裝配式木結(jié)構(gòu)橋梁建造技術(shù)研究

錢 沖

(湖南建工園林工程有限公司，湖南 長沙 410004)

1 概述

木結(jié)構(gòu)不同于鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、磚結(jié)構(gòu)等高耗能建筑結(jié)構(gòu)，木材是一種綠色和可再生的材料，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)所使用的工程木可實現(xiàn)木材的“小材大用”，即將速生材經(jīng)過后處理技術(shù)，制造成現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)用工程木[1-2]?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)是一種天然裝配式結(jié)構(gòu)，其構(gòu)件及其連接件均是在工廠預(yù)制生產(chǎn)。這就促進了我國綠色、低碳、建筑的快速發(fā)展，同時提高了建筑構(gòu)件的預(yù)制裝配率?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在北美、北歐等發(fā)達國家發(fā)展已相當(dāng)成熟，而在我國它還處于較新的發(fā)展階段，特別是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁建造技術(shù)，目前國內(nèi)對其研究還十分有限。

為進一步了解研究現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁的整體性能，本文分析了現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)件加工制造、構(gòu)件拼裝和結(jié)構(gòu)安裝等技術(shù)；根據(jù)國外現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)應(yīng)用的成功案例，研究現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)建造技術(shù)，并將該技術(shù)成功應(yīng)用于國內(nèi)首座跨高速公路主線的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)人行橋。

2 現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)建造技術(shù)要點

任何結(jié)構(gòu)的適用性和可靠性都是建立在準確和高質(zhì)量的制造和建造技術(shù)上[3]。采用正確的施工工藝程序，結(jié)構(gòu)物的建造不但可節(jié)省較多的經(jīng)費且能增加其使用壽命。由于木結(jié)構(gòu)完全可在工廠加工預(yù)制，在施工現(xiàn)場進行整體裝配式施工，所以采用精準的建造技術(shù)可降低木結(jié)構(gòu)的建造費用?，F(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)是大跨度、大空間的建筑或橋梁結(jié)構(gòu)，其建造技術(shù)更是關(guān)鍵程序。由于木結(jié)構(gòu)的特殊性，不同的結(jié)構(gòu)形式，除構(gòu)件加工預(yù)制程序不同外，現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場施工建造技術(shù)基本相同[4]。

2.1 結(jié)構(gòu)類型

一般有5類木結(jié)構(gòu)形式，此分類主要指常用的靜定結(jié)構(gòu)體系。

1)梁(包括變截面梁)。一般為單跨簡支結(jié)構(gòu)，對于多跨和懸臂結(jié)構(gòu)，通常采用變截面梁或帶預(yù)拱度的梁。

2)拱。根據(jù)現(xiàn)場地形和跨徑的考慮，可選擇拱形結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)形式比較美觀，跨徑也比較大。

3)桁梁和桁架。該結(jié)構(gòu)形式一般可以具有較大的荷載承載能力和剛度，且可以變化出多種桁架形式。現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)桁梁和桁架采用先進的連接技術(shù)和安裝技術(shù)，通常采用帶預(yù)拱度或大曲率的形式，它可以多跨形式。

4)斜拉和懸索結(jié)構(gòu)體系。該體系主要應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)形式。

2.2 構(gòu)件制造

精確的構(gòu)件制造對快速安裝木結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，它可以減少在現(xiàn)場再次加工的時間，節(jié)約時間和經(jīng)濟成本，同時，這也意味著對工廠設(shè)備精度的要求也會相應(yīng)提高[5]。構(gòu)件加工完成后，需要對其進行連接構(gòu)造加工。對于現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)來講，構(gòu)件連接非常關(guān)鍵。最后對構(gòu)件進行防腐阻燃處理，現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用壽命均在50 a以上，一般，重型木結(jié)構(gòu)主要依靠其大截面的構(gòu)件尺寸阻止木材的燃燒；對于小尺寸截面的木構(gòu)件，防腐處理起到關(guān)鍵作用[6]，未經(jīng)處理的木材易燃，經(jīng)過阻燃處理的膠合木難以燃燒。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，膠合木構(gòu)件耐火時間較鋼材和混凝土更長。

