隨著全國對交通網絡需求的持續增長，加之基礎設施不斷老化，美國亟需更換、加寬和新建橋樑結構等公路基礎設施。但由於經濟和人口的快速增長，另有快速項目交付時間的限制，交通規劃者們在公路和橋樑系統改善方面所面臨的壓力越來越大。
在美國，許多結構工程項目的建設需要投入大量的前期設計和施工工作，故而導致項目的開發和施工工期較長。由於地基、下部結構、上部結構部件、欄杆和其他附件等結構的施工，需要大量勞動力且按照一定程序完成。因此，傳統的橋樑建設和重建工程通常採用關鍵路徑法。我們所需要的橋樑系統是：部件在場外製造並快速安裝就位，並且保證正常交通。根據現場具體條件，使用預製橋樑系統，可以最大限度地減少交通中斷，提高工作區安全性；最大限度地減少對環境的影響，提高可施工性，提升質量，降低全壽命週期費用。
近年來，在快速完成交通改善項目的重壓之下，交通運輸工程師們在各自的快速施工設計中，實踐了各種可供選擇的可行工程方案。為了實現橋樑快速施工（ABC），減少現場施工時間並減少長時間的交通延誤，工程師們設計了可供選擇的橋樑類型，如預製橋樑、分段拼接式橋樑、鋼結構橋樑和其他結構類型的橋樑。然而要取得成功，還必須充分了解與該技術運用相關的決策過程、設計方法、施工技術、成本以及維護檢修問題。
橋樑快速施工的必要性
橋樑工程師們在全球已成功實踐快速橋樑施工多年。美國國民經濟持續增長，導致民眾愈加依賴交通基礎設施，更難容忍車道封閉檢修所導致的交通中斷。
美國駕駛員愈加希望，各州交通部在更加快速、安全地施建項目的同時，能夠維持工作區的正常交通。可以這麼說，“快進快出，無礙交通”正逐漸成為美國橋樑設計的標準。人們將這種挑戰比作，在發動機運轉的同時修理汽車。為此，很多設計師們提供了融合諸多獨特功能的解決方案，來進行拆除和重建工程，最大限度地減少現場施工時間，同時保證最佳質量，使結構具有較長的使用壽命。高性能材料、新興先進技術的出現，以及結構設計過程中研發出的預製構件或整體結構、可加快施工速度的細節、獨特施工方法和交通維持方案等的廣泛運用，成功縮短了承包商和公眾的曝光時間。
很大程度上，使用預製橋樑元件和系統才是橋樑快速施工的核心。經驗表明，這些系統在以下方面極其有利：
1.最大限度地減少交通中斷
2.改善工作區安全性
3.最大限度地減少對環境的影響
4.提高可施工性
5.提升質量
6.降低全壽命週期費用
最近數十年裡，美國投入了大量工作，促進各州和其他交通運輸機構之間的信息共享和技術交流，並通過分享快速橋樑施工中的各種成功策略、新興技術和經驗教訓，找出共同認可的可行項目。除此之外，美國還外派工作小組到國外，獲取其他工業化國家所用技術的相關信息，研究國際通用的預製橋樑元件和系統，以及與技術運用相關的決策過程、設計方法、施工技術、成本以及維護檢修問題。同時，收集和分享了運用快速施工方法所建橋樑系統，以及採用場外預製拼裝元件所建橋樑的設計、施工和維護等各方面的信息。主要側重跨度在20到140英尺的橋樑。不過,跨度更大但使用了大量創新型預製件的橋樑也在關注範圍之內。除此之外，受到關注的還包括地基、橋墩或墩柱、橋臺、墩帽、橫樑或主樑以及橋面板等組成的橋樑元件。
橋樑局部使用預製件，即可實現快速施工。有些項目可能不需要快速施工，儘管在原有設施附近作業時，也能減少公眾和承包商在工作區的曝光時間，但在美國，很難證明不這樣做才是正確之選。
