由于城市化水平的提高，公衆對橋梁建設提出了更高的期待，要求提高橋梁建設的工業化水平、節約資源、提高生産效率、改善施工人員的工作條件等。由此，預制節段橋梁建造技術在國內得到了廣泛的關注，一批大型城市道路工程已經或計劃采用預制節段技術。同時，預制節段橋梁建造技術的應用，也對設計施工一體化、項目組織管理提出了新的挑戰。
本文主要作者在中國香港、新加坡和其他東南亞國家，有超過20年的預制節段橋梁設計、施工經驗。文中對預制節段橋梁建造技術的發展，流行的ABC技術，預制節段橋梁的主要技術選擇、預制節段橋梁技術對建設管理體系的挑戰等問題進行了討論，希望爲國內同行提供一些借鑒。
預制節段橋梁的幾個裏程碑
提到預制節段橋梁，就不能不提到預應力鼻祖Eugene Freyssinet，他設計並建造了世界第一座預制節段橋。該橋主跨55m，橋寬8m，位于法國中北部Luzancy，雙鉸剛構體系，采用濕接縫進行節段拼接，于1941年動工，由于二戰的影響，直到1946年才建成。該橋在2007年完成了一次檢測，結果表明，在建成60年後，Luzancy橋的結構和節段混凝土質量仍保持良好狀態。
圖1 法國Luzancy橋
法國是預制節段橋的誕生地和建造技術發展的搖籃，同時，世界上第一座采用節段匹配預制法施工的大型橋梁也在法國，即：由Freyssinet的門徒和工作夥伴Jean Muller設計的Choisy-Le-Roi橋。該橋位于巴黎南部，橫跨塞納河，跨度爲37.5m+55m+37.5m，橋面寬28.40m，采用環氧樹脂膠接，1962年完工。
世界第一座采用短線法進行節段預制的橋梁亦由Muller設計，位于法國Pierre-Bénite，橫跨Rhne河，主跨84m，建成于1965年。短線法的出現，降低了對節段預制場的空間要求，對橋梁幾何外形和線路曲線適應性強，預制效率高，是預制節段橋梁建造技術發展史上的一次飛躍。
1966年建成的法國Oleron Viaduct橋，是世界上第一座采用造橋機建造的預制節段橋，該橋主跨26×79m，全長2862m。由于采用了先進建橋裝備，成橋效率達到了平均每月270延米，建造周期縮短到了創紀錄的兩年。第一座采用造橋機建造的曲線橋梁是蜿蜒于瑞士日內瓦湖畔的Viaduc de Chillon高架橋，該橋全長2210m，最大跨度104m，1969年建成。
上世紀70年代，預制節段橋梁建造技術在美國得到了長足發展，誕生了一批堪稱經典的工程，如位于佛羅裏達Key West，全長3680m的Dante B. Fascell 跨海大橋。爲簡化建造過程，該橋第一次采用逐跨拼裝工藝，第一次采用全體外預應力技術和幹接拼裝工藝，成橋速度達到每周2.5跨，高峰達到每周5跨，比預定工期提前數月完成，于1982年通車。
上世紀90年代，這些技術在全長38.5km的曼谷Si Rat Second Stage Expressway工程中得到了大規模應用。該工程由日本熊谷組設計施工，1996年完工，典型跨度45.3m，總共預制安裝了20500個節段。
建成于1984年的北卡羅萊來州Linn Cove高架橋，位于環境敏感的Blue Ridge Parkway國家公園內，道路線形複雜，最小曲線半徑僅76m，道路橫坡變化達到了10%。作爲景區的一部分，沿線巨大的冰川漂礫和樹木都不容許被擾動。爲應對以上挑戰，該橋第一次采用了連續懸臂節段拼裝技術，第一次采用橋面吊機進行墩身節段拼裝。建成後的橋梁與周圍環境融爲一體，堪稱最美的預制節段橋。
圖2 法國Oleron Viaduct橋
圖3 Viaduc de Chillon高架橋
圖4 曼谷Si Rat Second Stage Expressway工程
圖5 Linn Cove 高架橋