2.3 構(gòu)件運輸及存儲

木材在沒有破損的情況下，是一種耐用的自然材料。因此，在運輸、裝卸、儲存過程中應(yīng)對構(gòu)件進行合理的保護，以確保構(gòu)件質(zhì)量的完好。建造重型木結(jié)構(gòu)所需構(gòu)件一般通過貨車、火車、船舶從工廠運抵施工現(xiàn)場，用大型卡車運輸是最常用的運輸方式，并且這種運輸方式能夠載重20 t～50 t，允許構(gòu)件最大長度達15 m。構(gòu)件運輸可能需要配置特別的設(shè)備以裝卸超長(>10 m)、超寬(>2 m)以及眾多彎曲度很大的部件，異常大的構(gòu)件則需要輔助車輛和轉(zhuǎn)向拖車，較小的膠合木構(gòu)件需要打包，以便運輸和裝卸，常見的做法是將構(gòu)件堆成一捆，然后用鋼帶打包，為避免構(gòu)件損壞，需在棱角處加以保護措施[7]。制造成型的構(gòu)件在短期或長期存儲過程中，應(yīng)當(dāng)保持場地平整、干燥，為避免構(gòu)件變形，應(yīng)在場地上放置足夠的支撐物體[8]。

2.4 結(jié)構(gòu)安裝

在現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)安裝之前，應(yīng)熟悉相應(yīng)的圖紙和規(guī)范，理解施工順序和可能需要特殊處理的步驟。然后要復(fù)核木結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量(尺寸、位置和連接件安裝等)。為高效地安裝現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場施工所需機械設(shè)備和相應(yīng)的工具需要準備充分，根據(jù)木結(jié)構(gòu)工程的種類和大小，一般需要以下主要設(shè)備：

1)吊車。

根據(jù)構(gòu)件的大小和數(shù)量，選用吊車的數(shù)量和規(guī)格。一般選用1臺吊車就可以了，根據(jù)不同的建造技術(shù)，有時需要2臺～4臺吊車采用整體吊裝方法，吊裝時一般選用較寬的尼龍吊帶，以免在吊裝過程中對構(gòu)件造成損傷。

2)裝載機和鏟車。

小的構(gòu)件可以用裝載機和鏟車短距離運輸和安裝。

3)升降機。

因重型木結(jié)構(gòu)施工工期較短，一般不需搭設(shè)鋼管支架，需要升降機作為安裝平臺，以便工人進行安裝程序工作。大型工程需要搭設(shè)腳手架平臺。

4)擴孔設(shè)備、千斤頂、扳手和撬桿。

在構(gòu)件加工制造精度有誤差時，需要對構(gòu)件進行擴孔，以便構(gòu)件連接件安裝。

5)特制木夯和大錘。

一般木結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工較為精確，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接部分安裝時，為避免構(gòu)件和鋼連接件的損壞，需要使用特制的木質(zhì)夯和錘。

3 國內(nèi)現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)建造技術(shù)應(yīng)用研究

在低碳減排的大局下，膠合木結(jié)構(gòu)橋梁符合我國的節(jié)能政策和經(jīng)濟發(fā)展，在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。利用現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)建造技術(shù)，在某高速公路服務(wù)區(qū)內(nèi)建造了一座跨高速公路主線的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)人行橋。

3.1 木結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計

3.1.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋梁主要設(shè)計依據(jù)為美國標準NDS—2005《National Design Specification for Wood Construction》。根據(jù)建設(shè)地點地質(zhì)情況，選擇三鉸拱結(jié)構(gòu)體系作為拱橋的結(jié)構(gòu)體系，材料為美國花旗松，其強度等級為24F-V4，主要力學(xué)性能參數(shù)見表1，膠黏劑采用防水的酚醛樹脂膠。該橋計算跨徑為38.07 m，計算矢高為8.23 m，矢跨比為4.63，橋面總長為39.5 m，總寬為4 m，設(shè)計活載荷為5 kN/m2，風(fēng)荷載為0.35 kN/m2，地震荷載為0.05g，設(shè)計使用壽命50 a。拱肋采用圓曲線拱，曲率半徑為26.1 m，截面尺寸為0.686 m×0.229 m，其上部結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

表1 美國花旗松(24F-V4)主要力學(xué)性能參數(shù)

