現(xiàn)澆與預(yù)制節(jié)段施工箱梁橋不同跨徑效果比較分析

■張繼明

（溫州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院，溫州 325000）

1 引言

橋梁在社會發(fā)展方面發(fā)揮了重要的作用， 其提供了一種簡單、 低成本的交通方式， 節(jié)省了出行時間。隨著橋梁數(shù)量顯著增加，專家們提出了造價低且施工工期短的建設(shè)方案， 但施工方法受許多因素影響，如組成材料、場地條件、生命周期成本、環(huán)境影響、市場價格等[1-2]。同時，橋梁的建筑材料、橫截面與橋梁的結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)營成本有著密切聯(lián)系；橋梁的跨徑在材料和截面類型選擇方面也起著重要作用。 在考慮橋梁維護(hù)時，之前的研究認(rèn)為對于20 m 跨徑的橋梁而言，預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁更經(jīng)濟(jì)[3]；李井輝[4]指出預(yù)應(yīng)力混凝土梁的生命周期成本可降低45%；早期維護(hù)措施可以使橋梁表現(xiàn)出更好的性能[5]。

通過預(yù)制方法加快橋梁建設(shè)已經(jīng)成為一種迫切的需求，該方法具有許多優(yōu)點，例如縮短施工時間、減少交通中斷和施工對周圍商業(yè)的影響、材料控制質(zhì)量高等。 然而，關(guān)于預(yù)制節(jié)段橋梁和現(xiàn)澆施工間成本比較的研究仍非常有限； 橋梁跨徑對這2 種施工方法的建筑成本的影響尚不清楚。 本文通過對10 座橋梁的研究， 探討了橋梁跨徑對工程造價的影響，確定了施工工期，并將其轉(zhuǎn)換為成本。

2 不同跨徑箱梁橋的結(jié)構(gòu)分析

2.1 截面形狀、荷載和材料特性

為了對現(xiàn)澆箱梁橋和預(yù)制節(jié)段箱梁橋進(jìn)行合理的對比評估，每種橋梁施工技術(shù)都考慮了5 種不同跨徑的兩跨橋梁（跨度分別為40 m、50 m、60 m、70 m 和80 m）。其中節(jié)段預(yù)制方法可分為長線預(yù)制和短線法預(yù)制2 種，兩者的主要差異在于線性的控制及預(yù)制廠的生產(chǎn)配置。 本文中的預(yù)制節(jié)段采用的是長線法，標(biāo)準(zhǔn)段的預(yù)制施工流程為：臺座修筑和底模安裝及調(diào)整→節(jié)段外模架立→鋼筋籠安裝→預(yù)應(yīng)力管道及預(yù)埋件安裝→內(nèi)模安裝→混凝土澆筑→養(yǎng)護(hù)→拆模。

箱形梁橋的橫截面如圖1 所示， 圖中顯示了10.4 m 寬的等寬箱形梁截面的恒載和活載。 根據(jù)《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11-2011），考慮TL-4 型護(hù)欄的尺寸，采用25 kN/m 的橋梁護(hù)欄荷載，并假定橋面瀝青厚度為100 mm。 設(shè)計車道荷載由卡車荷載和串聯(lián)載荷組成（圖2），為每車道9.3 kN/m 的均布荷載。

圖1 箱梁橋截面荷載圖

圖2 設(shè)計車道荷載

混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度為50 MPa， 彈性模量為38 GPa， 鋼筋的屈服強(qiáng)度和彈性模量分別為500 MPa 和200 GPa。 預(yù)應(yīng)力截面設(shè)計使用超低松弛七股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每股直徑為15.24 mm，極限抗拉強(qiáng)度為1860 MPa。

2.2 有限元建模及結(jié)果

使用MIDAS Civil Ver 2.1 的有限元方法，兩節(jié)點梁單元（圖3）模擬了10 座橋梁，其中每個節(jié)點有6 個自由度。 在X、Y 和Z 方向提供相對約束，用彈性鏈桿對支座進(jìn)行建模，并通過反映橋梁支座實際約束條件連接到上部結(jié)構(gòu)。 整體式橋墩采用梁單元模擬，通過剛性連接與橋面相連（圖3）。使用線彈性分析方法獲得彎曲和剪力圖，并與《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11-2011）中的極限承載力進(jìn)行比較，結(jié)果如表1 所示。

