美國聯邦公路管理局（FHWA）和許多州交通部（DOT）正在積極地推進快速橋梁施工（ABC），以盡量減少因施工限制對公眾出行造成的影響，并提高工作區域的安全性。最近，已有諸多橋梁快速施工的成功案例誕生，大部分位于低地震活動地區。2009年出版的聯邦公路管理局《預制構件和系統的連接細部》中，記錄了許多這樣的快速施工應用案例。

然而，在美國地震區，橋梁快速施工技術的使用還面臨著一些限制。成功實現橋梁的快速施工，其中一個關鍵因素在于，預制構件之間的連接。提供可靠的連接以確保延展性能，這一點對于能夠滿足地震多發區所需的設計要求至關重要。在近期的地震區橋梁快速施工項目中預制梁吊裝，采用的幾種預制連接細部，其應用前景十分廣闊。但是，地震荷載對這些連接細部產生的影響，目前尚未進行全面的試驗。此外，美國州公路和運輸官員協會（簡稱AASHTO）的《LRFD抗震橋梁設計指導規范》中規定，目前禁止或限制在塑性鉸部位進行梁柱縱筋的拼接。

本文重點介紹了在國家合作公路研究計劃（簡稱NCHRP）下進行的已完成、正在進行和計劃進行的研究，這些研究由美國州公路和運輸官員協會資助，以幫助業主、制造商和承包商在地震區和非地震區，成功使用預制橋梁元件和系統（PBES）。

快速施工 因地制宜

與傳統的現澆橋梁施工相比，橋梁快速施工（ABC）用于更換國家交通運輸基礎設施的同時，減少了交通影響、現場施工時間、環境影響和全壽命周期成本；提高了工作區安全性、現場可施工性、材料質量和產品耐久性。鑒于這些原因，州交通部和聯邦公路管理局（FHWA）正積極推進預制橋梁元件和系統（PBES），在快速施工中的使用。

預制橋梁元件和系統是在橋梁現場或附近建造的橋梁結構部件，其特點是，相對于傳統的施工方法，減少了現場施工時間，在新建橋梁或修復更換原有橋梁時，對公眾出行的干擾。

NCHRP全國普查計劃11-02，關于多災種和極端事件地區橋梁的快速橋梁施工，在用連接系統性能的最佳實踐期間，人們注意到，橋梁快速施工技術在中高地震活動水平地區的使用，備受限制。出于對預制橋梁元件和系統，快速施工的預期效益考慮，一些國家合作公路研究計劃項目一直專注于連接部位的可施工性、可檢查性、耐久性和抗震性能。這些項目包括：地震區預制蓋梁系統研發、綜合研發中高地震活動地區的快速施工連接系統性能研究、關于多災種和極端事件地區橋梁的快速施工連接系統性能的最佳實踐、AASHTO橋梁快速施工設計和施工推薦指導規范、預制橋梁元件和系統公差及橋梁動態效應推薦指南、AASHTO橋梁快速施工-梁柱連接抗震規范。

地震區預制蓋梁系統的研發

預制蓋梁系統在公路建設中的實用性與日俱增。采用預制方法，無需在現場搭建模板、澆筑混凝土、固化混凝土，使橋梁施工更安全、更環保。此外，也免除了關鍵道路上的蓋梁施工，從而加快施工速度。采用預制方法，還可以提高質量和耐用性，因為預制工作是在受控環境中進行的。預制蓋梁系統的這些優點也符合“快進快出，無礙交通”的理念。預制蓋梁的成功使用，取決于合理的設計、可施工性和連接性能。在預制蓋梁的早期使用中，僅限于連接處可傳遞最小彎矩和剪力。在地震區，必須通過連接來傳遞更大的力，并確保主梁的縱向連續性。

