日本COTTER工法预制桥面板在旧桥修复中的应用

1 引言

高速公路是社会的重要基础设施。近年来，它的老化一直是一个难题，各地都在计划进行翻修工程。日本熊谷组公司凭借先进的技术和卓越的现场能力，为解决这些社会问题做出了贡献。

东北高速公路是日本最长的高速公路。作为贯穿日本东部的交通大动脉，它在人们的生活中发挥着不可缺少的作用。但近年来，它已变得破败不堪，因此，目前正在计划一个重大的翻修项目。其中，岩手县八幡平至青森县平川的修复工程正是这个项目的一部分，其属于东日本高速公路公司东北分公司十和田管理处的管辖范围。熊谷组公司负责该项目中五座桥梁的翻修，将桥梁上的破损的桥面板替换成高度耐用的预制PC（Prestressed Concrete）板。熊谷组公司在这个项目中全面引进了突破性的新技术，称之为“柯特（COTTER）板法”。

COTTER板法是由包括熊谷组在内的四家公司共同开发的。与传统方法相比，它实现了施工效率的显著提高，安装速度大约提高了一倍，操作人员的数量则减少了一半。

传统的桥面板在两端都有由钢筋制成的接缝，而混凝土必须在这些接缝处现场浇筑，这需要大量的劳动力和专业技能。而COTTER板法则在桥面板的接缝处使用了独特开发的Cotter型接头，使得接缝的宽度只有2厘米，且不需要在现场浇筑混凝土。通过预制99%的桥面板，混凝土的质量也得到了提高。同时，还可实现桥面板的部分替换。正因COTTER板法的这些突出特点，其赢得了JSCE的技术发展奖。

东北高速公路十和田地区的高速公路翻修工程于2019年8月开始。第一座开工的大桥：小坂河大桥（下行线），采用了传统的方法，随后的小坂河大桥（上行线）和新户泽大桥（下行线），都部分采用了COTTER板法与传统方法结合。

2021年6月，第四座大桥：天宫大桥（上行线）的翻修工程开始，其全面采用了COTTER板法，并向接头更紧凑、更轻量化的新型COTTER板法演变。6月中旬，在天宫桥上开始了安装施工脚手架的工作。由于需要协调其他各个方面，这项工作是在夜间进行的。在现场，在闪烁的灯光照耀下，巨大的COTTER板被吊车吊起，在年轻技术人员的指导下被放置在桥梁上，位置和高度都调整到毫米级的精度。安装完毕后，工人们将金属楔子插入到接头处，并用螺栓将其拧紧。在天宫桥上，每次安装五块桥面板，大约只需要1小时20分钟。

在施工现场，COTTER板法还展现出了许多其他优点，其中，最突出的是安全管理。在传统的施工方法中，为了在现场浇筑混凝土，需要许多熟练掌握模板和钢筋笼制作的工人，这给施工安全管理增加了难度。而COTTER板不需要那样的作业。另外，由于模板消失，废弃物也大幅减少，在环境方面也做出了很大贡献。到2021年3月为止，日本的高速公路的总里程约为9071公里，今后各地进行高速公路翻修的需求旺盛。熊谷组公司为了满足这样的社会需求，也将致力于开发更加适用于城市的高速公路的新的COTTER板法。2021年秋天，继现在的天宫桥工程之后，将开展第五座桥梁：西石通桥（下行线）的翻修工程。又一个支撑社会的先进技术从现场起飞。

2 天宫桥工程案例分析

接下来，以天宫桥翻修工程为案例，对COTTER板法进 行详细介绍。

图1 采用COTTER板法的天宫桥桥面更换

2.1 桥梁概况和损坏情况

图2 天宫桥的全景图

图3 天宫桥（上行线）的概貌

安代IC和风野八幡台IC之间的上行线交通量为4144辆/日，大车混合率为31.5%。这一段每天大约有12吨的防冻剂被喷洒，大约是辖区内平均喷洒量的4倍（在东北分公司管辖的约130个区段内，每天共约喷洒防冻剂450吨，平均约为3.5吨/天/地段）。并且，在分公司管辖范围内，12吨/天以上的喷洒量只有约10个地段。可见，天宫桥所在区段的防冻剂喷洒量非常大。