1991年，世界上第一次大規模使用預制節段橋梁建造技術的輕軌交通項目在墨西哥Monterrey建成通車，其中17.8km的高架線路和17個高架站全部采用了箱形預制節段梁，6503個節段均采用長線法預制完成，大部分爲簡支梁，僅有4組連續梁。簡支梁梁體軸線均爲直線，通過變寬橋面板來滿足線路曲線要求，典型跨度27m，最大跨度36m。其中在車站使用懸臂式的預制橫梁支撐旅客站台。
圖6 Monterrey輕軌車站中采用預制橫梁支撐的站台
12年後，同樣在這個項目的二號延長線高架段上，爲降低輕軌車輛運行噪音，提升橋梁外觀的美學效果，第一次在輕軌交通項目上采用預制U形節段橋方案。U形梁典型跨度爲37m，梁高1.9m，底板厚度0.25～0.3m，邊牆厚度0.3m，典型節段重約35t，采用AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges和ACI 318-05進行設計。
在高速鐵路工程中，橋梁占比高，采用預制節段橋梁建造技術，可以突破整孔運輸的限制。目前，世界上最大的高速鐵路預制拼裝橋梁工程出現在2015年完工的法國圖爾-波爾多高鐵線路上，共7座高架橋采用了預制節段建造技術，總長3270m，典型跨度47m，橋面寬度12.9m，采用短線法預制，懸臂法連續架設工藝，材料爲符合歐洲標准的C50/60混凝土，體內體外混合預應力束。
上世紀90年代以來，隨著西方國家大規模基礎設施建設結束，中國大陸和香港以及東南亞地區成爲預制節段橋梁建造技術應用的主戰場，誕生了多個世界紀錄。大跨度（180m）的預制節段梁式橋，就出現在港珠澳大橋香港接線段(HZMB Hong Kong Link Road)。該段工程全長12km，其中高架段爲9.4km，全部采用預制節段橋。
此後，在2018年，該紀錄被200米跨的連接港珠澳大橋香港口岸的屯門赤角連線橋(Tuen Mun-Chek Lap Kok Link)所超越。
圖7 施工中的屯門赤角連線橋
目前世界第一和第二大規模的公路橋梁預制節段建設項目，分別爲鄭州四環路及大河路快速化工程和泰國曼谷Bang Na Expressway。前者預制主線長度共計約93.3km，預制匝道長度共計約46.4km，全線預制主梁（含匝道）節段數約5萬榀；Bang Na Express高架全長54km，1300跨，全部40000個節段采用短線法預制，該項目也是迄今爲止最大的采用縱向體外預應力和幹接法的項目，于2000年1月完工，並于同年入選“吉尼斯世界紀錄”。
圖8 施工中的Bang Na Express 高架橋
預制節段橋梁建造與ABC
在美國等西方發達國家，大量的基礎設施日漸老化，據統計，在全美現有的60萬座橋梁中，有23%的橋梁已低于服役標准，急需維修或替換。但對美國這種以公路運輸爲主的發達經濟體，橋梁維修或替換所造成的長時間封道、改道，會對公共運輸造成負面影響和可觀的監管代價，甚至會超過結構工程自身的成本，是交通體系的不可承受之重。爲應對這樣的挑戰，ABC（Accelerated Bridge Construction 快速橋梁建造）在美國得到了快速發展，相關技術研究也非常活躍。
從本質上說，ABC不僅是工法，更是圍繞以減少現場施工周期爲目標的開放的技術及管理體系，涵蓋了基礎施工、下部結構和上部結構等與橋梁建設相關的幾乎所有內容。
由于與ABC理念上一致，對橋梁外形和線路曲線適應能力強，預制節段橋梁建造很自然地被納入到ABC的技術體系中，成爲ABC技術中大跨度（≥90m）、曲線或變寬橋梁解決方案的一部分。
從結構上來說，ABC減少現場施工時間的主要措施，就是大量采用模塊化的裝配式橋梁構件（PBES），並形成了許多有特色的解決方案。如橋面系統就有工字梁、雙T梁、倒T梁、小箱梁等多種方案；對下部結構預制裝配、連接構造，也發展了許多成熟的建造方法。
在結構就位方法上，ABC有采用SPMT運輸車整橋就位、橫向滑移、水平轉體等方式。
