隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，作為現(xiàn)代交通工程（高速鐵路、高速公路、都市軌道交通及其它市政交通）中的元素、長大型橋梁工程的建設往往成為整個交通工程建設的制約。
進入二十一世紀，大型橋梁工程的建設所面臨的項目重大邊界條件獨立與平衡統(tǒng)一的要求更加突出。這些橋梁建設的主要邊界條件包括：跨越性與交通功能性、結構安全與耐久性、項目靜態(tài)與動態(tài)投資、工程建設與環(huán)境保護、結構功能與建筑景觀、建設壓力與建設對社會環(huán)境的沖擊等。面對項目總體的要求與時常相互矛盾的邊界條件，決策者對項目總體技術的選擇往往是項目實施的核心技術管理元素，對項目的成功實施有著關鍵性的影響。幾十年來，在大型橋梁工程建設領域，全球的橋梁工程師們所艱辛開拓的主要橋梁建設現(xiàn)代工業(yè)化技術，即：大節(jié)段鋼梁技術及預應力混凝土梁短線節(jié)段吻合預制設計與施工技術等，為交通工程橋梁建設決策者、設計者、施工單位提供了一個安全、耐久、環(huán)保、經(jīng)濟、高效的技術平臺。 本文將就橋梁現(xiàn)代工業(yè)化技術核心從理念 - 設計 - 實踐通過全球范圍內(nèi)典范橋梁工程之案例（許多案例均由本文作者技術主持或參加）做簡明闡述與討論。
一、 引 言
我國中華山河壯麗，山高、水長，隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，作為現(xiàn)代交通工程（高速公路、高速鐵路、都市軌道交通及其它市政交通）中的元素，大型橋梁工程的建設往往成為制約整個建設的關鍵核心。
進入二十一世紀，大型橋梁工程的建設所面臨的關鍵要素有：跨越與交通功能性、結構安全與耐久性、項目靜態(tài)與動態(tài)投資、工程建設與環(huán)境保護、結構功能與建筑景觀、城市現(xiàn)有交通與施工干擾等。
面對項目總體的要求與時常相互矛盾的邊界條件，決策者對項目總體技術的選擇往往是項目實施的核心管理元素，這對項目的成功實施有著關鍵性的影響。在大型橋梁工程建設領域，大型鋼桁梁的整體節(jié)段技術及預應力混凝土橋梁工業(yè)化技術 － 短線節(jié)段吻合預制設計與施工技術（以下稱：預應力混凝土橋梁工業(yè)化技術）為交通工程橋梁建設決策者們提供了一個堅實、有力的技術平臺。
二、 正交異性橋面鋼桁架梁大節(jié)段工業(yè)化技術
現(xiàn)代鋼結構設計與鋼結構的制造、架安密不可分。一般來講，鋼結構的設計受到、并接受鋼結構制造條件、鋼結構安裝措施的限制?，F(xiàn)代鋼結構設計、制造、安裝技術的發(fā)展史也可以基本上說是一部不斷深入的“工業(yè)化”理念的實踐史。所為鋼結構的“工業(yè)化”理念在這里是指：鋼結構設計、制造、運輸及安裝的工廠化、標準化、及大型化， 現(xiàn)代鋼結構工業(yè)化的基本目標是更好更快地實施不同形式的鋼結構工程。我國現(xiàn)代鋼桁架橋梁基本單元從桿件+板片到桿件+整體節(jié)點，鋼結構單元的基本連接形式從卯接到栓焊連接，整整走過了近百年的歷史。目前，國際發(fā)達國家已經(jīng)發(fā)展到了大節(jié)段乃至超大節(jié)段設計、制造、運輸、及吊安，極大地提高了項目實施的效率，更好地保證了鋼結構工程的質(zhì)量。
重慶菜園壩長江大橋為目前全球最大跨度的公軌雙用拱橋，其正交異性橋面桁架梁-即“板桁鋼梁”設計在已經(jīng)發(fā)展成熟的整體節(jié)點、高強鏍栓、厚板焊接等技術的基礎之上在國內(nèi)首次采用大節(jié)段設計、大節(jié)段制造、大節(jié)段運輸、大節(jié)段吊安的設計理念旨在保證質(zhì)量，并給施工單位提供了更大的工期保障空間。
圖 1 橋面板制造分割方安 與節(jié)段吊安示意