由于大量防冻剂的应用，氯离子浓度在桥面板的上表面达到最大15.81公斤/立方米，在下表面达到9.78公斤/立方米，在钢筋附近的区域达到最大14.31公斤/立方米（都在P1A和P1B桥墩之间）。

在P1A和P1B桥墩之间的板底，受防冻剂和反复疲劳加载作用，可观察到裂缝处有石灰石结晶，而在顶面则可观察到由于沉淀和上层钢筋生锈造成的膨胀。在桥梁其他部分也观察到了裂缝和其他损坏，因此决定将整个2028平方米的桥面板全部更换为预制桥面板。

图4 桥面板下方

图5 桥面板上方

在箱梁的上翼缘顶部和现有的桥面板之间有一个间隙，如果由于含有抗冻剂的水从板块的裂缝中渗入，导致上翼缘出现明显的腐蚀或断面损失，则需要进行加固。但由于结构的原因，无法直接目测确认。而若直接对现有板块进行拆除后观察腐蚀情况，则会对施工和道路限制的解除产生很大影响。因此，在施工开始前，从箱梁内部进行了超声波检测，以调查上部翼缘的退化情况。

调查包括在两根主梁（G1和G2，梁高1,600毫米，梁宽2,100毫米）上以250毫米的间距沿桥梁轴线测量每根梁全长的四条测量线的厚度，总共约有6200个测量点。测量值与设计厚度之间的最大差异是其中三根梁的-0.4毫米，但结果显示这些梁没有恶化到需要加固的程度。

图6 横断面图（桥面板块更换前）

图7 从箱梁内部进行的超声波测量。

此外，本项目还使用纤维内窥镜对上翼缘的顶面进行了间接的视觉检查，利用A2侧的两个G2梁检查口对每个检查口前后数米的区域进行了调查。这是为了检查与现有桥面板的间隙，以及上翼缘顶面的恶化情况。根据图纸，应该有一个缺口，但有可能已经浇筑好了。如果浇筑，现有桥面板剥离时就会出现大问题，因此需要事先确认存在间隙。

图8 用纤维镜相机检查了与现有板块的间隙

考虑到目前对于拆除现有桥面板后的钢箱梁上翼缘表面如何进行涂装还没有相应规范，因此，对与桥面板接触的区域采用厚膜有机富锌涂料（Nippe Zinkey 8000 HB），而其余的表面则涂有应用型表面处理还原剂（RustShut）。

图9 上翼缘表面喷漆完成。

2.2 Cotter接头

桥面板块更换采用Cotter板块法进行，该方法由熊谷组、Guyart、东方白石和Geostar共同开发。该施工方法的采用，是在高速公路更新工程中，继2020年春施工的小坂川桥（上行线）、2020年秋施工的新远部泽川桥（下行线）之后的第3个事例。

该方法采用Cotter接头连接：将一个楔形的H形配件插入埋在桥面板中的C形配件中，用固定螺栓拧紧，并填入连接材料，从而将桥面板相连。由于不需要现场浇注，可以省去绑扎钢筋笼和模板制作等工序，与传统施工方法的环形接头相比，从桥面板架设到完成接头的工作日数可减少约50%，施工人员数量也可减少约50%。

图10 cotter板施工方法示意图（由熊谷公司提供）。

首次使用小型、轻量化的Cotter式接头，是这个天宫桥翻修工程中的另一个特点。与前两个工程中使用的传统型Cotter式接头相比，每对接头的长度从1300毫米减少到1000毫米，从而使重量减少33%。传统型最初设定了一个更高的性能标准。在不改变材料的情况下，新Cotter式接头缩短了锚固杆的长度，减少了C型配件的壁厚，但任然保证了与传统型相同的性能。在未来的建设工作中，将只使用小型、轻量化的类型（熊谷组）。