ABC鼓勵采用高性能材料，如UHPC、高性能鋼材、FRPC等。由于UHPC擁有超高的抗壓及抗拉強度，可以大大減小鋼筋的錨固長度，將其用于橋面現澆橫向接縫，施工簡便，提高了橋面的整體性。又如，可采用UHPC薄殼作爲永臨結合模板，用于墩柱和頂帽施工中，裏面填充輕質混凝土，運輸方便，施工速度快，也可減小結構自重。
在建設管理模式上，ABC推薦采用DB和CMGC兩種模型，其中DB（Design-Build）由一個承包商負責全部設計和施工，相當于我國的全過程工程總承包；CMGC（Construction Manager / General Contractor）則強調業主的全過程參與，相當于分階段工程總承包。
特有的設計原則與工藝
預制節段橋梁的設計需要和施工緊密結合。預制塊的制造和安裝工藝是保證預制節段橋梁成功與否的關鍵。制定預制節段橋梁特有的設計原則是保證結構正常使用的核心。
1.預制節段橋梁的經濟性和適用性
大型高架橋和城市立交群可以將預制節段橋梁作爲可選方案。對于單一橋梁，如受到現場和環境的限制，也可以采用預制節段橋梁。出于經濟效益的考慮，前者一般采用短線法預制，後者采用長線法。
從過去成功的例子看，預制節段橋梁被廣泛運用于城市立交及城市主幹線，包括跨海跨江大橋，山區及丘陵地區的橋梁。例如香港，20余年來，幾乎所有橋梁均運用預制節段技術，還被廣泛運用于城市軌道交通線等。
2.預制節段橋梁的設計
預制節段技術是橋梁現澆懸臂節段施工技術自然發展的結果。節段間的應力控制和剪力傳遞就成了預制節段橋梁設計中幾個主要設計考量。
在中國香港，預制節段橋梁的設計基本遵從AASHTO和英國標准，對臨時階段和正常使用階段，要求所有的節間均把應力控制在受壓狀態。然而在新加坡，當地的陸路交通部門卻對正常使用狀態下節段間的最小壓應力提出了明確要求。
3.預應力體系及耐久性設計
耐久性設計在節段橋梁中突出的要求就是對預應力筋的保護。這包括預應力管道的選取，節間及濕接縫的處理，預應力錨具和體外預應力筋的保護。在歐洲標准中，現有3個級別的保護。在港珠澳大橋香港段和新加坡在建的橋梁中，均采用二級保護，這包括采用塑料材料作爲預應力的管道等。
4.預制節段橋梁的抗震性設計
是不是預制節段橋梁就不適合抗震設計呢？在港珠澳大橋的設計上，設計要求橋梁能承受2475年一遇的大地震。香港段所有節段橋梁均需滿足這項設計要求。
在實際設計過程中，地震被分爲3個級別——120年一遇、475年一遇、2475年一遇。120年一遇就是在橋梁正常使用的120年裏可能遇到的地震。預制節段橋梁要求在120年一遇的地震下，滿足所有正常使用應力（Serviceability Limit State）的控制要求，即節間不可以張開或還有一定的應力儲備。在475年一遇的地震下，預制節段橋梁要滿足所有的極限承載力狀態 （Ultimate Limit State）的要求。在2475年一遇的地震下，要滿足所有的結構整體性極限狀態（Integrity Limit State）的要求。也就是說采用了3個極限狀態來設計。
5.預制節段橋梁的維護
每一座橋梁在設計階段都應考慮未來的維護。橋梁的維護是增強使用壽命和減少垮塌事故不可或缺的手段。對全預應力和混合預應力橋梁，必須爲預應力筋的檢查、更換和張拉預留空間。從養護角度來說，一個不能檢查更換體外索的橋，就是一個病害橋。
6.節段的預制
如前所述，節段預制有長線法和短線法，節段預制橋梁絕大多數是短線法。無論是長線還是短線，節段間的匹配澆築是關鍵。港珠澳大橋香港側的節段橋梁，大到180米和200米跨，均采用短線法預制。
7.預制節段的架設
如今，各國在預制節段橋梁的架設方法上均積累了豐富的經驗。結構體系轉換方面，有懸臂拼裝法和逐跨架設法，與普通橋梁一樣。施工機具方面，主要有起重機法，海上浮吊、橋面吊機法、架橋機法。這些設備以及模板、預制場、碼頭等，投入巨大，在項目建造成本中占比大。因此，預制節段橋梁，尤其是短線法，只在大規模的橋梁建設中方能體現其優勢。