根據上部結構與下部結構的連接性，預制蓋梁系統可分為整體式和非整體式。整體式蓋梁系統通過主梁與蓋梁的連接，實現縱向連續性。相比之下，非整體式蓋梁系統通過蓋梁到梁柱的連接，提供連續橫向彎矩。但是，整體式預制蓋梁系統需要使用預制蓋梁到梁柱，以及上部結構到蓋梁的連接。

另外，預制連接通常分為仿真式和混合式。仿真式連接設計能夠提供與傳統整體式現澆（CIP）結構相似的系統性能。使用仿真式預制蓋梁連接的橋梁，梁柱中預計會形成塑性鉸，力將重新分布到現澆部位等其他構件。仿真式系統的橫向力與位移的響應特征是，完整的滯回曲線和穩定的能量耗散。這樣的響應是由相當程度的損傷和潛在的殘余變形引起的，這是現澆橋梁抗震設計理念的基本假設。混合式系統設計，通過控制柱端特殊節點的搖擺來提供足夠的能量耗散。此外，與仿真式系統相比，混合式系統可顯著減少損傷和殘余偏移。

國家合作公路研究計劃項目12-74旨在研發和驗證設計方法，推薦設計和施工規范，以及為預制蓋梁系統設計模板和連接細部吊車公司，這些預制蓋梁系統采用整體式系統和非整體式系統，適用于全美所有地震區的仿真式預制連接和混合式預制連接。

項目成果記錄在國家合作公路研究計劃報告681的系列文件中。報告介紹了設計方法，推薦了設計、施工規范、設計流程圖，提供了預制蓋梁系統的模板設計和模板連接詳情。這些仿真式和混合式連接，是針對整體式和非整體式系統以及全美所有地震區所研發的。圖1和圖2分別展示了該項目下進行試驗的灌漿管道和蓋梁卡槽（cap pocket）試件的結構。

圖1 灌漿管道試件：蓋梁放置前后制造和澆筑作業期間的蓋梁接頭區域

圖2 非整體式、仿真式：蓋梁卡槽完全延展性

連接細部的成熟度評估

《國家合作公路研究計劃報告698》中，對近期使用的或研發中的，可應用于快速施工技術的橋梁連接細部等相關信息進行了概述，并針對未來研究工作提出了改善建議。該項目提出了一種評估連接細部（如鋼筋連接件、灌漿管道、卡槽連接、構件插入式連接、混合式連接、整體式連接和新興連接技術）成熟度的方法，以便在地震區橋梁快速施工中得以實施。

該方法提出了如表1中定義的多個技術準備水平。技術準備水平（TRL）1適用于數據庫中的所有連接類型，因為該等級表示至少已經建立了概念。技術準備水平2表示，可以通過分析或測試來驗證靜態強度。可以通過分析來驗證靜態強度的原因在于吊車公司，針對靜態響應的構件設計，例如橫梁彎曲，毫無疑問，只能通過分析完成。技術準備水平3提供基本的可施工性驗證。如果將連接概念應用到地震區，則鋼筋打架問題可能更為嚴重，并且連接的可施工性較非地震區用連接更為不成熟。但是，技術準備水平3表示不存在基本的施工障礙。技術準備水平4表示，已經分析評估了連接類型的地震荷載。分析應當涵蓋循環荷載和非彈性的影響，包括延展性需求和能力。其還包括滿足技術準備水平2的要求。技術準備水平5表示通過試驗驗證了關鍵部件的可行性。例如，在依賴機械連接件傳遞鋼筋間張力的連接類型中，技術準備水平5可能適用于單個連接件。當然，測試成功后技術準備水平5才能適用。

技術準備水平6表示測試整個連接傳力構件，例如梁柱到蓋梁的彎矩傳遞，而不是只測試諸如鋼筋連接位置。技術準備水平7是現場實施的重要一步。指南的存在意味著，不僅僅是簡單地如一次試驗和重要分析，還包括研究重要參數在設計中的影響。技術準備水平8表示在使用抗震構件的情況下提供了可施工性驗證，其中還包括需要滿足技術準備水平3的要求。技術準備水平9表示驗證了連接是否滿足可施工性和抗震性能的雙重要求。只有很少（如果有的話）連接可以達到技術準備水平9，因為橋梁快速施工所用的連接系統，只是在近幾年才被應用于橋梁，并且很少在高地震活動地區中使用。全尺寸動態振動臺試驗不能視為符合技術準備水平9的要求。