策略大致分為以下幾種：
1.使用預製橋樑元件和系統（PBES）建造整體式橋樑
2.上部結構系統
3.橋面板系統
4.下部結構系統
5.橋樑移動系統
在下文幾種策略的概述中,將著重介紹在設計新結構時予以考慮的各種快速橋樑施工方法。其中多數策略是作者在美國聯邦公路管理局（FHWA）組織的國外考察期間所研究的策略,其中也有好幾個案例出自個人參與的項目。
用於整體式橋樑的預製橋樑元件和系統(PBES)
預製橋樑系統造就了快速施工的最大優勢。橋樑的設計預製元件數量將決定施工過程的速度。位於波多黎各聖胡安的巴爾多里奧迪大道（Baldorioty de Castro Avenue）立交橋，就是一個完全採用預製橋樑系統的極佳例子（圖1）。橋樑所役道路的日交通量超10萬輛。為避免交通延滯，市政工程部在兩個交叉路口分別建造了兩座立交橋：兩座長700英尺，另兩座長900英尺。
圖1 波多黎各聖胡安所用預製橋樑系統示例
為了最大限度地減少交通中斷，該項目分兩個階段施工。首先，使用特殊模板打樁和澆築基腳，方便連接。然後，安裝並張拉預製橋樑部件：箱形橋墩安裝在基腳上後張拉，然後安裝墩帽，最後沿垂直方向張拉橋墩。待前兩個橋墩安裝就位後，安裝100英尺長的上部結構箱梁。然後橫向張拉每個橋跨。第一座橋整裝完畢耗費了36個小時，其他橋只用了21個小時。
預製拱橋
預製混凝土拱系統用於橋樑、涵洞、隧道和地下通道（圖2）。混凝土拱系統形狀多樣，適合各種場地條件。長度在12到100英尺以上的橋跨，根據橋跨供應商的要求可單獨使用或成組使用，也可根據需要建造多個橋跨。使用預製混凝土端牆、翼牆和基礎，即可在一日之內安裝好整個結構。
圖2 預製混凝土拱結構
混合上部結構系統-混凝土填充的纖維增強塑料管
混凝土填充的碳纖維增強塑料管拱（圖3、圖4）是一種特殊的混合設計，已被美國州際公路與運輸官員協會（AASHTO）採納，併發布了相關的設計和施工指南。這些管拱是最適合垂直間隙的埋入式結構，或者說，水道開口構不成主要問題。
圖3 安裝好的纖維增強塑料管拱
圖4 已完工的纖維增強塑料拱結構
混合組合拱結構由緬因大學研發，用以實現快速安裝和延長使用壽命。埋入式拱結構為主要結構構件，由混凝土填充的輕質組合管件組成。拱結構可以支撐在岩石、樁體或混凝土基腳上。管間安裝纖維增強塑料波紋板，以便回填。該系統通常適用於25至70英尺的跨度。目前已經有關於這些結構的施工規範。
上部結構系統
在美國，安裝橋樑上部結構的標準順序是：安裝混凝土梁或鋼樑，安置臨時模板或免拆模板（如鋼板或混凝土板），放置橋面板鋼筋，澆築橋面板混凝土，如有必要，拆除模板。橫樑安裝完成後，無須安裝和拆除行車橋面板模板，如此可以加快現場施工，減少車道封閉，提高安全性。在研究期間，對實現此目的的以下系統進行了研究。
梁板系統
法國樑板系統提供了一種無須模板並具備安全工作臺的方法。在該系統中，倒置T形淺梁彼此相鄰放置，然後與T形梁腹板之間以及腹板頂端的現澆混凝土組合，形成實心構件。典型的梁板橋梁可以在一天內安裝完畢。
