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第9章 下部结构的预制和施工问题
9.1 快速下部结构施工相比快速上部结构施工是更大的挑战
在第8章，我们介绍了上部结构预制技术和模块化的施工方法，如采用特殊的梁（inverset，下横梁，和Wolf girders横托梁），预置连接部分的必要性，以及对许多国家成功桥面构件的案例研究进行了讨论。本章涉及同样重要的桥梁下部结构和基础的快速施工应用。最近几年不同国家成功完成的下部结构项目的表格在第5章给出（表5.4，5.6，和5.7），下部结构的施工实例研究及详细讨论在第9.7和9.8节中给出。
在这一章中，下部结构，全预制桥梁和现有下部结构的应急更换（当上层结构被解除了顶部的荷载和重复使用）都使用预制单元解决。快速交付的施工管理方法同时适用于下部结构和上部结构的部件。
很重要的是，了解预制桥梁构件和系统（PBES）不仅要着眼于传统预制桥梁的梁和桥面而且包括所有的桥梁构件，包括桥台、桥墩、基础、墙、胸墙和桥头搭板。在附录2中列出了适用于所有章节的术语词汇表作为参考资料。
养护最小间隙以防止事故发生：为基础下部结构设计和建造，美国国有公路运输管理员协会要求州际公路的垂直间隙低于16.6英尺，在铁路的垂直间隙低于23英尺，从而规定了的桥台和桥墩净高。一些现有的桥梁不满足这个重要要求，这些桥梁已经不满足使用，需求需要进行重建。
通过预制施工控制下部结构达到所需要的间隙。以提高桥面标高，道路公路的标高也需要被提高。提高公路标高有诸多困难，而且地下通道可能需要降低。在河流通航的桥梁上，可移动的桥梁的日常运营和长期保养都更为昂贵。
此外，一些国家已经批准了在更换过程中减少交通中断的法规。因此，初期建设和交付的下部结构向着正确方向迈出了一步。创新的施工方法，材料和系统将减少现场施工时间。
优势：对上部结构运用ABC法的优势已经进行过讨论。而对于下部结构，相比较常规施工其优点包括以下几个：
夜间工作时间，不需要让起重桥进入现有空间。
快速建设有能力在相同的线形上搭建一座桥梁。
不需要在已有桥梁旁边进行新桥工程。
不需要部分车道关闭。
从历史上看，桥面，梁和护栏已经利用现有下部结构的预制施工所取代。这种做法将继续下去，直到所有现有的旧代桥梁完全取代，全新的下部结构成为必须。
在很久以前，LRFD法不是主流。对下部结构构件的设计要求一般比对上部结构构件要更为保守（荷载和材料的安全系数更高）。此外，上部结构的结构状态一般比下部结构更好理解，因为下部结构还要受到土壤相互作用。
因此，下部结构设计标准基于100年至500年一遇的洪水峰值荷载组合，是更加保守的。例如，横向荷载导致垂直构件如桥墩、桥台、及翼墙及其基础比起水平桥面的构件承受更大的弯矩。来自洪水、风、地震等的侧向力的冲击，并由此产生的弯曲应力下部结构要比上部结构大得多。
地基：为了考虑稳定和岩土工程，基础尺寸保持较大。深基础（使用时）会比上部结构持续更长的时间，也不会像上部结构构件被经常的替换。因此，在桥梁的使用期间，桥面和梁的设计采取比远端的下部结构部件更大的重复冲击载荷。支座的改造都是使用现代支座（如隔震支座）和更换生锈摇杆和滚子轴承。桥面或支座有可能替换了不止一次，而桥台和桥墩保持不变或只发生微小变化。然而，在洪水造成侵蚀或地震的情况下，下部结构一旦损坏，就会导致上层建筑紧接着发生破坏。
预制的作用对于结构部件（如地基与深基础）是相对有限的，只需要修理和改造结构。只有小跨径的预制墩和拱桥（如连续/跨度），已经采用了ABC法的技术。钢筋混凝土已被用于常规建设排架墩和坝肩墙。预制桥台和桥墩墙壁，垂直浇接头，需要后张来保证稳定性和水密性。
总结：因此，预制桥墩和桥台采用自行式模块化运输（spmts）进行运送，架设在相较预置的上部结构构件更低的位置，而下部结构预制技术仍在为了更替现有桥梁不断发展。
我们这里讨论的下部结构工作一般适用于以下情况：
现有空间（如洪水或地震的后果）的下部结构的紧急维修和改造
对现有桥梁或新空间全置换
延长桥台和桥墩的宽度去加宽桥面
在一个新的公路规划规划一座全新的桥梁
