引起预应力筋腐蚀。该桥建成已有32年，垮塌之前没有任何危险的征兆。BicktonMeadows人行桥的垮塌是由于顶板预应力筋被严重腐蚀。不管怎样，该桥预制单元和水泥浆接缝的质量都非常的低。有报道称该桥预制单元在送到工地时就已经发现有裂缝以及烽窝状麻面，以至于在后来的压浆操作过程中发现有水泥浆从顶面冒出来；另外，还有报道称该桥超应力了。该桥只运营了15年就倒塌了。1992年在比利时斯凯尔特河上的一座桥梁也垮塌了。报道称作为桥梁框架结构一部分的铰接点处预应力筋被腐蚀导致了桥梁的倒塌，但是，尽管该桥存在后张预应力筋被腐蚀的问题，还是有报道称在倒塌以前一辆装满汽油的油罐车撞向了大桥继而引发了火灾，显而易见，车辆的碰撞与火灾可能就是该桥倒塌的导火索。另外大量的非节段后张预应力结构物也经历了不同程度的预应力筋腐蚀，许多问题发生在锚头附近，虽然这些问题已经被证实是由于灌浆不善使钢绞线暴露在空气、潮湿以及氯化物当中而引起的。另外在欧洲还有一定数量的例子