3.1.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，采用實體重力式墩臺，基礎(chǔ)為明挖擴大基礎(chǔ)，基于地基承載力荷載試驗結(jié)果和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載計算，設(shè)計下部結(jié)構(gòu)尺寸，混凝土強度等級為C30。

3.2 木結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件制造

根據(jù)AITC 117—2004美國膠合木制造規(guī)范和我國規(guī)范GB/T 50708—2012膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范，對木結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件進行了加工制造，拱肋的制造如圖2所示。

3.3 木結(jié)構(gòu)橋梁安裝施工

精心的準備工作能提高該木結(jié)構(gòu)橋梁安裝施工的效率。準備工作的第一步是熟悉所有圖紙以及規(guī)范，制定出最合理的安裝順序，并制定出現(xiàn)特殊情況時的應(yīng)急方案。如果在準備過程中發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)立即與現(xiàn)場指導(dǎo)專家溝通，在最短的時間內(nèi)解決問題。在木結(jié)構(gòu)橋梁正式安裝施工之前，項目部將人員分成了若干小組，有理論指導(dǎo)組，現(xiàn)場拼裝組，構(gòu)件編號組、施工放樣組和后勤組等。理論指導(dǎo)組主要負責(zé)圖紙的消化吸收，并熟悉所有的構(gòu)件在設(shè)計圖紙中的編號。構(gòu)件編號組的主要工作是將所有的構(gòu)件進行編號，方便拼裝時辨認構(gòu)件。施工放樣組在施工前進行精確的放樣和定位，現(xiàn)場拼裝組負責(zé)構(gòu)件的安裝施工，后勤組時刻準備協(xié)調(diào)現(xiàn)場所需設(shè)備，負責(zé)設(shè)備的檢查工作，保證所有的設(shè)備在拼裝之前能正常工作，并準備好一切后勤工作。根據(jù)該木結(jié)構(gòu)橋梁的特點、構(gòu)件形式、數(shù)量和重量，選用了1臺15 t吊車、門式活動支架16套、鋼管數(shù)量若干、自制木夯和木錘各2套、擴孔設(shè)備2套、千斤頂2個、扳手和撬桿各8套。

3.3.1 拱肋安裝

現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)一般采用高空散裝拼裝和地面分塊、分條、整體拼裝后吊裝就位，該木結(jié)構(gòu)橋梁安裝使用后者。拱肋構(gòu)件共8件，按照構(gòu)件編號順序在地面上先將半邊拱肋構(gòu)件拼裝到位，然后將拱肋上的連接件安裝到位，節(jié)省了拱肋吊裝完之后再安裝連接件的時間。整體吊裝時，應(yīng)根據(jù)其不同的邊界條件，驗算在自重和施工荷載作用下各構(gòu)件與節(jié)點的安全性，構(gòu)件的工作應(yīng)力不應(yīng)超過1.2 倍的木材設(shè)計強度，否則，應(yīng)做臨時性加固處理，且吊點一般不少于2個，吊索與水平線夾角不宜小于60°。拱肋構(gòu)件連接處抗彎連接件構(gòu)造如圖3所示，受壓鋼板傳遞所受的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力由抗拉扁鋼以及剪板承載，剪板承載端部的剪力，附加連接板用于固定拱的位置。

拱肋拼裝到位后，開始進行安裝，由于只有1臺吊車，故在跨中部位搭設(shè)了臨時鋼管支架，主要作用是支撐拱肋構(gòu)件和工人操作平臺，鋼管支架上面的頂托可以調(diào)節(jié)高度，以便與設(shè)計值一致。拱肋安裝過程如圖4所示。

金屬連接件與構(gòu)件的連接類型和方法應(yīng)符合設(shè)計文件規(guī)定，受壓抵承面間應(yīng)嚴密，局部間隙不得大于1.0 mm，非承壓面處應(yīng)預(yù)留縫隙。除設(shè)計文件規(guī)定，各構(gòu)件軸線應(yīng)相交于金屬節(jié)點的物理中心。三鉸拱中央節(jié)點連接構(gòu)造一般有2種方式：軸鉸構(gòu)造和板鉸構(gòu)造，該木結(jié)構(gòu)橋梁中三鉸拱中央節(jié)點采用第一種連接方式。