避免车道关闭：通过关闭车道，分期建设是可能的，但分段建设可能会导致难以快速交付。一座组装单车道的桥（通往各个方向）可以使用SPMT进行运输。如果没有，如果可行的话可以使用横向滑动或滚动的方法，。
气候变化：施工季节取决于天气条件，在美国的每一个州可能不一样。在全国各地，ABC法在下部结构的运用在继续增长。例如，在冬季的寒冷期，工厂生产是可能的，但安装可能需要更长的时间。有一个运用ABC法技术的研究曲线，将协调和尝试达到业主，设计师和施工人员的一致需求。
9.1.1欧洲和日本的下部结构预制技术
SPER系统是一个使用预制混凝土板作为结构单元和现浇混凝土模板的快速施工方法。高大的空心墩采用内外模的面板，而较短的实心墩则只使用外模。该常规灌注系统提供了类似的抗震性。
9.2下部结构快速施工概述
在美国，桥梁位于下面的道路网络之一并被分类为：
州际公路
干线公路
支线公路
地方公路
ABC法和下部结构快速施工对位于更重要的州际公路和干线公路等平均每日承载量大的交通桥梁的更换工程特别有用（ADT）。当上部结构满足要求的条件下，如果下部结构需要更换，这是一个不寻常的情况。在某些情况下，上部结构可以从支座上掀起后再使用。在大多数情况下，整个桥被替换，除了使用横向滑动或滚动的技术来保护上部结构。
主要的下部结构构件如下：
预制悬臂支座类型
全高桥台
中高桥台
埋式桥台
坝肩
现代类型包括：
整体式桥台（图9.1）
半整体式桥台
机械稳定土（MSE）墙式桥台（图9.2）
预制挡土墙可以在传统的现浇施工中施工（图9.2）
图9.1 作者设计的新泽西46号路佩克曼河的整体式桥台
图9.2正在施工中的预制节段机械稳定土墙
预置墩类型：
多排架和喇叭盖型比较美观。一些常见的形状是：
实心墙
锤头型
多柱排架（空心或实心混凝土，分段，后张法预应力，钢筋）（图9.3）
现代类型包括：
多桩排架
整体墩
作者设计的位于美国南新泽西50号公路桥的预制多桩排架（图9.3）
图9.3 作者设计的位于新泽西南部50号公路桥运用了预制多桩排架
预制的桥台和桥墩的构件可能需要后张以提供复合防水连接。最近，已用于建筑约40年的锚杆耦合器，被指定为更快速、成本更低的替代连接构件。
桥梁的高度很少超过20英尺，双车道桥梁宽度小于40英尺，相比于更长跨度的SPMTs运载的主梁。排架结构做为上层建筑的组成部分和组装预制组件的运载是不常见的。
基础类型
浅基础：预制基础板
深基础：桩，桩帽，钻孔桩或墙
桩基础设计为端支座或摩擦桩。下面的形状的横截面通常使用：
H型钢桩或W型钢桩
钢管桩
混凝土桩或钢包裹的混凝土桩
预应力混凝土桩
钢板桩
对于基础的选择，应利用岩土工程师的专业知识。
预制基础：预制板下基础的土壤需要压实，使等级达到重3至4英尺厚的预制钢筋混凝土基础板的沉降差；否则，会发生由于在铸造基础板中的公差，底板的底部是不太可能是水平。到目前为止，还没有足够的经验解释有关预制基础板的土壤行为。
任何损坏的现浇基础可以通过驱动微型桩加固，但这是一个昂贵的操作。另一方面，传统的现浇混凝土会流到不均匀的土壤表面，而不留任何气穴，并在基础和土壤之间没有接触。
航道上的桥梁基础：
bull;初步或常规检查，包括检查位于水冲刷位置的桥梁支架还应包括检查支架的屈曲破坏。此外，检查排架是横向桥梁中心逐步破坏要求（结合重力和增加洪水荷载）。
bull;安装在弯道或者支线上迁移对桥台是好的做法。支线会将流量从基台上重定向。
bull;液压对策：这包括护甲如用石头加固任何暴露的基础。
bull;结构对策：包括底座，采用水泥浆或袋装水泥了。
轴承类型
轴承可分为子结构部件。下列类型的现代轴承通常使用：
bull;类型1：组合体
bull;组合（盆式支座）引导
bull;组合（盆式支座）制导
bull;组合（圆盘支座）引导
bull;组合（圆盘支座）制导
类型2：弹性体
bull;弹性聚四氟乙烯（PTFE）（如聚四氟乙烯）
弹性，织物类型与聚四氟乙烯（例如，聚四氟乙烯）
弹性钢，钢层压
弹性织物层压
弹性体，钢与外载板复合
弹性体，钢层压铅芯
弹性，与聚四氟乙烯（例如，聚四氟乙烯）层压
9.2.1 下部结构更换