“板桁鋼梁”大節(jié)段設計制造的工業(yè)化技術提高組合桁梁的承載效率，工地吊安的節(jié)段化提高了施工速度、更好地保證了結構質(zhì)量。但也同樣給設計、制造、施工帶來了新的挑戰(zhàn)與難題。在設計層面需要解決的新問題主要包括：
- “板桁鋼梁”正交異性橋面與桁架梁上玄桿的聯(lián)合作用；
- “板桁鋼梁”上玄桿橋面板及橋面板主、次橫梁的連接構造細節(jié)；
- 吊桿-“板桁鋼梁”橫梁-斜吊桿-下玄桿-下軌道橫梁傳力設計及構造設計。
在制造方案及工藝設計方面的新問題更多，其中主要有：
- “板桁鋼梁”正交異性橋面板制造基本單元分塊；
- “板桁鋼梁”正交異性橋面板制造基本單元的連接形式；
- “板桁鋼梁”正交異性橋面板形變控制技術；
- “板桁鋼梁”多種整體節(jié)點的制造工藝；
- “板桁鋼梁”大節(jié)段總體組裝方案與精度控制技術；
圖2 重慶菜園壩長江大橋組合式公軌雙用鋼桁架梁大節(jié)段段間對拼實驗
重慶菜園壩長江大橋組合式公軌兩用“板桁鋼梁”大節(jié)段段間對拼足尺實驗于2005年4月30日在重慶船廠首次實施，兩節(jié)段八點同時對接在四十六分鐘內(nèi)順利完成。大節(jié)段對接的成功標志著我國鋼結構設計、制造技術在工業(yè)化的道路上又邁上了新的臺階。2007年金秋十月，重慶菜園壩長江大橋的順利開通驗證大節(jié)段鋼梁工業(yè)化技術的實用性，并為我國公軌交通大型鋼橋?qū)嵤┑於碎_拓性的關鍵技術基石。
全球最大跨度的重慶長江大橋復線橋，采用了七跨一聯(lián)鋼-混組合式連續(xù)剛構為大橋復線橋正橋結構。現(xiàn)行實施的復線橋橋跨布置為：86.5m + 4 x 138m + 330m (主跨) + 132.5m = 1101m。主跨采用鋼-混組合式懸臂剛構結構體系不僅實現(xiàn)了330m 主跨的安全跨越，而且使其由收縮徐變所引起的結構變形得到緩解，從而進一步改善大橋使用性能。此外、連續(xù)剛構的實施對項目資金及工期的壓力也相對較小。大橋?qū)嵤╆P鍵技術主要包括：
- 超大跨度剛構連續(xù)梁橋施工階段的內(nèi)力與線形控制，
- 鋼-混接頭的實施，
- 330m 主跨中段103-m鋼箱梁的制造、運輸、橋下定位、精確吊安技術(目前長江大橋?qū)嵤┲凶畲篌w量的一次吊安工業(yè)化技術)，
- 大體積、高性能混凝土實施綜合技術。
主跨330m的重慶石板坡長江大橋復線橋是世界上最大跨度的梁橋。它的安全、成功實施不僅將開創(chuàng)梁橋設計與建設的新紀元、而且也講成為全國乃至全球超大跨度梁橋的建設奠基石與里程碑。
圖3 重慶石板坡長江大橋復線橋效果-運輸-吊安-成橋圖
歷 史
早在二十世紀四十年代，由預應力混凝土的創(chuàng)始人之一 Eugene Freyssinet（法國人）開始了對預應力混凝土橋梁短線節(jié)段吻合預制技術的探索。并且由Eugene Freyssinet的后繼傳人Jean Muller（法裔美國人）與他的同人們將這項技術完善、并發(fā)揚光大。他們于1952年在美國紐約州東巴佛羅地區(qū)（in the State of New York, East of Buffalo, the United States）的一座小型橋梁上成功地實施了這項技術。
此后，在二十世紀六十、七十、八十年代法國與美國的公路橋梁建設中，該項技術得到大范圍的應用。在這個時期，預應力混凝土橋梁工業(yè)化技術不僅應用到了簡支梁橋，同時也在連續(xù)梁、連續(xù)剛構、拱橋與斜拉橋中得到廣泛的應用。在這樣的歷史背景下，美國節(jié)段法橋梁協(xié)會（American Segmental Bridge Institute - ASBI）于1989年成立。ASBI的成立在業(yè)主、設計咨詢、承包商、與專項產(chǎn)品分包商之間建立了技術交流的橋梁，并協(xié)助美國各州公路和運輸工作者協(xié)會（AASHTO）編制了全球第一部節(jié)段預制塊橋梁設計規(guī)范，從而使這項工業(yè)化技術得到了極大的發(fā)展。