美國僅少數橋樑上使用了類似的倒置T形梁，但研究小組認為，梁板系統是施工更快、更可靠、更耐用的系統。美國也有采用連續箱梁，但相鄰箱梁之間的連續性存在侷限性。因此，沿縱向接頭方向容易發生劣化。用於連接梁板系統中相鄰構件的環式接頭細部，相較與美國目前所用的細部，預計能夠提供更好的連續性。如此，沿接頭方向的反射裂縫將更少，且耐久性也會提高。
鋼樑或混凝土樑上預製部分深度混凝土橋面板
該系統源自德國，需要在安裝橫樑前，於鋼樑或混凝土樑上澆築部分深度混凝土橋面板。預應力混凝土樑上運用此類系統，類似於橋面板球緣T形梁，非全深度橋面板除外。橫樑安裝完成後，每個橋面板組件的邊緣緊連相鄰構件，無需安裝額外的模板來現澆混凝土（圖5）。該工藝加快了施工速度，直接提供了安全工作臺，並且減少了設備掉落到下方道路上的潛在危險。
圖5 預製部分深度混凝土橋面板示例
分段拼裝式橋樑施工用的帶橫肋的U形節段
為了減輕預製混凝土節段的重量，日本在節段中採用預應力混凝土橫肋（圖6）替代了傳統的頂板。節段安裝完成之後，將預製的預應力混凝土板縱向放置在橫肋之間。然後在混凝土板頂部澆築頂板，並且橫向張拉橋面板。除了能夠減輕運輸重量之外，U形節段的長度可以更長，從而減少每個橋跨所用的節段數量。重量更輕，可以降低安裝設備的承載。在橫肋之縱向鋪置預製板，也就無需再用到橋面板模板，也意味著，在需要更換時，現澆混凝土板可以拆除。
圖6 帶橫肋的U形預製混凝土節段
使用這種技術的另一種可能性在於，保持與傳統節段相同的重量，節段可以澆築得更長。那麼如此一來，建造橋樑所需的節段數量就更少，橋樑的安裝時間便更短，甚至可以提前竣工。
橋面板系統
本文研究了橋面板系統的四項創新，建議在美國採用這四項創新。
全深度預製混凝土橋面板
日本和法國使用的全深度預製混凝土橋面板，無需安裝橋面板模板和提供現澆混凝土，縮短了施工時間（圖7）。橋面板通過混凝土橋面板槽腔中的雙頭螺柱連接到鋼樑上。鋼樑和混凝土樑上使用全深度預製混凝土橋面板，通過使用工廠成品加快了橋樑施工速度，無需安裝和拆除行車橋面板模板，並減少了車道封閉。
圖7 全深度預製混凝土橋面板
雖然美國也使用了類似的系統，但事實證明，日本所用系統的維護工作更少、更耐用。該系統取得成功的原因之一在於，系統採用的多級腐蝕防護系統。面板之間的橫向接頭由現澆混凝土製成，混凝土澆築在鋼筋套環上，另用附加鋼筋穿透套環。由於先前出現過的腐蝕問題，日本不再使用縱向後張法，現在更傾向於使用這種橫向接頭細部。
預製橋面板系統需要配置縱向和橫向接頭，構成連續橋面板，實現活載分佈和抗震性能。這可以通過使用接頭中的特殊環形鋼筋細部來實現（圖8）。研究期間觀察到的各種接頭細部是否適用於美國，我們應當進行相關的評估，以促進預製全深度橋面板系統的運用。
圖8 橋面板接頭封堵細部
與美國目前所使用的細部相比，現澆橋面板接頭在相鄰預製構件之間能夠提供更好的連續性。人們預計，接頭細部能夠更好地控制沿接頭方向的裂縫缺陷，並構成更加耐用、壽命更長的結構。
鋼-混凝土混合橋面板系統
日本現已開發出用於橋面板的鋼-混凝土混合系統（圖9）。該系統的鋼部件由底部和側面的免拆模板和橫樑組成。橫樑跨越縱梁，懸臂跨越前沿橫護梁，形成板坯懸垂。橫樑的底部凸緣支撐板坯底部的鋼模板，頂部凸緣則支撐縱向橋面板鋼筋。
圖9 鋼-混凝土混合橋面板系統