3.3.2 拱上立柱、橫撐及其他部分安裝

拱上立柱及橫撐構(gòu)件在地面拼裝后整體吊裝就位，提高安裝效率。木梁和木柱在中間支座上可用U型連接件連接(見圖5(a))，也用T型連接鋼板連接(見圖5(b))。梁和木柱在端支座處的連接，可采用圖6所示的連接方式。本章木結(jié)構(gòu)橋梁的連接構(gòu)造采用圖5(a)和圖6所示的連接方式。

當(dāng)構(gòu)件與基礎(chǔ)相連時，應(yīng)注意對構(gòu)件進行防護。木柱應(yīng)支承在混凝土柱墩(或基礎(chǔ))上，柱墩頂標高不應(yīng)低于室外地面標高0.3 m以上[9]。木柱與柱墩接觸面間應(yīng)設(shè)防潮層，防潮層可選用耐久性滿足設(shè)計使用年限的防水卷材。柱與柱墩間應(yīng)用螺栓固定(見圖7)，當(dāng)基礎(chǔ)表面積不夠，不能安裝露明地錨螺栓時，可按圖8所示采用半露明的連接方式。當(dāng)膠合木拱和基礎(chǔ)之間按鉸連接設(shè)計時，其構(gòu)造應(yīng)按圖9的要求，當(dāng)膠合木拱的基礎(chǔ)之間不是按鉸連接設(shè)計時，其連接方式應(yīng)按圖10的要求。膠合梁與基礎(chǔ)之間連接時，應(yīng)避免采用切口連接，以防止由于抗剪承載力的不足以及含水率的變化引起的構(gòu)件開裂。膠合梁支座可以采用焊接板或角鋼連接件連接，用于承載豎向(重力荷載和上拔荷載)和水平荷載，木構(gòu)件與砌體或混凝土構(gòu)件之間應(yīng)保持寬度不小于13 mm縫隙，見圖11。斜梁底部與底板的連接如圖12所示，當(dāng)斜梁底部超出底板時，剪切產(chǎn)生的橫紋受拉和含水率的變化，容易引起底部開裂。該木結(jié)構(gòu)橋梁拱肋與基礎(chǔ)采用鉸連接，立柱與基礎(chǔ)之間采用隱藏式地錨螺栓連接，詳見圖13。

木柱安裝前應(yīng)在柱側(cè)面和柱墩頂面上標出中心線，以便安裝時對中，柱位偏差不應(yīng)超過±20 mm。安裝第一根柱時至少應(yīng)在兩個方向設(shè)臨時斜撐，后安裝的柱縱向用連梁或柱間支撐與首根柱相連，橫向至少在一側(cè)面設(shè)斜撐。柱在兩個方向的垂直度偏差不應(yīng)超過1/200的柱高，且柱頂位置偏差不大于±15 mm?？⒐ず蟮哪窘Y(jié)構(gòu)橋梁全貌如圖14所示。

4 木結(jié)構(gòu)橋梁成橋荷載試驗

為了檢驗該橋的施工質(zhì)量和承載能力是否滿足規(guī)范要求，以及確保結(jié)構(gòu)運營的安全性和長期使用性能，對木結(jié)構(gòu)橋梁進行了橋梁投入使用前的成橋靜、動載試驗。根據(jù)試驗結(jié)果對其安全性能做出科學(xué)的評定，為該橋的正常運營、今后的日常養(yǎng)護和維修工作提供科學(xué)依據(jù)。

4.1 拱軸線形測量

拱軸線形的相對坐標采用全站儀對橋跨拱肋外側(cè)截面下緣按約50等分進行測量，如圖15所示?，F(xiàn)場以0號臺拱腳為相對坐標系的原點，向跨中每隔水平距離約0.76 m進行選點測量，其測量結(jié)果如圖16所示。根據(jù)測試結(jié)果可以看出拱軸線形實測值與設(shè)計值基本吻合，證實了其建造技術(shù)的可靠性和適用性。且其余各構(gòu)件安裝質(zhì)量符合規(guī)范[10]要求。

4.2 靜載試驗

應(yīng)變測點布置于拱肋兩側(cè)面，應(yīng)變測量拱頂最大剪力，拱腳最大水平推力用拱腳側(cè)面的應(yīng)變片量測，采用電阻應(yīng)變測試儀進行應(yīng)變測試。位移測點分別布置在拱肋的1L/4，1L/2和3L/4，以及拱腳位置處，用全站儀進行測試。