今天，在美國一半以上的大型混凝土橋梁，特別是都市區(qū)混凝土橋梁的設計與施工中均采用了該項技術。二十世紀八十年代后期這項橋梁工業(yè)化技術來到了亞太地區(qū)，并在泰國的曼谷、澳大利亞、新西蘭、日本、我國的香港、澳門等地區(qū)的橋梁建設中廣為使用。上世紀九十年代后期與本世紀之初，我國開始了對這一項橋梁建設工業(yè)化技術的學習與嘗試，并在我國個別工程中（如：中鐵三院設計的哈達客運專線普蘭店跨海特大橋及遼河鐵路特大橋，瀚陽（國際）咨詢所設計的國內(nèi)工點：廣州軌道交通四六號線高架工程、六號線珠江大橋、福建沉州特大橋；交通部門的工點：蘇通大橋引橋等）進行了實踐實施，為我國橋梁建設的工業(yè)化技術的推進作出了貢獻，加快了我國從橋梁大國到橋梁強國過度的進程。
目前建設部于2007年頒布了“預應力混凝土橋梁節(jié)段逐跨拼裝施工技術規(guī)程”(CJJ/T111-2006)，為預制塊橋梁施工技術在我國的推廣與應用提供了先期的技術支持。
圖4、 美國 Hawaii H3
圖5、 Natchez Trace Bridge，Tennessee
圖6、 Lin Cove Viaduct， North Carolina
圖 7、 香港- Shenzhen western corridor / deep bay link / lai chi kok
圖 8、 廣州地鐵四號線、六號線
圖 9、 遼河鐵路特大橋
圖10、 蘇通長江公路大橋（引橋）
基本原理與關鍵技術
基本原理
像鋼結構工業(yè)化一樣，預應力混凝土短線節(jié)段技術就其核心是將混凝土結構進行整體設計分割，在零應力狀態(tài)下進行工廠化節(jié)段制造，并通過三維控制技術使工廠化、標準化的生產(chǎn)滿足橋梁設計功能與幾何多樣化的要求。
短線配套澆筑法的第一節(jié)段通過固定端模板及活動端模板的控制而澆灌，稱為‘基準節(jié)段’，然后依次用完成的節(jié)段作為下一節(jié)段的活動端模板作匹配澆筑，使接口完全吻合，當前一節(jié)段完成匹配澆筑后，后一節(jié)段便被移走存放，不需要整段橋跨在預制場拼合。正由于整跨橋是分段預制的，因此對每一節(jié)梁的三維尺寸控制非常重要，否則現(xiàn)場拼裝就可能出現(xiàn)完成拼裝后的橋線形與設計不符或相鄰橋跨根本不能接合的重大錯誤。
在澆灌工序中，我們統(tǒng)稱和固定端模板相接的節(jié)段為“現(xiàn)澆節(jié)段”（W/C），而起活動端模板作用的節(jié)段為“匹配節(jié)段”（M/C）。
相鄰節(jié)段的拼合示意
橋梁線形總坐標與節(jié)段梁三維坐標關系的建立
為了使節(jié)段完成拼接后與整個橋梁的設計線形相符合，必須先將整個橋的線形控制坐標分解成每個節(jié)段接縫處的三維坐標。每次澆注時通過調(diào)整匹配節(jié)段的位置來建立新澆注節(jié)段接縫處的三維坐標。最后所有構成橋梁的節(jié)段三維坐標要能閉合成整個橋梁的線形總坐標。各個節(jié)段和完成的橋梁結構之間的關系可以由以下三個不同的參考系來確定：
①最終參考系：是針對完成后的橋梁結構幾何形狀的參考坐標。在這個參考系中，每個節(jié)段都用其基本幾何形狀來描述。
②輔助參考系：與節(jié)段梁模具相一致，并建立在模具固定端模板上面。
③基本參考系：建立在每個節(jié)段梁上，一般分解在節(jié)段梁間接縫處。在節(jié)段澆注時，基本參考系與輔助參考系重合。
節(jié)段三維調(diào)整的基本方式
模具的固定端模板永遠垂直于澆注節(jié)段的中線，因此每一個匹配節(jié)段作為下一節(jié)段封口的端面都是垂直于自身中軸線的。在匹配澆筑時，匹配節(jié)段經(jīng)過三維方向的轉(zhuǎn)動確定其位置，使每一匹配節(jié)段的中軸線在接口位置與線形曲線吻合。