图11 小型、轻量化的cotter式接头

新接头的尺寸更小，重量更轻，也使得在桥轴方向可以容纳长度更短的端板和调整板，简化了桥面板生产中钢筋布置工作，并减少了人工将其放入模板时的工作量（传统型每边重达15公斤）。此外，在生产Cotter式接头本身时，传统类型的单边长度为650毫米，在日本只有少数几家铸造厂可以生产，但通过将单边长度减少到500毫米，现在许多铸造厂都可以生产这种接头。

2.3 预制桥面板

通过将现浇部分设置为“零”，熊谷组公司正在努力缩短施工流程并提高质量。所有桥面板均采用预制桥面板，除端板外均采用预制PC桥面板，包括支点调整板。预制RC桥面板用于端板，并为伸缩缝制作槽口。墙式护栏也采用预制，通过制造与桥轴线方向长度和布置相同的预制桥面板，无需在端部或支点现浇。

图12 端板（预制RC桥面板/Cotter板）通过插入槽口支撑

图13 预制墙栏杆直到边缘，取消了现浇部分。

桥面板的制作是在东方白石的关东工厂进行的。在制作COTTER桥面板时，使用了滑动模板（侧模板），在侧模板上安装COTTER式接头后，横向滑动并压入模板。C型和H型配件采用了环氧树脂涂层，并在接头之间垂直于桥轴的水平方向使用了环氧树脂涂层的钢筋（C型和H型配件由夏目工业公司提供环氧树脂涂层，钢筋由Ajigawa Ironworks公司提供），以提高耐腐蚀性。

图14 使用滑动式模板将cotter式接头插入钢筋笼

2.4 现有桥面拆除和新桥面架设

工作脚手架的安装面积约为2425平方米，使用的是Nisso Sangyo的Quick Deck，这是一个具有先进地板结构的悬空脚手架地板型系统。因为吊链间隔大，地面没有台阶，所以作业效率提高，同时可以先行施工作业地板，所以在高处的作业可以更安全地施工。

图15 “Quickdeck”工作脚手架

从5月25日起实行全天双向交通限制，开始切割现有墙式护栏和桥面板。墙式护栏仅从肩部一侧被切割和拆除（中间部分与桥面板一起被拆除）。在用线锯沿桥轴方向切割后，用道路切割机在地面覆盖物附近切割，将其与桥面板分离，同时用70吨的起重机吊起。切割尺寸为：桥轴方向6.6米，垂直于桥轴方向0.8米，每块重量为7.8吨，共29块。

现有的桥面板用道路切割机切割，切割尺寸为：在桥轴方向为2.2米，垂直于桥轴方向为6.21米（中段一侧，重10.4吨），4.14米（路肩一侧，重5.7吨）。

图16 切割和拆除现有的墙式护栏（路肩一侧）

图17 切割现有桥面板

6月8日至25日，拆除现有桥面板和架设新桥面板的工作日夜连续进行，使用220吨悬挂式全地形起重机从A2侧到A1侧，在午夜时分（从凌晨1点开始）剥离和拆除现有桥面板，白天则对上翼缘进行打磨和油漆，在晚上（8点到9点半）架设新桥面板。这个过程在夜间（从晚上8点到9点半）重复进行，用于安装新桥面板。

现有的桥面板是用四到六个40吨的液压中心孔千斤顶进行剥离的。由于螺柱吊杆是按照图纸放在腹板上的，所以工作开展起来没有任何问题。每天拆除的现有桥面板数量为12块，共计170块。

