品质建造新引擎——山区新型装配式组合梁桥技术升级及绿色建造

我国山区地形地貌险峻多变，地质灾害恶劣多发，自然环境敏感脆弱，种种条件决定了山区公路建设桥隧占比巨大。而山区桥梁建设场地空间狭窄闭塞，运输条件崎岖苛刻，大型施工装备进驻艰难。在环境保护、生态低碳等理念日益深入人心的前提下，山区桥梁建设面临的挑战也前所未有，亟需大力研发适应山区建设条件的新型合理化桥梁建造技术及装备研发，提升山区公路桥梁工业化、装配化和绿色建造水平，这也是当下交通强国建设的关键一环。

奉行绿色建造理念

绿色建造是按照绿色发展的要求，通过科学管理和技术创新，采用有利于节约资源、保护环境、降碳减排、提高效率、保障品质的建造方式，实现人与自然和谐共生的工程建造活动。

装配化建造

装配化建造即应用新型工业化（信息化与工业化深度融合）理念的生产建造方式，其具有工艺水平成熟、产品质量稳定、规模效益高、资源浪费少、交付周期短等优势，可有效提升工程建设效率和品质，提升经济效益，实现高质量发展。

装配化建造具有五个基本特征：（1）设计标准化：采用模数化、标准化、通用化设计以及全装配式结构体系，结构可装拆、可更换；（2）生产工业化：由传统现场施工转变为工厂自动化、数字化、智能化作业，预制构件、部件、零配件网络协同化精益生产；（3）施工自动化：高度机械化联动，作业程序标准化，现场施工自动化、智能化，取代传统现浇或手工作业；（4）装配式一体化：零配件与主体一体化设计，模数协同化、通用化，各专业接口标准化，实现集成安装装配化；（5）管理信息化：全过程应用BIM，促进信息化与工业化深度融合，实现设计、生产、装配等信息化管理，精益建造。

桥梁快速化施工(Accelerated Bridge Construction，ABC)是一项更快、更智能的综合创新技术，“以安全、经济、高效的标准化方式使用创新有效的规划、设计、材料和施工工艺，以减少在新建桥梁或更换、维修现有桥梁时的现场施工时间——美国联邦公路管理局（FHWA）”。

桥梁快速化施工(ABC)聚焦高度工厂预制化的结构构件和快速现场装配安装的施工方法，在过去的20年中，尤其在美国，ABC已经成为普遍的标准模式。设计过程应考虑三个基本因素：（1）桥梁构件须尽可能轻量化；（2）设计须尽可能简单，构造须尽可能简洁；（3）设计和构件应尽可能便利现场建设施工。

ABC建设理念（见图2）包括以下方面的改进：（1）缩短桥梁建设工期；（2）改善施工作业区和施工人员的安全；（3）降低工程建设和社会成本；（4）提升结构耐久性，减少后期维护量；(5)减少新建、改扩建对周围交通的影响；（6）降低环境影响，减少碳排放等。ABC是项目规划、投资和建设模式的转变，在这种转变中，最大限度地减少因现场施工活动而导致的环境影响或交通影响的需求被提升到了更高的优先级。

钢-混组合梁采用焊钉等连接件将钢主梁与混凝土桥面板连接为整体共同工作，巧妙并充分利用了钢材抗拉和混凝土抗压的材料优势，各取所长，自成一体。相比于混凝土结构，其具有自重轻、承载力高、变形能力强、抗剪承载力高、抗震性能优越以及施工便捷等优点。同时在减少对砂石材料的消耗、提高现场快速化装配化施工水平、避免混凝土长期使用的碳化裂化问题，从而提高桥梁使用寿命等方面具备优势。相比于钢结构，其具有刚度大、稳定性好、耐火性强、耐腐蚀性好、经济性高、维护工作量较少等长处，同时在降低现场焊接量、规避钢桥面疲劳开裂，以及避免造价昂贵且耐久性不足的钢桥面铺装方面占有上风。

钢-混组合梁在20世纪初至二战前在欧美已投入实际应用，二战后德法美日等国面临大规模重建的迫切需求，由于认识到组合梁桥经济上具有压倒性优势，开始发力基础研究，进行了大量工程实践并制定了相应技术标准。到1960年代，组合梁桥得到广泛应用，建成了大量的各种形式的组合桥梁。到1980年代，国际桥梁及结构工程协会（IABSE）对组合结构桥梁在研究、设计、施工等方面的发展进行广泛的交流和研讨，促进了组合结构桥梁的发展。1990年代中期以来，日本及欧美均同步开展了钢桥结构合理化运动，时至今日，组合梁俨然成为了国外中小跨径桥梁的主要结构形式，并成为了一种可用于斜拉桥、拱桥等大跨度桥梁主梁的热门结构类型。

