随着经济高速发展，作为现代交通工程（高速铁路、高速公路、都市轨道交通及其它市政交通）中的元素、长大型桥梁工程的建设往往成为整个交通工程建设的制约。
进入二十一世纪，大型桥梁工程的建设所面临的项目重大边界条件独立与平衡统一的要求更加突出。这些桥梁建设的主要边界条件包括：跨越性与交通功能性、结构安全与耐久性、项目静态与动态投资、工程建设与环境保护、结构功能与建筑景观、建设压力与建设对社会环境的冲击等。面对项目总体的要求与时常相互矛盾的边界条件，决策者对项目总体技术的选择往往是项目实施的核心技术管理元素，对项目的成功实施有着关键性的影响。几十年来，在大型桥梁工程建设领域，全球的桥梁工程师们所艰辛开拓的主要桥梁建设现代工业化技术，即：大节段钢梁技术及预应力混凝土梁短线节段吻合预制设计与施工技术等，为交通工程桥梁建设决策者、设计者、施工单位提供了一个安全、耐久、环保、经济、高效的技术平台。 本文将就桥梁现代工业化技术核心从理念 - 设计 - 实践通过全球范围内典范桥梁工程之案例（许多案例均由本文作者技术主持或参加）做简明阐述与讨论。
一、 引 言
我国中华山河壮丽，山高、水长，随着经济高速发展，作为现代交通工程（高速公路、高速铁路、都市轨道交通及其它市政交通）中的元素，大型桥梁工程的建设往往成为制约整个建设的关键核心。
进入二十一世纪，大型桥梁工程的建设所面临的关键要素有：跨越与交通功能性、结构安全与耐久性、项目静态与动态投资、工程建设与环境保护、结构功能与建筑景观、城市现有交通与施工干扰等。
面对项目总体的要求与时常相互矛盾的边界条件，决策者对项目总体技术的选择往往是项目实施的核心管理元素，这对项目的成功实施有着关键性的影响。在大型桥梁工程建设领域，大型钢桁梁的整体节段技术及预应力混凝土桥梁工业化技术 － 短线节段吻合预制设计与施工技术（以下称：预应力混凝土桥梁工业化技术）为交通工程桥梁建设决策者们提供了一个坚实、有力的技术平台。
二、 正交异性桥面钢桁架梁大节段工业化技术
现代钢结构设计与钢结构的制造、架安密不可分。一般来讲，钢结构的设计受到、并接受钢结构制造条件、钢结构安装措施的限制。现代钢结构设计、制造、安装技术的发展史也可以基本上说是一部不断深入的“工业化”理念的实践史。所为钢结构的“工业化”理念在这里是指：钢结构设计、制造、运输及安装的工厂化、标准化、及大型化， 现代钢结构工业化的基本目标是更好更快地实施不同形式的钢结构工程。我国现代钢桁架桥梁基本单元从杆件+板片到杆件+整体节点，钢结构单元的基本连接形式从卯接到栓焊连接，整整走过了近百年的历史。目前，国际发达国家已经发展到了大节段乃至超大节段设计、制造、运输、及吊安，极大地提高了项目实施的效率，更好地保证了钢结构工程的质量。
重庆菜园坝长江大桥为目前全球最大跨度的公轨双用拱桥，其正交异性桥面桁架梁-即“板桁钢梁”设计在已经发展成熟的整体节点、高强镙栓、厚板焊接等技术的基础之上在国内首次采用大节段设计、大节段制造、大节段运输、大节段吊安的设计理念旨在保证质量，并给施工单位提供了更大的工期保障空间。
图 1 桥面板制造分割方安 与节段吊安示意
“板桁钢梁”大节段设计制造的工业化技术提高组合桁梁的承载效率，工地吊安的节段化提高了施工速度、更好地保证了结构质量。但也同样给设计、制造、施工带来了新的挑战与难题。在设计层面需要解决的新问题主要包括：
- “板桁钢梁”正交异性桥面与桁架梁上玄杆的联合作用；
- “板桁钢梁”上玄杆桥面板及桥面板主、次横梁的连接构造细节；
- 吊杆-“板桁钢梁”横梁-斜吊杆-下玄杆-下轨道横梁传力设计及构造设计。
在制造方案及工艺设计方面的新问题更多，其中主要有：
- “板桁钢梁”正交异性桥面板制造基本单元分块；
- “板桁钢梁”正交异性桥面板制造基本单元的连接形式；
- “板桁钢梁”正交异性桥面板形变控制技术；
- “板桁钢梁”多种整体节点的制造工艺；
- “板桁钢梁”大节段总体组装方案与精度控制技术；
图2 重庆菜园坝长江大桥组合式公轨双用钢桁架梁大节段段间对拼实验