图18 剥离和拆除现有桥面板

图19 拆除现有桥面板后的上翼缘的状况

图20 上翼缘的清洁和喷漆

新设PC桥面板的标准尺寸为：桥轴方向2.45m，垂直桥轴方向11.15m（重量17t），厚度220mm。总数为73张。除标准板外，还包括支点部调整板12张。每天的架设张数为5张，每块板的安装时间约为15-20分钟或更短。如果只是架设的话，一天可以有6~7张，但是因为是箱梁，所以上翼缘的面积很大，预计在清理和涂装上会花费时间，所以减少了架设张数。

图21 新桥面板的分配图

图22 新桥面板的架设

当H型配件插入COTTER式接头的C型配件，并拧紧螺栓后，桥面板的架设工作就完成了，其中每侧安装24个接头，接头的间距为400毫米。桥面板和大梁上翼缘面之间的缝隙在第二天用无收缩砂浆填充，接缝则在第二天用水泥基材料加7号碎石和短纤维（聚丙烯）制成的特殊接缝材料填充后（接缝宽度：20毫米），进行湿固化。

图23 将桥面板拉到合适的位置，拧紧螺栓

图24 COTTER接头

图25 接缝材料的填充和固化

图26 新桥面板架设过程中和完成后的照片（上图：熊谷组提供）

2.5 墙式护栏的架设

预制墙式护栏在两侧采用了凯恩（Keicon）的快速墙式护栏。与桥面板的连接是通过插入突出于桥面板的地脚螺栓并用无收缩砂浆填充来完成的。由于墙式护栏彼此的连接也可通过在接缝处的剪切键上填充无收缩砂浆就能够一体化，因此能够实现工序缩短。另外，由于使用环氧树脂涂装的地脚螺栓，因此具有耐久性优异等特征。

预制墙式护栏在桥轴方向的尺寸与桥面板尺寸相同，为标准2.45m。从桥面板架设完成的地方开始，采用在25t吊机每天架设16条。

图27 搭建快速墙体立面，用无收缩砂浆填充

桥面板的防水采用高性能桥面板防水方法（二级），并采用HQ Hybren AU方法施工。该路面在9天内完成，底层是桥梁找平层（FB13）的混合料，面层是高性能路面II型的混合料，每天大约施工1770平方米。

全天的双向交通限制于7月29日被取消。

图28 实施并完成桥面板防水工程

图29 铺装的执行和完成

2.6 安全措施

由于隧道的原因，双向交通的限制路段长达15公里，考虑到交通事故的发生，出入口的位置以及进入和离开的方法都向公众公布了。此外，在工地办公室安装了数字标牌，显示当天的工作、材料运送时间、防中暑措施和天气预报等信息，以确保工作人员和工人的安全措施，并在工地安装了网络摄像头，监控工作情况。

在距离桥面板更换现场约2.5公里的公路上设立了一个新桥面板的临时存放点，但由于现场没有用拖车运输桥面板的调头点，工人们不得不单程倒车行驶很远。所以使用了双拖拖车（由熊谷开发），以确保安全，允许不断向前行驶。

图30 双拖曳拖车

此外，由于现场上下线的墙式护栏之间只有600毫米的间隔，因此安装了保护网，以防止施工期间的散落。

十和田高速公路更新工程的最后一个项目--西石通大桥（安代IC和风野八幡平IC之间的下行线107.2米），将于2021年9月3日至10月25日（计划）采用cotter板法施工，全天实行双向交通限制。

本工程主承包商是熊谷组，主要分包商是川崎技工（桥面板更换/清洁和油漆）和Sakae建筑（起重机/切割机）。防水和铺路工程的主要承包商是福田路，主要分包商是青森Nichireki（桥面板防水）和Rise Bape（铺路）。十和田高速公路更新工程的主承包商是主要承包商是熊谷组和Showbond建筑合资公司，熊谷组负责更换桥面板，Showbond建筑负责隧道加固/修复。（该项目由熊谷公司和Showbond建筑合资公司完成）。