我国钢-混组合梁的研究及应用均起步较晚，技术水平与国际先进水平尚有差距，特别是在山区桥梁及中小跨度桥梁中，混凝土桥梁占据绝对数量优势。2016年，交通运输部发布了《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，决定推进包括钢-混组合梁等公路钢结构桥梁建设，要求深入贯彻落实现代工程管理人本化、专业化、标准化、信息化、精细化等“五化”要求，发挥钢结构桥梁性能优势，降低全寿命周期成本，提升公路桥梁品质和耐久性，助推公路建设提质增效和转型升级。国内各省市以此为契机，结合各自地域特点，借鉴国外的发展经验，加强基础和理论研究，大力推广新型合理化组合梁桥的应用实践，组合梁桥在国内得到了长足进步。重庆市交通行业也结合山区公路桥梁建设条件和实践经验，经过5年左右的广泛研究和持续攻关，先后编制并颁布了《窄幅钢箱组合梁桥通用图》（CQJTG/T D11-2021）和《中小跨径钢板组合梁通用图》（CQJTG/T D08—2022），推动了在山区组合梁桥的创新发展和技术升级。

适应山区中小跨径

合理化高性能组合梁体系

根据日本欧美等国家近半个世纪组合梁桥设计、建造及维护等方面的实践经验，适应30m～100m中小跨径组合梁桥的合理化钢主梁形式主要包括：工字形钢板组合梁、槽形钢箱组合梁和窄幅钢箱组合梁（见图4），近些年前两者在国内的应用逐渐增多。

对照国内目前的中小跨径钢桥动辄采用大断面的整体正交异性板钢箱梁，从经济指标、技术指标、可施工性以及耐久性方面均处于劣势。另一方面随着组合梁桥的发展，钢主梁形式方面逐渐多样化、合理化，但依赖模板甚至支架以现浇钢筋混凝土为主的桥面板仍占据主流，未充分发挥出组合梁的先天优势，工序多工期长，安全难以保证质量难以控制，且长期使用的碳化裂化等性能退化和疲劳开裂问题未引起足够重视，因此桥面板形式的合理化问题亟需进一步研发并解决。

少主梁工字形钢板组合梁

中铁长江交通设计集团有限公司牵头的《工字形钢板组合梁桥上部结构应用技术研究及通用图编制》项目在重庆市交通局科技处、建管处的指导下，在大量调查研究基础上，充分借鉴国际尤其是日本等国的先进经验，高起点开展相关技术研究与工程实践，作为地方行业标准的《中小跨径钢板组合梁通用图》（CQJTG/T D08—2022）已正式颁布。

本套成果的少主梁（以双主梁和三主梁为主）工字形钢板组合梁桥通用图成果用钢量指标合理且优异（用钢量指标见图5），制造安装费用降低，可缩短工期。其采用刚度大、强度高的PC桥面板（也可采用组合桥面板），提高了桥面板的跨度。横梁可直接使用型材，间距最大可达10m。利用刚度大的桥面板抵抗横向荷载可省略横撑。由于主梁、横梁、风撑数目减少，钢材表面涂装面积大幅减少，日常养护费用减少，此外，构件数大幅减少使整个桥梁外观简洁、景观性提高。

窄幅钢箱组合梁

同样受重庆市交通局委托，中铁长江交通设计集团有限公司牵头开展了《中小跨径新型钢箱组合梁桥关键技术研究及通用图编制》，充分借鉴了日本、德国等国的先进经验，并联合重庆大学、重庆交通大学开展了大量模型试验、理论研究与工程实践，作为地方行业标准的《窄幅钢箱组合梁桥通用图》（CQJTG/T D11-2021）已正式颁布。

由于钢箱宽度较小且采用中厚板，板件的宽厚比减小提高了稳定性，从而可减少纵向加劲肋甚至省掉横向加劲肋。同样，可采用刚度大、强度高的PC桥面板或组合桥面板，提高桥面板跨度。此外，省略了小纵梁、牛腿和横撑构造，钢材表面涂装面积大幅减少，从德国的使用经验看，由于闭口钢箱的气密性，推荐可不进行内表面涂装，管理养护费用大为减少。

窄幅箱梁箱体宽度小（标准宽度1.2m）便于运输安装，易满足安装阶段的横向受力与稳定需要，并可为桥面板施工提供坚强支撑。总体而言，窄幅钢箱组合梁结构简洁、经济指标较优（见图7），目前国内采用窄幅钢箱形式的组合梁较少，重庆市目前已在上百座山区公路桥梁中进行了推广应用，配合组合桥面板等技术在山区小半径高墩桥梁、上跨既有道路桥梁等痛点难点项目中创造了显著的价值和效益。

