由于城市化水平的提高，公众对桥梁建设提出了更高的期待，要求提高桥梁建设的工业化水平、节约资源、提高生产效率、改善施工人员的工作条件等。由此，预制节段桥梁建造技术在国内得到了广泛的关注，一批大型城市道路工程已经或计划采用预制节段技术。同时，预制节段桥梁建造技术的应用，也对设计施工一体化、项目组织管理提出了新的挑战。
本文主要作者在中国香港、新加坡和其他东南亚国家，有超过20年的预制节段桥梁设计、施工经验。文中对预制节段桥梁建造技术的发展，流行的ABC技术，预制节段桥梁的主要技术选择、预制节段桥梁技术对建设管理体系的挑战等问题进行了讨论，希望为国内同行提供一些借鉴。
预制节段桥梁的几个里程碑
提到预制节段桥梁，就不能不提到预应力鼻祖Eugene Freyssinet，他设计并建造了世界第一座预制节段桥。该桥主跨55m，桥宽8m，位于法国中北部Luzancy，双铰刚构体系，采用湿接缝进行节段拼接，于1941年动工，由于二战的影响，直到1946年才建成。该桥在2007年完成了一次检测，结果表明，在建成60年后，Luzancy桥的结构和节段混凝土质量仍保持良好状态。
图1 法国Luzancy桥
法国是预制节段桥的诞生地和建造技术发展的摇篮，同时，世界上第一座采用节段匹配预制法施工的大型桥梁也在法国，即：由Freyssinet的门徒和工作伙伴Jean Muller设计的Choisy-Le-Roi桥。该桥位于巴黎南部，横跨塞纳河，跨度为37.5m+55m+37.5m，桥面宽28.40m，采用环氧树脂胶接，1962年完工。
世界第一座采用短线法进行节段预制的桥梁亦由Muller设计，位于法国Pierre-Bénite，横跨Rhne河，主跨84m，建成于1965年。短线法的出现，降低了对节段预制场的空间要求，对桥梁几何外形和线路曲线适应性强，预制效率高，是预制节段桥梁建造技术发展史上的一次飞跃。
1966年建成的法国Oleron Viaduct桥，是世界上第一座采用造桥机建造的预制节段桥，该桥主跨26×79m，全长2862m。由于采用了先进建桥装备，成桥效率达到了平均每月270延米，建造周期缩短到了创纪录的两年。第一座采用造桥机建造的曲线桥梁是蜿蜒于瑞士日内瓦湖畔的Viaduc de Chillon高架桥，该桥全长2210m，最大跨度104m，1969年建成。
上世纪70年代，预制节段桥梁建造技术在美国得到了长足发展，诞生了一批堪称经典的工程，如位于佛罗里达Key West，全长3680m的Dante B. Fascell 跨海大桥。为简化建造过程，该桥第一次采用逐跨拼装工艺，第一次采用全体外预应力技术和干接拼装工艺，成桥速度达到每周2.5跨，高峰达到每周5跨，比预定工期提前数月完成，于1982年通车。
上世纪90年代，这些技术在全长38.5km的曼谷Si Rat Second Stage Expressway工程中得到了大规模应用。该工程由日本熊谷组设计施工，1996年完工，典型跨度45.3m，总共预制安装了20500个节段。
建成于1984年的北卡罗莱来州Linn Cove高架桥，位于环境敏感的Blue Ridge Parkway国家公园内，道路线形复杂，最小曲线半径仅76m，道路横坡变化达到了10%。作为景区的一部分，沿线巨大的冰川漂砾和树木都不容许被扰动。为应对以上挑战，该桥第一次采用了连续悬臂节段拼装技术，第一次采用桥面吊机进行墩身节段拼装。建成后的桥梁与周围环境融为一体，堪称最美的预制节段桥。
图2 法国Oleron Viaduct桥
图3 Viaduc de Chillon高架桥
图4 曼谷Si Rat Second Stage Expressway工程
图5 Linn Cove 高架桥