结构缺陷的调查需要建立需要更换（请参阅Khan, M.A., 2010. Bridge and Highway Structure Rehabilitation and Repair. Mc GrawHill, pages 54 and 363）。在过去，往往是利用重力和巨大的壁式桥台、桥墩和基础设计。这有一个内置的优势，当用它来代替时，只有上层建筑被替换。
避免地基土的冲刷和桩破坏的措施包括以下几步：
1。桩设计：在河流受到洪水的桥梁，极限承载力的轴向荷载的桩必须是有限的抗压和/或拉伸载荷确定为减少任何预测冲刷能力。
2。单桩承载力：这必须对被极限约束的L型桩建模分析。必须考虑群桩效应。
3。桩支座的动态筛选工具的使用：评价程序由阿拉巴马州运输部和奥本大学可以使用。这是一个筛选工具描述宏观和microflood图。
（Refer to Ramey, G.E., Brown, D.A., Hughes, M.L., Hughes, D., Daniels, J., May 2007. Screening tool to assess adequacy of bridge pile bents during extreme flood/scour events, ASCE, Practice Periodical on Structural Design and Construction, vol. 12, No. 2）。悬臂翼墙：高度统一预制墙板和八字不同高度面板是必需的。在预制墙板上做了大量的工作。专有的墙系统的例子包括以下：
台面挡土墙系统：分段混凝土面单元用于与加土工格栅连接结构。台面单位不需要砂浆，所以大量的时间、人工和材料的现浇施工都被省略。高达50英尺的高度是可能的。一个高层次的结构完整性，可以用一个典型的SRW型连接的实现。
（见 the Design Manual for Mesa Retaining Wall Systems, Tensar Earth Technologies Inc., Atlanta, GA）。
艾伦块段式挡土墙：重型专业挡土墙。不同类型的建筑，包括土壤加固方案加固重力墙和墙，如格栅和地球锚。
这种类型的挡墙进行对墙的设计作者受澳大利亚集团为新泽西橡树路项目，位于Edison, New Jersey.。（见the Installation Guide for Allan Block Segmental Retaining Walls, Allan Block Corporation, Edina, MN）。
MSE挡土墙：机械稳定土或MSE，即土壤人工加固构造，可用于挡土墙和桥台。虽然MSE的基本原则已被用于整个历史，MSE是上世纪60年代在其目前的形式发展。加强元件的使用可以有所不同，但包括钢铁和土工合成材料。MSE是通常使用在美国“加筋土的术语。”作者用这一类的模块化墙在桥梁工程上。（对更多信息，见“Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes: Design amp; Construction Guidelines,” March 2001）。
悬臂式挡土墙墙：预制墙面板可以用在桥梁的方法保留在公路两侧堤防，以作为人行道护栏。作为桥梁和公路工程的二次元素的均匀高度墙的设计是类似于上面描述的专有的墙壁。
9.3预制下部结构单元的设计
预制下部结构单元的细节是基于称为细节仿真的设计工序。美国混凝土学会联合委员会（ACI）和美国土木工程师学会（ASCE）制定了这一工序。过程记录在发表题为“ACI 550.1 – Emulating Cast-in-Place Detailing in Precast Concrete Structures.”这个过程模拟与预制现浇连接。
传统的现浇（CIP）建设并非铁板一块是存在施工缝的。CIP施工缝通常是详细的销和搭接与柱连接的例外。仿真设计取代传统的搭接接头的机械耦合器。这些
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