圖9 架橋機逐跨架設的新加坡大士西延長線(Tuas West Extension)
8.幾何監控
幾何監控是決定預制節段橋梁成敗的關鍵技術要素。長線施工法中的幾何監控相對簡單。對于短線法，任何兩個節段之間幾何關系的澆築錯誤，都會對橋跨線形産生重大影響。在大型立交橋群項目中，必須借助計算機軟件處理。目前諸多機構宣稱已擁有該技術，但基本沒有達到可應用的程度。
幾何監控不是指狹義上的架梁過程監控，而是從節段劃分到節段安裝完成的全過的程精算、精測、精控。它包括以下技術要點和範疇，並通過一系列的手段和技術介入，達到預設的成橋線形。
①建立清晰的預制節段劃分的數學模型；
②精確計算每片節段的幾何參數；
③精准計算把預拱考慮在內的澆築節段與匹配節段間的幾何關系；
④生成匹配節段在預制場坐標系下的位置的坐標，並把澆築偏差考慮在內；
⑤生成澆築節段在澆築後，其控制點在預制場坐標系以及在大地坐標系下的坐標；
⑥計算並提供在特定的安裝階段橋梁的線型或某些節段的位置，並提供糾偏所需的指導數據。
在中國香港和東南亞的工程實踐中，一個要承接預制節段橋梁的承包商必須擁有幾何監控的能力，或者必須尋求特種承包商的技術支持。
建設模式的新挑戰
在中國香港、新加坡和東南亞，越來越多的橋梁采用設計施工總承包的形式。他們一般都采取國際招標。一些知名的內地企業已經進入這個市場，並且在和國際大承包商競爭中脫穎而出。
橋梁的建造有施工階段和運營階段，也稱成橋狀態。和現澆的懸臂施工方法一樣，預制節段橋梁在施工時有很多技術細節在設計階段需予以考慮。因此，預制節段橋梁特別適合采用設計施工總承包的模式。如果采用建造標（Build Only）的形式，業主也必須明確設計院以及承包商在各階段，特別是施工階段設計的責任。
業主可以把施工階段和成橋狀態的問題完全轉移給承包商。否則，業主或業主代表（設計院、監理工程師）就需承擔其管理者的角色。對于設計施工總承包，業主要從技術標准、運營及維修上提要求，承包商則需要呈遞滿足全部技術要求的標。然後，業主選擇最優選的標，予以授標。
如果采用建造標模式，業主需提前完成設計，或在設計基本完成的情形下再招標。在中國香港和新加坡，早期的節段橋均采用此模式，但承包商會根據己之所長提出變更設計，並且通常爲變更設計中標。後來漸漸采納了設計施工總承包的形式，業主只要給出具體功能性要求，並指定采用預制節段技術就可招標和授標，大大節省了前期設計所需的時間。
相對于一般橋梁，節段橋梁施工階段的技術要求高，對承建企業的綜合管理能力要求亦高。港珠澳大橋香港側的所有節段橋、新加坡整條軌道高架線和7公裏的高架高速公路、斯裏蘭卡5公裏的港口城通道，均采用了設計施工總承包的方式授標。在這些項目競標中，內地企業同樣表現不俗。
國內實施設計施工總承包，需要加強對設計的獨立審核和監管。在現有的建設模式下，如果把施工階段的設計交由承包商完成，而業主的設計院承擔獨立驗算與審核的監管角色，是一個可以探索的模式。當然有些特種施工階段的設計，例如架橋機、幾何監控等，應該安排專業的第三方獨立審核。設計院的焦點應該是永久結構的運營安全。另一個可行的辦法是推行監理工程師審核承包商在橋梁施工階段的結構安全，包括大型架橋設備等。在新加坡和中國香港，對橋梁結構在施工階段的設計及安全，已納入了監理工程師的工作範疇。
隨著越來越多的預制節段橋梁在國內推行，無論采用何種模式，在合約上明確各方責任，方是安全高效地建成一座高質量橋梁不可或缺的步驟。
本文刊載 /《橋梁》雜志 2020年 第3期 總第95期
作者 / 曹盛發 吳振光 李彬
作者單位 / 林同棪國際（新加坡)
新加坡NBEC工程咨詢公司
中鐵第五勘察設計院集團有限公司