组合梁桥面板

钢-混组合梁的桥面板主要包括RC桥面板、PC桥面板以及组合桥面板等，根据施工方法可分为预制桥面板、现浇桥面板和部分厚度预制部分厚度现浇桥面板等。目前国内山区常用的传统钢筋混凝土现浇桥面板需搭设满堂支架和模板，施工工序繁琐，人力物力消耗大，施工安全隐患多，支架现浇施工工期长，社会影响大；预制混凝土桥面板采用场地预制现场组装施工，质量易控制，安装方式灵活，对支撑和模板依赖程度小，桥面板分块安装，施工安全隐患少，施工工期缩短，社会影响较小。但在山区众多桥梁处于分散状态，加之运输条件和预制场地受限，难以形成规模化生产，故而预制混凝土桥面板的综合效益大打折扣。

钢-混组合桥面板是指钢底板和混凝土结合成一体构成的桥面板，钢底板随同钢梁安装就位，施工过程中作为混凝土底模，成桥后充当结构的一部分，故而在山区桥梁以及城市桥梁建设中具有广泛的适应性。由于是无模板无支架的现浇，所以也被归为装配式结构。

钢-混组合桥面板的卓越特性如下：

（1）耐久性高、使用寿命长，后期维护工作量少，全生命周期成本低。

（2）特别适用于大间距主梁形式的大跨度桥面板。

（3）与传统混凝土桥面板相比，板厚有效减小，恒载重量降低。

（4）避免了复杂的预应力施工作业。

（5）现浇时不依靠模板和支架，缩短现场施工时间，特别利于跨道施工。

（6）桥面板底部覆设钢板，可防止长期使用过程中混凝土剥落。

（7）主梁顶推或大节段吊装时，可以作为临时的加劲部件。

山区组合梁桥快速化绿色建造实践

设置临时墩吊装施工

重庆南两高速太平桥互通C匝道桥上跨沪渝高速长寿支线，桥梁位于半径R120m的圆曲线及其缓和曲线上，桥上最大纵坡3.9%，横坡4.0%，桥宽10.5m，跨径布置为(32+34.3+35+46.8+33.2+25)m，设计采用了分体式双箱窄幅钢箱梁，桥面板采用组合桥面板。

具体施工方案：上跨高速公路的第3、4跨采用了中央分隔带设置临时墩，两台350t汽车吊半跨大节段整体提升工艺，其余跨采用了单片梁小节段散拼。组合桥面板采取了无支架无模板现浇工艺。整座桥梁上部结构有效工期约45天，影响高速公路通行约6小时。

无支墩大节段悬臂拼装

重庆南两高速大铺子互通H匝道桥上跨龙岩河，桥梁位于半径R300、R80、R300m的圆曲线及其间的缓和曲线上，桥上纵坡-4.4%～2.1%，横坡5 %～3.7%，最大桥高约50m，桥宽10.5m，桥跨布置为2×（3×32）m窄幅钢箱组合梁（组合桥面板）。

具体施工方案：工厂制作节段运至现场后工地拼装成长节段，采用了无支墩单梁悬臂拼装工艺，利用一台260t履带吊进行长节段主梁和桥面板底板吊装。整座桥梁上部结构有效工期约60天，避免了传统的环境影响较大的大规模高支架施工，为山区场地受限桥址的高墩小半径曲线梁桥提供了快速装配化施工的创新解决方案。

无支墩步履式顶推施工

重庆渝黔高速（扩能）忠兴枢纽互通D匝道桥上跨渝湘高速，桥梁位于半径R=115m圆曲线上，桥上最大纵坡3.9%，横坡5.0%，桥宽10.5m，跨径布置为（39+44+35）m，设计采用了分体式双箱窄幅钢箱梁，桥面板采用组合桥面板。

具体施工方案：全联桥主梁连同桥面钢底板单元利用引桥作为平台整体拼装，采用多点步履式连续顶推工艺进行架设，桥面板依托钢底板作为模板和防护设施进行现场浇筑，实现了上跨高速公路桥梁不占用车道不中断交通的无干扰快速化施工。整座桥梁上部结构有效工期约30天，对运营高速公路的通行影响降低到几乎可以忽略，有效降低了因交通拥堵带来的碳消耗和碳排放，经济社会效益显著。

随着国家“高质量发展” 和“交通强国”战略的不断推动，符合产业转型和升级的预制装配式桥梁的开发与应用方兴未艾，钢-混组合梁桥作为装配式桥梁家族的一员，在适应山区公路及城市高架桥梁绿色智能建造中得天独厚，独树一帜。近年来钢-混组合梁桥发展态势良好，衍生出了类型丰富的新型组合结构桥梁，尤其在中小跨度桥梁中地位逐渐提升。但我们也应正视与国外发达国家在钢桥设计、材料、工艺及装备等方面的行业整体差距，特别要指出的是基于系统周期论的理念，需要在技术合理化方面进一步加强基础性理论研究和试验，在工程实践中不断总结，从而提升我国的钢桥包括钢-混组合桥梁的建造水平，为助推我国从桥梁大国迈向桥梁强国增添新引擎。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2022年 第5期 总第109期

作者 / 陈奉民 谢小华

作者单位 / 中铁长江交通设计集团有限公司

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