為了確定連接系統是否值得進一步投入測試和分析，有必要度量另外兩項指標。報告中將二者稱為“省時潛力”和“性能潛力”。第一個較為簡單，表示使用連接系統可能節省的時間。實際節省的時間取決于采用相應連接類型的施工系統，因此評估必然是主觀性的粗略評估。但是，相對于傳統現澆結構，省時潛力確實是具有時間優勢的。

第二項度量指標是連接類型的綜合性能潛力，需從連接的施工風險、抗震性能、耐久性和震后可檢查性等方面來確定。要證明連接類型具備良好的性能潛力，該連接類型在上述四個方面需要得到足夠的分數。任何一方面得分為“更差”，則表示該連接類型不符合要求。如果在一個或兩個方面得分為“稍差”，那么連接類型在其他方面表現出的更好性能可以與“稍差”分數相抵消。然而，比具有僅達到要求性能的連接類型來說，在一方面具有出色的性能不一定代表該連接類型更具吸引力。因此，連接類型的綜合性能潛力分值應該達到飽和。

例如，如果大多數結構在重大地震事件中發生了1.5%至2%的位移，并且5%的位移量被認為是“足夠的”，那么12%的連接位移量幾乎不會使系統價值有所提升，因為它不太可能被使用。這一論點也適用于上述四個方面。施工風險選項，評估的是施工期間可能出現的問題，并造成降低質量或減緩進度的可能性。但是，不能只通過施工風險來度量省時潛力,因此還是要通過飽和分值來度量省時潛力。

極端條件下的快速施工倡議

美國全國普查計劃11-02，關于多災種和極端事件地區橋梁的快速施工連接系統性能的最佳實踐，該普查計劃的總體目標是，找出美國用于橋梁快速施工的，并在自然或人為極端事件、荷載（例如在波浪和潮汐或風暴潮所施加的荷載下）、地震事件、爆炸和較大作用力下表現出良好性能的連接細部。在現場走訪之前，先進行了案頭普查。案頭普查包括概覽相關的報告、論文和網絡資料。案頭普查的主要內容是九州普查，其中每個州都與橋梁快速施工有著密切的關系，具有快速施工相關活動的歷史，并且可能發生一個或多個極端事件。

根據普查和后續討論，普查團隊提出了一些建議：

1.繼續研究多災種（MH）荷載組合。通過研究，深入了解快速橋梁施工所用連接的任何特征。一旦獲得研究結果，并研發出了將多災種納入荷載抗力系數設計（LRFD）的可行方法，就著手開展一項國家合作公路研究計劃項目，將該研究轉變成美國州公路和運輸官員協會指南。

2.設立多災種荷載下快速橋梁施工國家研究中心。該中心的主要目標是：協調和整合針對多災種荷載考慮因素的快速施工研究工作和設計指南編制工作；確保新興的快速施工所用連接的簡單實用性；建立快速施工所用標準的連接細部數據庫；對不同的連接進行評估、收集、編譯、解讀，建立快速施工所用連接的現場性能數據庫；針對基于性能的設計方法預制梁吊裝，研究快速施工連接部件的性能特征；配合美國州公路和運輸官員協會，制定橋梁設計和施工規范。

3.通過美國總承包商協會進行廣泛宣傳，推廣快速施工在橋梁合同簽約界的知名度。美國聯邦公路管理局的“每日健康”（Every Day Counts）計劃，樹立了橋梁快速施工的愿景。