重庆菜园坝长江大桥组合式公轨两用“板桁钢梁”大节段段间对拼足尺实验于2005年4月30日在重庆船厂首次实施，两节段八点同时对接在四十六分钟内顺利完成。大节段对接的成功标志着我国钢结构设计、制造技术在工业化的道路上又迈上了新的台阶。2007年金秋十月，重庆菜园坝长江大桥的顺利开通验证大节段钢梁工业化技术的实用性，并为我国公轨交通大型钢桥实施奠定了开拓性的关键技术基石。
全球最大跨度的重庆长江大桥复线桥，采用了七跨一联钢-混组合式连续刚构为大桥复线桥正桥结构。现行实施的复线桥桥跨布置为：86.5m + 4 x 138m + 330m (主跨) + 132.5m = 1101m。主跨采用钢-混组合式悬臂刚构结构体系不仅实现了330m 主跨的安全跨越，而且使其由收缩徐变所引起的结构变形得到缓解，从而进一步改善大桥使用性能。此外、连续刚构的实施对项目资金及工期的压力也相对较小。大桥实施关键技术主要包括：
- 超大跨度刚构连续梁桥施工阶段的内力与线形控制，
- 钢-混接头的实施，
- 330m 主跨中段103-m钢箱梁的制造、运输、桥下定位、精确吊安技术(目前长江大桥实施中最大体量的一次吊安工业化技术)，
- 大体积、高性能混凝土实施综合技术。
主跨330m的重庆石板坡长江大桥复线桥是世界上最大跨度的梁桥。它的安全、成功实施不仅将开创梁桥设计与建设的新纪元、而且也讲成为全国乃至全球超大跨度梁桥的建设奠基石与里程碑。
图3 重庆石板坡长江大桥复线桥效果-运输-吊安-成桥图
三、预应力混凝土桥梁工业化技术的历史、优势与技术特点
历 史
早在二十世纪四十年代，由预应力混凝土的创始人之一 Eugene Freyssinet（法国人）开始了对预应力混凝土桥梁短线节段吻合预制技术的探索。并且由Eugene Freyssinet的后继传人Jean Muller（法裔美国人）与他的同人们将这项技术完善、并发扬光大。他们于1952年在美国纽约州东巴佛罗地区（in the State of New York, East of Buffalo, the United States）的一座小型桥梁上成功地实施了这项技术。
此后，在二十世纪六十、七十、八十年代法国与美国的公路桥梁建设中，该项技术得到大范围的应用。在这个时期，预应力混凝土桥梁工业化技术不仅应用到了简支梁桥，同时也在连续梁、连续刚构、拱桥与斜拉桥中得到广泛的应用。在这样的历史背景下，美国节段法桥梁协会（American Segmental Bridge Institute - ASBI）于1989年成立。ASBI的成立在业主、设计咨询、承包商、与专项产品分包商之间建立了技术交流的桥梁，并协助美国各州公路和运输工作者协会（AASHTO）编制了全球第一部节段预制块桥梁设计规范，从而使这项工业化技术得到了极大的发展。
今天，在美国一半以上的大型混凝土桥梁，特别是都市区混凝土桥梁的设计与施工中均采用了该项技术。二十世纪八十年代后期这项桥梁工业化技术来到了亚太地区，并在泰国的曼谷、澳大利亚、新西兰、日本、我国的香港、澳门等地区的桥梁建设中广为使用。上世纪九十年代后期与本世纪之初，我国开始了对这一项桥梁建设工业化技术的学习与尝试，并在我国个别工程中（如：中铁三院设计的哈达客运专线普兰店跨海特大桥及辽河铁路特大桥，瀚阳（国际）咨询所设计的国内工点：广州轨道交通四六号线高架工程、六号线珠江大桥、福建沉州特大桥；交通部门的工点：苏通大桥引桥等）进行了实践实施，为我国桥梁建设的工业化技术的推进作出了贡献，加快了我国从桥梁大国到桥梁强国过度的进程。
目前建设部于2007年颁布了“预应力混凝土桥梁节段逐跨拼装施工技术规程”(CJJ/T111-2006)，为预制块桥梁施工技术在我国的推广与应用提供了先期的技术支持。
图4、 美国 Hawaii H3
图5、 Natchez Trace Bridge，Tennessee
图6、 Lin Cove Viaduct， North Carolina
图 7、 香港- Shenzhen western corridor / deep bay link / lai chi kok