1991年，世界上第一次大规模使用预制节段桥梁建造技术的轻轨交通项目在墨西哥Monterrey建成通车，其中17.8km的高架线路和17个高架站全部采用了箱形预制节段梁，6503个节段均采用长线法预制完成，大部分为简支梁，仅有4组连续梁。简支梁梁体轴线均为直线，通过变宽桥面板来满足线路曲线要求，典型跨度27m，最大跨度36m。其中在车站使用悬臂式的预制横梁支撑旅客站台。
图6 Monterrey轻轨车站中采用预制横梁支撑的站台
12年后，同样在这个项目的二号延长线高架段上，为降低轻轨车辆运行噪音，提升桥梁外观的美学效果，第一次在轻轨交通项目上采用预制U形节段桥方案。U形梁典型跨度为37m，梁高1.9m，底板厚度0.25～0.3m，边墙厚度0.3m，典型节段重约35t，采用AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges和ACI 318-05进行设计。
在高速铁路工程中，桥梁占比高，采用预制节段桥梁建造技术，可以突破整孔运输的限制。目前，世界上最大的高速铁路预制拼装桥梁工程出现在2015年完工的法国图尔-波尔多高铁线路上，共7座高架桥采用了预制节段建造技术，总长3270m，典型跨度47m，桥面宽度12.9m，采用短线法预制，悬臂法连续架设工艺，材料为符合欧洲标准的C50/60混凝土，体内体外混合预应力束。
上世纪90年代以来，随着西方国家大规模基础设施建设结束，中国大陆和香港以及东南亚地区成为预制节段桥梁建造技术应用的主战场，诞生了多个世界纪录。大跨度（180m）的预制节段梁式桥，就出现在港珠澳大桥香港接线段(HZMB Hong Kong Link Road)。该段工程全长12km，其中高架段为9.4km，全部采用预制节段桥。
此后，在2018年，该纪录被200米跨的连接港珠澳大桥香港口岸的屯门赤角连线桥(Tuen Mun-Chek Lap Kok Link)所超越。
图7 施工中的屯门赤角连线桥
目前世界第一和第二大规模的公路桥梁预制节段建设项目，分别为郑州四环路及大河路快速化工程和泰国曼谷Bang Na Expressway。前者预制主线长度共计约93.3km，预制匝道长度共计约46.4km，全线预制主梁（含匝道）节段数约5万榀；Bang Na Express高架全长54km，1300跨，全部40000个节段采用短线法预制，该项目也是迄今为止最大的采用纵向体外预应力和干接法的项目，于2000年1月完工，并于同年入选“吉尼斯世界纪录”。
图8 施工中的Bang Na Express 高架桥
预制节段桥梁建造与ABC
在美国等西方发达国家，大量的基础设施日渐老化，据统计，在全美现有的60万座桥梁中，有23%的桥梁已低于服役标准，急需维修或替换。但对美国这种以公路运输为主的发达经济体，桥梁维修或替换所造成的长时间封道、改道，会对公共运输造成负面影响和可观的监管代价，甚至会超过结构工程自身的成本，是交通体系的不可承受之重。为应对这样的挑战，ABC（Accelerated Bridge Construction 快速桥梁建造）在美国得到了快速发展，相关技术研究也非常活跃。
从本质上说，ABC不仅是工法，更是围绕以减少现场施工周期为目标的开放的技术及管理体系，涵盖了基础施工、下部结构和上部结构等与桥梁建设相关的几乎所有内容。
由于与ABC理念上一致，对桥梁外形和线路曲线适应能力强，预制节段桥梁建造很自然地被纳入到ABC的技术体系中，成为ABC技术中大跨度（≥90m）、曲线或变宽桥梁解决方案的一部分。
从结构上来说，ABC减少现场施工时间的主要措施，就是大量采用模块化的装配式桥梁构件（PBES），并形成了许多有特色的解决方案。如桥面系统就有工字梁、双T梁、倒T梁、小箱梁等多种方案；对下部结构预制装配、连接构造，也发展了许多成熟的建造方法。
在结构就位方法上，ABC有采用SPMT运输车整桥就位、横向滑移、水平转体等方式。