填充現澆混凝土之後，該系統將充當組合橋面板系統。該系統中，使用低承載力起重機即可快速放置輕質橋面板免拆模板系統。該系統無需安裝行車橋面板模板。觀測團隊指出，該系統比傳統免拆鋼模板更加通用，因為該系統內置橫樑支撐系統，以形成板坯懸垂。此外，鋼筋可以在場外安裝就位，從而減少現場施工時間。
下部結構系統
使用預製下部結構系統的顯著好處是，最大限度地減少橋樑施工期間的交通中斷。日本使用的SPER系統2就是此類下部結構系統的一個例子。
日本SPER系統是一種快速橋墩施工方法，其採用免拆預製混凝土板作為結構元件和現澆混凝土模板（圖10）。矮小的實心橋墩需要用作外模的板坯，高大的空心橋墩需要用作內外模板的板坯。橋墩階段通過環氧樹脂接頭堆疊在彼此之上，並填充現澆混凝土，形成組合橋墩。日本的實驗研究表明，這些橋墩具有與傳統現澆鋼筋混凝土橋墩相似的抗震性能。該系統具有縮短施工時間的優點，並可實現優質耐用的外部飾面。
圖10 SPER系統
在下部結構元件的設計方面，還有許多其他非常實用的策略。個人經驗表明，根據項目具體需求，加筋土（MSE）擋牆、預製樁、預製橋墩、預製混凝土圍堰和大直徑樁等組成的元件，可以大大縮短下部結構元件的施工時間。
移動系統
最大限度地減少工作區結構修復或更換時間的關鍵策略在於，建造橋樑位置旁或附近結構的全部或大型元件，然後最大限度地利用運輸設備，將橋樑或元件移至最終安裝位置。最近的項目中，已經成功使用了許多不同的方法來部分或整體拆除原有橋樑，將橋樑部件或整體橋樑移動就位。因此，施工活動可以與公眾出行完全分開。這些方法能夠使交通中斷時間和車道封閉時間，從數月減少到數天乃至數小時，在極短的時間內恢復原有公路的使用，提高駕駛員和施工人員在工作區的安全性，最大限度地減少對環境的影響，提高可施工性，並降低全壽命週期費用。工作區以外的受控環境及可能偏離關鍵路線，也有助於提高部件的質量。
自走式模塊化平板車（SPMT）
在歐洲，我們發現，在一個地點建造的重達數千噸的大型橋樑部件或整體橋樑，然後使用一系列自走式模塊化平板車（圖11），提升並運至最終位置。這些由計算機控制的多軸車輛，能夠以相同的軸荷載在任何水平方向上移動，同時保持水平荷載，幾何結構不固定或無變形。觀測團隊對此技術讚歎不已，該技術能夠最大限度地減少交通中斷，提高工作區安全性，提高可施工性，提升質量，並降低全壽命週期費用。
圖11 橫縱相連的自走式模塊化平板車
公路和鐵路所有者經常使用該技術，將施工影響期從傳統施工方法所需的數月減少到數天乃至數小時。該技術通常的方法是，場外建造上部結構，然後使用自走式模塊化平板車將其移動就位。自走式模塊化平板車也可用於在極短時間內拆除原有橋樑，而不是拆除原有行車橋面板上方的橋樑。
使用自走式模塊化平板車雖然可能會增加最初施工成本，但其大大降低了交通管制成本、對公眾出行造成不便的成本，進而降低了全壽命週期費用，足以抵消最初施工成本。使用這種技術需要進行前期項目規劃，設計移動和安裝期間的臨時施工荷載時，需要考慮施工通行權需求及合同規定，例如車道封閉限時，以支持和鼓勵使用自走式模塊化平板車。
其他橋樑安裝系統
除了使用自走式模塊化平板車和傳統陸地或船裝起重機安裝大型結構外，可以使用的其他橋樑部件移動方法有：
1. 將橋樑水平滑動到位
2. 縱向頂推跨過河谷或原有公路
3. 使用駁船或建造臨時幹船塢將橋樑漂浮到位