4.通過聯邦公路管理局“終身公路”（HFL）計劃，支持利用各種快速施工的示范項目。這有助于宣傳快速橋梁施工設計和實施范例，并推進快速施工在極端荷載地區的應用。

5.繼續研究仿真式設計，以促進仿真式設計被編入美國州公路和運輸官員協會規范中。反過來，這將使快速施工能夠在高地震活動地區和有其他極端荷載地區，得到充分的實施。

6.考慮在未來的研發中使用新型部件，以及高性能混凝土、金屬和復合材料，即使仿真式設計是編制快速施工規范的初衷。創新的方法和新型材料有可能實現或超越仿真式設計的目標性能水平。

7.經常實地調查和檢驗快速施工項目，記錄性能數據，并總結經驗教訓，直到編制出足夠的快速施工現場性能數據庫。這項工作可以結合聯邦公路管理局進行的長期橋梁性能監測計劃來開展，便于利用近年來可用的工具和流程。

8.針對快速施工在抗震設計類別（SDC） B、C和D中的應用，更新美國州公路和運輸官員協會《LRFD抗震橋梁設計指導規范》。

9.針對高、早強混凝土在快速施工合龍澆筑中的應用，開展研究和現場監測，并制定設計和施工規范。

10.制定有關預制構件重量和尺寸的運輸準則。

NCHRP的各項快速施工規范

AASHTO橋梁快速施工指導規范

編制AASHTO快速施工設計和施工指導規范的目的在于，記錄越來越多的針對橋梁快速施工所用預制橋梁元件和系統的設計流程和施工方案。編制規范時，根據可施工性和耐久性來定義性能。針對每項技術進行技術準備評估，技術準備評估得分需要達到75%及以上，方可將該技術納入指導規范。

美國州公路和運輸官員協會橋梁和結構委員會于2017年6月15日，通過了該指導規范。研究機構的最終報告記錄了全部研究工作，并以《國家合作公路研究計劃在線只讀文件242：美國州公路和運輸官員協會橋梁快速施工設計和施工推薦指導規范》為題在網上發布。

預制構件安裝及橋梁動態效應指南

美國州公路和運輸官員協會橋梁指南，針對預制橋梁元件和系統的制造與安裝公差，以及橋梁設計、制造與安裝過程中的公差制定驗收標準；針對通過滑入式操作和SPMTs來確定橋梁的動態響應，并評估這些動力對橋梁系統的影響。

研究機構的最終報告中還記錄了全部研究工作，并以《國家合作公路研究計劃在線只讀文件243：預制橋梁元件和系統公差推薦指南及橋梁系統動態效應推薦指南》為題在網上發布。

梁柱連接部位的抗震規范

針對快速施工中梁柱連接部位在中高地震活動地區的應用，美國州公路和運輸官員協會基于位移的設計和施工建議編制規范。規范應至少涵蓋機械鋼筋連接件、灌漿管道、卡槽和插入式連接。內容中應含分析和測試，連接細節、選擇標準、模板設計和流程圖，有助于編制設計和施工規范草案。國家合作公路研究計劃項目12-105，于2014年啟動，計劃2019年6月完成。

幾十年來，國家合作公路研究計劃在州交通部、聯邦公路管理局和國際機構的協作下，對可能使美國公路運輸系統受益的創新技術和實踐進行了評估和評價。同樣，通過國家合作公路研究計劃開展的全國普查，確定了美國機構使用有效的創新方法，其他機構也可采用這些方法并從中獲益。NCHRP對橋梁的擁有者采用預制橋梁構件的性能進行了評估。通過NCHRP，制定出針對橋面板、橫梁和橋墩等基礎構件的AASHTO設計和施工規范、模板設計連接細節，這些都將作為整個美國橋梁快速施工設計實踐的參考資源，目前通過正在進行的項目一步步擴大這一資源庫。

作者 / Waseem Dekelbab

作者系美國交通研究委員會高級項目專員

編輯 / 裴小吟