ABC鼓励采用高性能材料，如UHPC、高性能钢材、FRPC等。由于UHPC拥有超高的抗压及抗拉强度，可以大大减小钢筋的锚固长度，将其用于桥面现浇横向接缝，施工简便，提高了桥面的整体性。又如，可采用UHPC薄壳作为永临结合模板，用于墩柱和顶帽施工中，里面填充轻质混凝土，运输方便，施工速度快，也可减小结构自重。
在建设管理模式上，ABC推荐采用DB和CMGC两种模型，其中DB（Design-Build）由一个承包商负责全部设计和施工，相当于我国的全过程工程总承包；CMGC（Construction Manager / General Contractor）则强调业主的全过程参与，相当于分阶段工程总承包。
特有的设计原则与工艺
预制节段桥梁的设计需要和施工紧密结合。预制块的制造和安装工艺是保证预制节段桥梁成功与否的关键。制定预制节段桥梁特有的设计原则是保证结构正常使用的核心。
1.预制节段桥梁的经济性和适用性
大型高架桥和城市立交群可以将预制节段桥梁作为可选方案。对于单一桥梁，如受到现场和环境的限制，也可以采用预制节段桥梁。出于经济效益的考虑，前者一般采用短线法预制，后者采用长线法。
从过去成功的例子看，预制节段桥梁被广泛运用于城市立交及城市主干线，包括跨海跨江大桥，山区及丘陵地区的桥梁。例如香港，20余年来，几乎所有桥梁均运用预制节段技术，还被广泛运用于城市轨道交通线等。
2.预制节段桥梁的设计
预制节段技术是桥梁现浇悬臂节段施工技术自然发展的结果。节段间的应力控制和剪力传递就成了预制节段桥梁设计中几个主要设计考量。
在中国香港，预制节段桥梁的设计基本遵从AASHTO和英国标准，对临时阶段和正常使用阶段，要求所有的节间均把应力控制在受压状态。然而在新加坡，当地的陆路交通部门却对正常使用状态下节段间的最小压应力提出了明确要求。
3.预应力体系及耐久性设计
耐久性设计在节段桥梁中突出的要求就是对预应力筋的保护。这包括预应力管道的选取，节间及湿接缝的处理，预应力锚具和体外预应力筋的保护。在欧洲标准中，现有3个级别的保护。在港珠澳大桥香港段和新加坡在建的桥梁中，均采用二级保护，这包括采用塑料材料作为预应力的管道等。
4.预制节段桥梁的抗震性设计
是不是预制节段桥梁就不适合抗震设计呢？在港珠澳大桥的设计上，设计要求桥梁能承受2475年一遇的大地震。香港段所有节段桥梁均需满足这项设计要求。
在实际设计过程中，地震被分为3个级别——120年一遇、475年一遇、2475年一遇。120年一遇就是在桥梁正常使用的120年里可能遇到的地震。预制节段桥梁要求在120年一遇的地震下，满足所有正常使用应力（Serviceability Limit State）的控制要求，即节间不可以张开或还有一定的应力储备。在475年一遇的地震下，预制节段桥梁要满足所有的极限承载力状态 （Ultimate Limit State）的要求。在2475年一遇的地震下，要满足所有的结构整体性极限状态（Integrity Limit State）的要求。也就是说采用了3个极限状态来设计。
5.预制节段桥梁的维护
每一座桥梁在设计阶段都应考虑未来的维护。桥梁的维护是增强使用寿命和减少垮塌事故不可或缺的手段。对全预应力和混合预应力桥梁，必须为预应力筋的检查、更换和张拉预留空间。从养护角度来说，一个不能检查更换体外索的桥，就是一个病害桥。
6.节段的预制
如前所述，节段预制有长线法和短线法，节段预制桥梁绝大多数是短线法。无论是长线还是短线，节段间的匹配浇筑是关键。港珠澳大桥香港侧的节段桥梁，大到180米和200米跨，均采用短线法预制。
7.预制节段的架设
如今，各国在预制节段桥梁的架设方法上均积累了丰富的经验。结构体系转换方面，有悬臂拼装法和逐跨架设法，与普通桥梁一样。施工机具方面，主要有起重机法，海上浮吊、桥面吊机法、架桥机法。这些设备以及模板、预制场、码头等，投入巨大，在项目建造成本中占比大。因此，预制节段桥梁，尤其是短线法，只在大规模的桥梁建设中方能体现其优势。