图 8、 广州地铁四号线、六号线
图 9、 辽河铁路特大桥
图10、 苏通长江 （引桥）
基本原理与关键技术
基本原理
像钢结构工业化一样，预应力混凝土短线节段技术就其核心是将混凝土结构进行整体设计分割，在零应力状态下进行工厂化节段制造，并通过三维控制技术使工厂化、标准化的生产满足桥梁设计功能与几何多样化的要求。
短线配套浇筑法的第一节段通过固定端模板及活动端模板的控制而浇灌，称为‘基准节段’，然后依次用完成的节段作为下一节段的活动端模板作匹配浇筑，使接口完全吻合，当前一节段完成匹配浇筑后，后一节段便被移走存放，不需要整段桥跨在预制场拼合。正由于整跨桥是分段预制的，因此对每一节梁的三维尺寸控制非常重要，否则现场拼装就可能出现完成拼装后的桥线形与设计不符或相邻桥跨根本不能接合的重大错误。
在浇灌工序中，我们统称和固定端模板相接的节段为“现浇节段”（W/C），而起活动端模板作用的节段为“匹配节段”（M/C）。
相邻节段的拼合示意
桥梁线形总坐标与节段梁三维坐标关系的建立
为了使节段完成拼接后与整个桥梁的设计线形相符合，必须先将整个桥的线形控制坐标分解成每个节段接缝处的三维坐标。每次浇注时通过调整匹配节段的位置来建立新浇注节段接缝处的三维坐标。最后所有构成桥梁的节段三维坐标要能闭合成整个桥梁的线形总坐标。各个节段和完成的桥梁结构之间的关系可以由以下三个不同的参考系来确定：
①最终参考系：是针对完成后的桥梁结构几何形状的参考坐标。在这个参考系中，每个节段都用其基本几何形状来描述。
②辅助参考系：与节段梁模具相一致，并建立在模具固定端模板上面。
③基本参考系：建立在每个节段梁上，一般分解在节段梁间接缝处。在节段浇注时，基本参考系与辅助参考系重合。
节段三维调整的基本方式
模具的固定端模板永远垂直于浇注节段的中线，因此每一个匹配节段作为下一节段封口的端面都是垂直于自身中轴线的。在匹配浇筑时，匹配节段经过三维方向的转动确定其位置，使每一匹配节段的中轴线在接口位置与线形曲线吻合。
要完成短线匹配的要求，三维几何控制软件需提供相关数据，以指导匹配节段的定位。
优势 / 安全、质量、耐久、经济
材料科学、计算力学、制造施工技术是桥梁工程技术中地三大支柱。上世纪以来，桥梁的制造与施工技术一直在沿着工业化的方向发展。桥梁制造与实施工业化所带来的成果之一就是高性能、稳定的产品质量。桥梁中的节段预制技术把传统的“将天上的浇注工作请到了车间”，是“现场”多工面的施工作业经过统一分解、并集成到了工业化的、可以重复优化的制造工序。混凝土节块的质量与稳定性得到了从材料直到各个工序的保证。
另外，由于混凝土节块在预制完成后将会在预制场内有一定的储存期，进而使节段预制工法实施的预应力混凝土桥梁中的收缩徐变效应相对减少，从而提高此类桥梁的使用寿命，减少业主的后期维护及运营费。
•速度快
预应力混凝土桥梁工业化技术的另一个特点就是速度快。由于该项技术可以将巨大的永久结构合理分块，现场作业量小，对于大型工程可以多点施工组装架设，速度之快是其它施工工法难以比拟的。
实例1：被誉为全球颠峰工程的加拿大海湾大桥（也叫加拿大联邦大桥－Confederate Bridge）：大桥全长13.8 km，北桑波澜德（North Thumberland Strait）风大、浪大、水急、海峡深（最深为：43m）、冰封期长（每年六个月）。该工程采用超大预制块技术，项目采用设计施工总承包形式，总工期仅为40月（本文作者有幸作为项目技术负责人之一，参加本项工程的设计与施工）；
图 11、Confederate Bridge
实例2：泰国曼谷曼纳（Bang Na Expressway 简称BNE）都市高架特大桥：预制桥梁全长55公里，都市区内施工。该工程采用全预应力混凝土上部结构，项目采用设计施工总承包形式，总工程工期为48个月（本文作者有幸作为项目技术负责人之一，参加本项工程的设计与施工）。
<
图 12、Bang Na Expressway