圖3 MIDAS 橋梁模型

圖4、5 為在不同跨徑下預(yù)制施工和現(xiàn)澆施工的差異。 結(jié)合表1 可以看出， 對于40 m 跨徑的橋梁，預(yù)制節(jié)段箱梁橋的剪力和彎矩分別是現(xiàn)澆橋梁的19%和15%，現(xiàn)澆施工比預(yù)制節(jié)段施工的橋面板截面面積小8%；當(dāng)跨徑增加至60 m，兩者差距變??；由于80 m 預(yù)制橋梁的應(yīng)力較低，與80 m 跨徑的預(yù)制節(jié)段橋面相比， 現(xiàn)澆箱梁截面面積增加了20%。 這意味著，采用現(xiàn)澆法施工的大跨度橋梁橋面自重和恒載會更高， 并影響橋墩和基礎(chǔ)的設(shè)計，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)尺寸較大，經(jīng)濟(jì)性較差。 由圖5 可知，慣性矩在40～60 m 跨徑內(nèi)保持不變； 當(dāng)跨徑為80 m 時， 現(xiàn)澆箱梁的慣性矩比預(yù)制節(jié)段箱梁的高18%。 研究發(fā)現(xiàn)，雖然慣性矩的降低會增加撓度，但現(xiàn)澆板慣性矩的增加對撓度的益處很小，因為現(xiàn)澆板跨度很長，自重較大，同時由于自重和恒載疊加，會產(chǎn)生相應(yīng)的長期徐變效應(yīng)；因此現(xiàn)澆橋面板撓度高于預(yù)制節(jié)段橋面板。

圖4 根據(jù)跨徑和施工方法計算橋面板截面面積

圖5 根據(jù)跨徑和施工方法計算橋面板截面慣性矩

表1 現(xiàn)澆和預(yù)制箱梁設(shè)計截面與跨徑的對比

3 不同類型箱梁橋的成本和時間分析

本節(jié)使用常見橋梁項目的單位費率估算10 種不同橋跨長度的建設(shè)成本，對不同橋梁方案的成本進(jìn)行了比較和評估；并將工期的影響轉(zhuǎn)化為等效成本，最終與施工成本估算相結(jié)合，以實現(xiàn)現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)段橋梁的總成本和時間比較。

3.1 工程造價的比較與分析

表2 為5 座不同跨度和不同截面深度的箱形梁橋的成本明細(xì)，現(xiàn)澆橋梁所需的額外費用為模板安裝；預(yù)制橋梁的額外費用包括預(yù)制場、起重機(jī)和預(yù)制節(jié)段運(yùn)輸費用。 根據(jù)表2 可知，現(xiàn)澆橋梁的模板成本約占總成本的22%，預(yù)制節(jié)段橋梁的額外成本約占總成本的16%。

表2 現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)段箱梁橋面的成本明細(xì)

表3 和圖6 為所研究橋梁項目總成本的比較?？梢杂^察到， 在未考慮施工工期影響的前提下，對于跨徑為40～60 m 的現(xiàn)澆箱梁，其成本低于采用起重船架設(shè)法施工的預(yù)制節(jié)段箱梁； 跨度超過60 m時，現(xiàn)澆箱梁和預(yù)制節(jié)段箱梁的成本幾乎相同。

圖6 現(xiàn)澆箱梁與預(yù)制箱梁橋面的造價比較

表3 現(xiàn)澆與預(yù)制節(jié)段箱梁橋造價對比

圖7 采用FDOT 成本指數(shù)將預(yù)制節(jié)段箱梁橋與現(xiàn)澆箱梁橋的成本比進(jìn)行了進(jìn)一步比較。 其中，將預(yù)制節(jié)段箱梁橋單位長度成本與現(xiàn)澆箱梁橋單位長度成本的比值定義為FDOT 成本指數(shù)。 分析發(fā)現(xiàn)，40 m 跨徑的現(xiàn)澆單跨橋梁FDOT 成本指數(shù)略高，但與其他橋梁的成本指數(shù)接近。 就連續(xù)跨度的橋梁而言，F(xiàn)DOT 成本指數(shù)遠(yuǎn)低于目前研究得出的指數(shù)；這項研究結(jié)果證實，現(xiàn)澆箱梁橋與預(yù)制節(jié)段箱梁橋的成本指數(shù)均在FDOT 的成本范圍內(nèi)。 40～80 m 間所有跨徑的成本指數(shù)均在1.0～1.12，在此跨徑范圍內(nèi)預(yù)制和現(xiàn)澆箱梁的成本沒有顯著差異。