图9 架桥机逐跨架设的新加坡大士西延长线(Tuas West Extension)
8.几何监控
几何监控是决定预制节段桥梁成败的关键技术要素。长线施工法中的几何监控相对简单。对于短线法，任何两个节段之间几何关系的浇筑错误，都会对桥跨线形产生重大影响。在大型立交桥群项目中，必须借助计算机软件处理。目前诸多机构宣称已拥有该技术，但基本没有达到可应用的程度。
几何监控不是指狭义上的架梁过程监控，而是从节段划分到节段安装完成的全过的程精算、精测、精控。它包括以下技术要点和范畴，并通过一系列的手段和技术介入，达到预设的成桥线形。
①建立清晰的预制节段划分的数学模型；
②精确计算每片节段的几何参数；
③精准计算把预拱考虑在内的浇筑节段与匹配节段间的几何关系；
④生成匹配节段在预制场坐标系下的位置的坐标，并把浇筑偏差考虑在内；
⑤生成浇筑节段在浇筑后，其控制点在预制场坐标系以及在大地坐标系下的坐标；
⑥计算并提供在特定的安装阶段桥梁的线型或某些节段的位置，并提供纠偏所需的指导数据。
在中国香港和东南亚的工程实践中，一个要承接预制节段桥梁的承包商必须拥有几何监控的能力，或者必须寻求特种承包商的技术支持。
建设模式的新挑战
在中国香港、新加坡和东南亚，越来越多的桥梁采用设计施工总承包的形式。他们一般都采取国际招标。一些知名的内地企业已经进入这个市场，并且在和国际大承包商竞争中脱颖而出。
桥梁的建造有施工阶段和运营阶段，也称成桥状态。和现浇的悬臂施工方法一样，预制节段桥梁在施工时有很多技术细节在设计阶段需予以考虑。因此，预制节段桥梁特别适合采用设计施工总承包的模式。如果采用建造标（Build Only）的形式，业主也必须明确设计院以及承包商在各阶段，特别是施工阶段设计的责任。
业主可以把施工阶段和成桥状态的问题完全转移给承包商。否则，业主或业主代表（设计院、监理工程师）就需承担其管理者的角色。对于设计施工总承包，业主要从技术标准、运营及维修上提要求，承包商则需要呈递满足全部技术要求的标。然后，业主选择最优选的标，予以授标。
如果采用建造标模式，业主需提前完成设计，或在设计基本完成的情形下再招标。在中国香港和新加坡，早期的节段桥均采用此模式，但承包商会根据己之所长提出变更设计，并且通常为变更设计中标。后来渐渐采纳了设计施工总承包的形式，业主只要给出具体功能性要求，并指定采用预制节段技术就可招标和授标，大大节省了前期设计所需的时间。
相对于一般桥梁，节段桥梁施工阶段的技术要求高，对承建企业的综合管理能力要求亦高。港珠澳大桥香港侧的所有节段桥、新加坡整条轨道高架线和7公里的高架高速公路、斯里兰卡5公里的港口城通道，均采用了设计施工总承包的方式授标。在这些项目竞标中，内地企业同样表现不俗。
国内实施设计施工总承包，需要加强对设计的独立审核和监管。在现有的建设模式下，如果把施工阶段的设计交由承包商完成，而业主的设计院承担独立验算与审核的监管角色，是一个可以探索的模式。当然有些特种施工阶段的设计，例如架桥机、几何监控等，应该安排专业的第三方独立审核。设计院的焦点应该是永久结构的运营安全。另一个可行的办法是推行监理工程师审核承包商在桥梁施工阶段的结构安全，包括大型架桥设备等。在新加坡和中国香港，对桥梁结构在施工阶段的设计及安全，已纳入了监理工程师的工作范畴。
随着越来越多的预制节段桥梁在国内推行，无论采用何种模式，在合约上明确各方责任，方是安全高效地建成一座高质量桥梁不可或缺的步骤。
本文刊载 /《桥梁》杂志 2020年 第3期 总第95期
作者 / 曹盛发 吴振光 李彬
作者单位 / 林同棪国际（新加坡)
新加坡NBEC工程咨询公司
中铁第五勘察设计院集团有限公司