試驗時按試驗荷載效應(yīng)與設(shè)計荷載效應(yīng)等效的原則，對各測試截面活載內(nèi)力進行有限元分析，并適當(dāng)考慮溫度的影響。根據(jù)現(xiàn)場條件，最終確定采用水箱注水的方式進行橋面均布加載試驗。試驗荷載為：3.712 kPa×39.5 m×3 m=43.99 t。

所有工況均分三級加載、每級分別14.7 t，一次卸載。每級加載持續(xù)時間約為50 min，即儀器讀數(shù)處于穩(wěn)定后開始讀數(shù)。同時，加載過程中密切注意結(jié)構(gòu)各控制點的應(yīng)變和位移，如遇異常情況應(yīng)立即終止加載。

實測撓度及應(yīng)力測試結(jié)果分別列于表2，表3和圖17。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，兩端拱座水平位移平均值為0.015 mm。

表2 撓度變形測試與計算結(jié)果比較 mm

表3 應(yīng)力測試結(jié)果與計算結(jié)果比較表

根據(jù)美國花旗松(24F-V4)材料性能，通過測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在設(shè)計荷載作用下，應(yīng)變校驗系數(shù)在0.735～0.894之間。同時殘余應(yīng)變與加載應(yīng)變之比最大值為0.180，均小于0.2，滿足規(guī)范要求。變形校驗系數(shù)在0.788～0.872之間。殘余變形與加載總變形之比最大值為0.143，均小于0.2，滿足規(guī)范[11]要求。

4.3 動力試驗

橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性(如自振頻率、阻尼系數(shù)、振型等)，只與結(jié)構(gòu)本身固有性質(zhì)有關(guān)(如結(jié)構(gòu)的組成形式、剛度、質(zhì)量分布和材料性質(zhì)等)，而與荷載等其他條件無關(guān)，是橋梁結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)的基本特性。

通過動力荷載試驗以及結(jié)構(gòu)固有模態(tài)參數(shù)的實橋測試，了解橋跨結(jié)構(gòu)的動力特性以及各控制部位在使用荷載下的動力性能(振幅、速度、加速度等)，除了可用來分析結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的受力狀態(tài)外，還可驗證或修改理論計算值，并作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，為木結(jié)構(gòu)橋梁以后的運營養(yǎng)護管理提供必要的數(shù)據(jù)和資料。

采用Midas/Civil程序進行橋梁的自振頻率，表4為頻率對比結(jié)果。

表4 橋梁結(jié)構(gòu)頻率對比結(jié)果

動力試驗結(jié)果表明，該橋人工跳躍試驗比較理想，實測頻率比計算頻率約大33%，表明實際剛度滿足設(shè)計剛度要求，橋梁的整體受力性能較好。在跳車作用下橋梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)平穩(wěn)，無異?，F(xiàn)象發(fā)生，表明所測試結(jié)構(gòu)的動力性能良好，采用半功率帶寬法計算測試該橋結(jié)構(gòu)的阻尼比為1.667%，在正常范圍之內(nèi)。

成橋試驗結(jié)果證實了該技術(shù)應(yīng)用的可靠性和適用性，為我國現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支持和試驗基礎(chǔ)，具有很好的示范作用。

5 結(jié)論

通過對國外現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)的設(shè)計、構(gòu)件加工制造、構(gòu)件拼裝和結(jié)構(gòu)安裝等研究，對現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)建造技術(shù)進行了深入的研究，并將該技術(shù)成功應(yīng)用于國內(nèi)首座跨高速公路主線的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)人行橋，得出了如下幾點結(jié)論：

1)不同結(jié)構(gòu)體系的重型木結(jié)構(gòu)，除構(gòu)件加工預(yù)制程序不同外，現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場施工建造技術(shù)基本相同。

2)成橋后的拱軸線實測值與設(shè)計值基本一致，證實了現(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的適用性。

3)木結(jié)構(gòu)橋梁在設(shè)計荷載作用下的受力性能研究表明木結(jié)構(gòu)人行橋各項力學(xué)性能指標均滿足設(shè)計要求，證實了該技術(shù)應(yīng)用的可靠性和適用性。