要完成短線匹配的要求，三維幾何控制軟件需提供相關數(shù)據(jù)，以指導匹配節(jié)段的定位。
優(yōu)勢 / 安全、質(zhì)量、耐久、經(jīng)濟
材料科學、計算力學、制造施工技術是橋梁工程技術中地三大支柱。上世紀以來，橋梁的制造與施工技術一直在沿著工業(yè)化的方向發(fā)展。橋梁制造與實施工業(yè)化所帶來的成果之一就是高性能、穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。橋梁中的節(jié)段預制技術把傳統(tǒng)的“將天上的澆注工作請到了車間”，是“現(xiàn)場”多工面的施工作業(yè)經(jīng)過統(tǒng)一分解、并集成到了工業(yè)化的、可以重復優(yōu)化的制造工序?；炷凉?jié)塊的質(zhì)量與穩(wěn)定性得到了從材料直到各個工序的保證。
另外，由于混凝土節(jié)塊在預制完成后將會在預制場內(nèi)有一定的儲存期，進而使節(jié)段預制工法實施的預應力混凝土橋梁中的收縮徐變效應相對減少，從而提高此類橋梁的使用壽命，減少業(yè)主的后期維護及運營費。
•速度快
預應力混凝土橋梁工業(yè)化技術的另一個特點就是速度快。由于該項技術可以將巨大的永久結構合理分塊，現(xiàn)場作業(yè)量小，對于大型工程可以多點施工組裝架設，速度之快是其它施工工法難以比擬的。
實例1：被譽為全球顛峰工程的加拿大海灣大橋（也叫加拿大聯(lián)邦大橋－Confederate Bridge）：大橋全長13.8 km，北桑波瀾德（North Thumberland Strait）風大、浪大、水急、海峽深（最深為：43m）、冰封期長（每年六個月）。該工程采用超大預制塊技術，項目采用設計施工總承包形式，總工期僅為40月（本文作者有幸作為項目技術負責人之一，參加本項工程的設計與施工）；
圖 11、Confederate Bridge
實例2：泰國曼谷曼納（Bang Na Expressway 簡稱BNE）都市高架特大橋：預制橋梁全長55公里，都市區(qū)內(nèi)施工。該工程采用全預應力混凝土上部結構，項目采用設計施工總承包形式，總工程工期為48個月（本文作者有幸作為項目技術負責人之一，參加本項工程的設計與施工）。
<
圖 12、Bang Na Expressway
•施工工法適應性強
預制節(jié)段的現(xiàn)場拼裝的方法可以多種多樣，其中典型就有：（a）簡支單跨架設法；（b）懸臂平衡架設法；（c）推頂架設法；（d）支架架設法；（e）整孔架設法等。
圖 13（a）簡支單跨架設法
圖 13（b）懸臂平衡架設法 - 1
圖 13（c）懸臂平衡架設法 - 2
圖 13（d）推頂架設法
圖 13（e）支架架設法
圖 13（f）整孔架設法
由于橋梁制造與實施工業(yè)化技術的技術核心目的與效果之一是“將天上的澆注工作請到了車間”，現(xiàn)場架設施工基本不受白天、黑夜與天氣條件的限制。運梁、吊梁大多在夜間進行，張拉成梁多在白天實施，所以這套工業(yè)化橋梁建設技術的實施大大緩解了由于現(xiàn)場施工給工程周邊自然環(huán)境（工業(yè)塵土、噪音等）與社會環(huán)境（交通堵塞、人力時間資源浪費等）帶來的沖擊，真正做到了“以人為本、文明生產(chǎn)”。這也是歐、美乃至亞洲發(fā)達地區(qū)（如日本、香港等）普遍采用短線節(jié)段吻合預制設計與施工技術的重要原因之一。
•相對經(jīng)濟優(yōu)勢