圖7 預(yù)制節(jié)段和現(xiàn)澆箱梁成本指數(shù)

3.2 施工工期的比較與分析

施工工期對施工成本有直接影響，本節(jié)通過圖8和表4 探討不同跨徑的施工工期和不同類型橋面的施工時間比。據(jù)圖8 可知，一方面，40 m 跨徑的現(xiàn)澆箱梁橋施工工期為9 個月； 隨著跨徑的增加，80 m 跨徑的現(xiàn)澆箱梁橋施工工期增加至15 個月，相較于40 m 跨徑橋梁的施工工期延長了6 個月。另一方面，40 m 跨度的預(yù)制節(jié)段箱梁橋施工工期為6.5 個月，80 m 跨度的預(yù)制節(jié)段箱梁橋施工工期達(dá)9.5 個月。 多個項目同時施工，施工工期僅增加了3 個月， 可見預(yù)制節(jié)段箱梁橋施工更節(jié)約時間。 此外，圖8 表明現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)段箱梁橋的施工工期與橋梁跨徑成正比。 由于模板的安裝和拆除及混凝土澆筑工作， 現(xiàn)澆箱梁橋的施工預(yù)計會延遲。 因此，預(yù)制施工大大縮短了施工工期。 由表4可以看出， 施工工期的時間指標(biāo)幾乎在2006 年FHA 報告的范圍內(nèi)。

圖8 現(xiàn)澆與預(yù)制節(jié)段箱梁施工工期

表4 現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)段箱梁橋施工工期總結(jié)

將現(xiàn)澆箱梁和預(yù)制節(jié)段箱梁的工期換算成其貨幣價值當(dāng)量，同時考慮用成本作為時間的函數(shù)用來估計， 以使2 種橋面板選擇的總成本不同。 表5為現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)段箱梁的總成本估算，包括與時間相關(guān)項目的通用成本，其中估算的每月通用項目成本考慮了現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)段箱梁橋之間的施工工期差異。

圖9 為2 種箱梁橋在不同跨徑下的總成本變化。 對于40 m 和50 m 跨徑，2 種選擇的成本幾乎相近。 對于超過50 m 跨徑的情況，預(yù)制節(jié)段箱梁比現(xiàn)澆方案更有效、更經(jīng)濟(jì)。 雖然現(xiàn)澆箱梁橋和預(yù)制節(jié)段箱梁橋的最大差異為10%（表5），但表4 中預(yù)制節(jié)段箱梁橋較短的施工時間對其他因素（如交通、環(huán)境、周邊商業(yè)等）都會產(chǎn)生積極影響。

表5 現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)段箱梁的總成本估算

圖9 現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)段箱梁橋的成本隨跨徑的變化

4 結(jié)論

本文探討了現(xiàn)澆施工和預(yù)制節(jié)段施工技術(shù)2 種施工方法下不同橋梁跨徑對橋梁造價和工期的影響。先利用MIDAS 軟件的有限元線彈性分析對2 種方案的箱梁橋進(jìn)行了分析和設(shè)計，根據(jù)規(guī)范評估和檢驗每座橋梁的最佳截面，以評價橋梁跨徑對箱梁橋面截面特性的影響； 再從橋梁跨徑對施工成本、施工工期、綜合施工成本和工期的影響3 方面進(jìn)行比較評估，得出結(jié)論如下：（1）對于跨徑超過60 m 的橋梁，現(xiàn)澆施工截面積更大，這會增加橋面的自重和恒載，導(dǎo)致橋墩和基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性不佳，還有徐變效應(yīng)帶來的長期影響。 （2）從結(jié)構(gòu)的角度來看，預(yù)制和現(xiàn)澆箱梁橋都是合適的選擇。 2 種類型的橋梁都有很高的結(jié)構(gòu)冗余度、扭轉(zhuǎn)約束，且外型美觀；若項目有施工空間、施工工期短、施工工程規(guī)模大等方面的限制，那么預(yù)制節(jié)段橋是更為可行的選擇。