4. 在原有道路旁邊搭建橋樑並將其旋轉到位（圖12）
5. 垂直提升從場外製造地點運來的橋樑
圖12 分段拼接式橋跨扭轉至最終位置（法國）
使用上述系統，可以最大限度地減少原有橋樑封閉更換的時間，多數在3～48小時以內。美國有關橫向和縱向推進的實踐實在有限。部分橋樑採用的是浮動到位的方式。在歐洲和日本，以上方法更為常用，也更為橋樑設計師和承包商所認可。作者認為，可以更多地應用這些方法，特別是在城市地區拆除和更換橋樑，這樣可以最大限度地減少交通中斷和環境影響，提高工作區安全性，提高可施工性。
無礙交通
雖然機構或承包商不一定關心，但如果被問及，用戶還是比較關心“如今所做在將來會耽擱我的事情嗎？”為此，負責規劃項目的人應該儘可能考慮延長使用壽命。美國的經驗表明，採用預製方法，在元件製造過程中可以提供更好的條件，因此可以實現更好的環境控制、工藝和質量控制。室內製造的情況下，製造工期為12個月，而不存在施工季節環境限制所導致的侷限性。
與所有項目一樣，在詳細設計項目時，工程師必須考慮適合耐用設計的細部。確保距離下一次維護、重建或修復工作的時間最大化的部分考慮因素包括，確保適當的以下方案：
◆ 腐蝕防護
◆ 排水設計
◆ 接頭或無需接頭
◆ 正確選擇材料
◆ 可檢測性
◆ 危害防護
例如，在日本、德國和法國，混凝土橋面板鋪設了多層腐蝕防護系統（圖13），防止水和除冰化學品滲入。該系統通常需要鋪設鋼筋的適當混凝土保護層、混凝土密封劑、防水膜和兩層瀝青。該類腐蝕防護系統有益於預製系統，保護接頭區域免受潛在腐蝕損壞，並確保較長的使用壽命。該系統還可延長原有橋樑的使用壽命。
圖13 多層腐蝕防護系統（德國）
德國自20世紀80年代中期就已開始使用該系統，預計該系統可以實現100年的使用壽命。該系統的維護要求定期更換瀝青路面。然而，使用這些系統將增加橋樑的設計恆荷載，而橋樑目前並非針對這些恆荷載所設計。這些系統的另一個缺點是，它們有礙對橋面板表面的目視檢查。無論如何，該系統大大延長了結構的使用壽命，且最大限度地減少了維護工作，就此而言，其好處遠大於任何問題。
正如本次討論開頭所述，美國公眾要求更加快速地完成橋樑修復和更換，減少交通擁堵並提高安全性。基礎、下部結構、上部結構部件、欄杆和其他附件等結構的施工，需要大量勞動力且按照一定程序完成。因此，傳統的橋樑重建無法一貫地滿足這一需求，並且通常採用關鍵路徑法。憑藉如今的工程方法，我們能夠實現這樣的橋樑系統：部件在場外製造並快速安裝就位，並且保證正常交通。使用預製橋樑系統，可以最大限度地減少交通中斷，提高工作區安全性，最大限度地減少對環境的影響，提高可施工性，提升質量，降低全壽命週期費用。
公眾瞭解並希望，他們所使用的橋樑是安全的且性能良好，因此瞭解橋樑工程也是必需的。不過他們期望，代表他們參與施工的工程師們，也就是我們，具備較多年以前更快速的施工方法，並且希望我們各司其職，確保橋樑儘快恢復正常。通過上述方法加快施工速度正是我們可以採用的途徑。
本文刊載 /《橋樑》雜誌 2018年 第6期 總第86期
作者 / Harry Allen Capers美國新澤西州前橋樑總工程師
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