孤立的將一座小橋來就傳統(tǒng)的現(xiàn)澆工法與短線節(jié)段預制法進行經(jīng)濟性比較是片面的做法。就象任何工業(yè)化技術一樣，它需要基本的規(guī)模。就跟一輛手工汽車與專用生產(chǎn)線所生產(chǎn)的唯一的一輛汽車不能進行簡單的經(jīng)濟性比較一樣。很顯然，橋梁工程的規(guī)模越大，用短線節(jié)段預制法進行橋梁建設的經(jīng)濟效益就越高；工程規(guī)模越小，經(jīng)濟效益也越低。若工程規(guī)模過小，單就經(jīng)濟效益來評價，甚至不如傳統(tǒng)的“現(xiàn)澆”工法。最終的經(jīng)濟指標也與工程所在地區(qū)的人力、與材料資源價格有關，對具體工程應具體分析。
依據(jù)過去幾十年的實踐工作經(jīng)驗，一般而言，在歐、美等工業(yè)發(fā)達地區(qū)，總長超過1.0 – 1.5公里的預應力混凝土橋梁，短線節(jié)段預制法所帶來的經(jīng)濟效益開始體現(xiàn)；在亞洲中等發(fā)達地區(qū)（如港、澳）以及我國大型都市（如：上海、深圳、北京、廣州）地區(qū)，經(jīng)濟工程最小橋長（立交可記匝道長度長之合）一般應在2.5公里左右；而在我國國內(nèi)中等發(fā)達城市（如大多數(shù)省會城市），經(jīng)濟工程最小橋長可能在3.0公里左右。值得注意的是這里講的橋長不是指單一橋梁結構的橋長，而是屬于一個業(yè)主、一批橋梁工程的總長。
另外，像其它發(fā)達與中等發(fā)達國家一樣，我們國家也正在走出“單一靜態(tài)工程投資”決定一切的模式，進而走入“安全、耐久、生命周期投資、環(huán)境與景觀”綜合因素決策的時代。從負責當代到造福后代。
技術特點
預應力混凝土橋梁工業(yè)化技術特點很多，但其中最核心的一條是：總體實施方案的“4+1”原則。這里的“4”是指：設計、制造、運輸、架設，而“1”是指項目管理。五個元素密不可分，設計為技術源頭、制造與運輸為技術條件、管理為技術保障。
圖14 設計、制造、運輸、架設
項目要安全、順利、高效地實施，要求項目設計者不僅對橋梁結構設計本身有深入的掌握，而且對節(jié)段橋梁的制造、運輸、架設過程有十分清晰的把握。并且這其中任何一個環(huán)節(jié)的脫節(jié)都會導致嚴重的后果。例如：在常規(guī)的預應力混凝土橋梁實施過程中，最終成橋幾何由設計文件確定，并由監(jiān)控與施工單位現(xiàn)場調(diào)整實現(xiàn)；節(jié)段預制技術則有很大不同，其最終成橋幾何在節(jié)段制造中就已經(jīng)確定，現(xiàn)場很難，甚至無法調(diào)整，所以設計不但要對橋梁的安全、耐久設計負責，更要在設計的初期對橋梁的成橋線型負責。
另外，正是因為短線節(jié)段預制設計與施工技術是一個比較徹底的工業(yè)化技術，實施的系統(tǒng)性極強，一個高效的項目管理層也是該技術推廣的必要條件。
四、橋梁現(xiàn)代工業(yè)化技術在我國的發(fā)展與推廣展望
大量的國際工程實踐與近年來我國在部分橋梁工程實施的經(jīng)驗，現(xiàn)代橋梁工業(yè)化技術在我國開展與推廣的基本條件已經(jīng)成熟。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展進一步深入，交通工程中橋梁基礎設施實施質(zhì)量與耐久性問題越來越突出，而且社會對環(huán)境保護的意識與責任越來越強，大節(jié)段鋼梁技術及預應力混凝土節(jié)段預制技術在橋梁中的應用會越來越被重視和推廣。
另外，隨著機械化及工廠化的推廣，預應力混凝土橋梁工業(yè)化技術會有更大的發(fā)展空間和經(jīng)濟優(yōu)勢。
作者：孫峻嶺
孫峻嶺博士，美國加州大學工學博士，美國注冊結構工程師，廣州瀚陽工程咨詢有限公司總經(jīng)理兼技術總監(jiān)，中國橋梁節(jié)段預制設計規(guī)范主編人，港珠澳大橋工程安全評定組組長，三獲國際ENR工程大獎，獲“2011年第二屆廣州新僑回國創(chuàng)業(yè)杰出貢獻獎”。