预制节段的现场拼装的方法可以多种多样，其中典型就有：（a）简支单跨架设法；（b）悬臂平衡架设法；（c）推顶架设法；（d）支架架设法；（e）整孔架设法等。
图 13（a）简支单跨架设法
图 13（b）悬臂平衡架设法 - 1
图 13（c）悬臂平衡架设法 - 2
图 13（d）推顶架设法
图 13（e）支架架设法
图 13（f）整孔架设法
•对自然与社会环境冲击小
由于桥梁制造与实施工业化技术的技术核心目的与效果之一是“将天上的浇注工作请到了车间”，现场架设施工基本不受白天、黑夜与天气条件的限制。运梁、吊梁大多在夜间进行，张拉成梁多在白天实施，所以这套工业化桥梁建设技术的实施大大缓解了由于现场施工给工程周边自然环境（工业尘土、噪音等）与社会环境（交通堵塞、人力时间资源浪费等）带来的冲击，真正做到了“以人为本、文明生产”。这也是欧、美乃至亚洲发达地区（如日本、香港等）普遍采用短线节段吻合预制设计与施工技术的重要原因之一。
•相对经济优势
孤立的将一座小桥来就传统的现浇工法与短线节段预制法进行经济性比较是片面的做法。就象任何工业化技术一样，它需要基本的规模。就跟一辆手工汽车与专用生产线所生产的唯一的一辆汽车不能进行简单的经济性比较一样。很显然，桥梁工程的规模越大，用短线节段预制法进行桥梁建设的经济效益就越高；工程规模越小，经济效益也越低。若工程规模过小，单就经济效益来评价，甚至不如传统的“现浇”工法。最终的经济指标也与工程所在地区的人力、与材料资源价格有关，对具体工程应具体分析。
依据过去几十年的实践工作经验，一般而言，在欧、美等工业发达地区，总长超过1.0 – 1.5公里的预应力混凝土桥梁，短线节段预制法所带来的经济效益开始体现；在亚洲中等发达地区（如港、澳）以及我国大型都市（如：上海、深圳、北京、广州）地区，经济工程最小桥长（立交可记匝道长度长之合）一般应在2.5公里左右；而在我国国内中等发达城市（如大多数省会城市），经济工程最小桥长可能在3.0公里左右。值得注意的是这里讲的桥长不是指单一桥梁结构的桥长，而是属于一个业主、一批桥梁工程的总长。
另外，像其它发达与中等发达国家一样，我们国家也正在走出“单一静态工程投资”决定一切的模式，进而走入“安全、耐久、生命周期投资、环境与景观”综合因素决策的时代。从负责当代到造福后代。
技术特点
预应力混凝土桥梁工业化技术特点很多，但其中最核心的一条是：总体实施方案的“4+1”原则。这里的“4”是指：设计、制造、运输、架设，而“1”是指项目管理。五个元素密不可分，设计为技术源头、制造与运输为技术条件、管理为技术保障。
图14 设计、制造、运输、架设
项目要安全、顺利、高效地实施，要求项目设计者不仅对桥梁结构设计本身有深入的掌握，而且对节段桥梁的制造、运输、架设过程有十分清晰的把握。并且这其中任何一个环节的脱节都会导致严重的后果。例如：在常规的预应力混凝土桥梁实施过程中，最终成桥几何由设计文件确定，并由监控与施工单位现场调整实现；节段预制技术则有很大不同，其最终成桥几何在节段制造中就已经确定，现场很难，甚至无法调整，所以设计不但要对桥梁的安全、耐久设计负责，更要在设计的初期对桥梁的成桥线型负责。
另外，正是因为短线节段预制设计与施工技术是一个比较彻底的工业化技术，实施的系统性极强，一个高效的项目管理层也是该技术推广的必要条件。
四、桥梁现代工业化技术在我国的发展与推广展望
大量的国际工程实践与近年来我国在部分桥梁工程实施的经验，现代桥梁工业化技术在我国开展与推广的基本条件已经成熟。随着我国经济的发展进一步深入，交通工程中桥梁基础设施实施质量与耐久性问题越来越突出，而且社会对环境保护的意识与责任越来越强，大节段钢梁技术及预应力混凝土节段预制技术在桥梁中的应用会越来越被重视和推广。
另外，随着机械化及工厂化的推广，预应力混凝土桥梁工业化技术会有更大的发展空间和经济优势。
作者：孙峻岭
孙峻岭博士，美国加州大学工学博士，美国注册结构工程师，广州瀚阳工程咨询有限公司总经理兼技术总监， 节段预制设计规范主编人，港珠澳大桥工程安全评定组组长，三获国际ENR工程大奖，获“2011年第二届广州新侨回国创业杰出贡献奖”。
