中小跨徑裝配式梁橋經(jīng)濟性對比分析

張金康，鄧文琴，劉 朵，張建東，

(1. 南京市公路事業(yè)發(fā)展中心，南京 210018； 2. 南京工業(yè)大學土木工程學院，南京 211816；3. 蘇交科集團股份有限公司，南京 211112)

截至2019年年底，我國公路橋梁總數(shù)達87.83萬座，其中中小橋梁占比為87%[1]。預計到2030年，我國公路網(wǎng)將再增約40萬公里。為滿足快速建設的任務需求、提高橋梁的結構質量、減少橋梁在建設過程中對既有交通的不利影響并減輕橋梁后期維護負擔，同時降低橋梁建設綜合成本，對中小跨徑橋梁實行工業(yè)化建造是解決相關問題的有效途徑[2-3]。

目前我國中小跨徑橋梁工業(yè)化應用主要集中在傳統(tǒng)預應力混凝土梁橋領域，結構形式主要包含空心板梁橋、T梁以及小箱梁等，并根據(jù)跨徑和橋寬進行分類，編制了相應的標準圖集。其中空心板梁橋標準圖集跨徑集中在10～20 m范圍內，T梁和小箱梁標準圖集跨徑集中在20～40 m范圍內[4]。相比而言，鋼板組合梁因其自重較輕、材料利用率高以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在國外裝配式中小跨徑橋梁中應用非常廣泛，而在我國應用較少[5-7]。馮正霖[8]提出了“六點創(chuàng)新橋梁建設技術”，其中明確指出應改進現(xiàn)有中小跨徑橋梁的結構形式和建造工業(yè)，發(fā)展鋼結構與組合結構橋梁來進一步解決現(xiàn)有中小跨徑橋梁面臨的病害和可靠性問題，中小跨徑橋梁應向工業(yè)化和標準化方向發(fā)展。鋼板組合梁結構在組合梁結構體系中材料指標最低，發(fā)展該類結構橋梁符合整體發(fā)展趨勢。

目前國內針對裝配式上部結構的研究大部分集中在其力學性能，而影響橋梁選型的因素非常多，包含跨徑、自重、曲率半徑、經(jīng)濟性、工期、橋址環(huán)境、運輸條件以及后期養(yǎng)護成本等[9-10]。目前針對各類結構的綜合性能對比研究較少，不同類型裝配式結構的適用范圍也不明確，同時也缺乏相應的量化指標對其適用性進行評價，這會給設計人員在結構選型時造成困擾，因此須對裝配式梁橋上部結構的綜合性能及適用性進行對比分析。

1 裝配式梁橋結構形式

國內既有裝配式梁橋結構形式以混凝土梁橋為主，截面形式主要包含空心板梁、T梁和小箱梁3種[11]。其中預應力空心板梁的經(jīng)濟適用跨徑為10～20 m，T梁和小箱梁的經(jīng)濟適用跨徑為20～40 m。國內裝配式混凝土梁橋技術比較成熟，并且已頒布相應標準圖集。而裝配式鋼-混組合梁橋在國內的應用處于起步階段，相關研究較少，其截面形式主要包含工字鋼板組合梁、鋼箱組合梁和波形鋼板組合梁3種。綜合考慮結構形式、加工工藝以及吊裝設備等要求，裝配式中小跨徑梁橋采用鋼板組合梁結構較多，因此重點介紹平鋼板組合梁橋和波形鋼板組合梁橋這2種結構形式。

1.1 裝配式平鋼板組合梁橋

鋼-混組合梁橋的適用跨徑為20～80 m，但考慮吊裝和運輸?shù)葪l件，一般裝配式平鋼板組合梁橋的適用跨徑宜為20～40 m[12-13]。上部結構主要由鋼主梁、橫向聯(lián)結體系、預制橋面板以及抗剪連接件等部分組成。截面形式主要分為雙主梁和多主梁2種，裝配式平鋼板組合梁如圖1所示，為提高標準化程度，鋼主梁截面宜采用等高度形式。由于工字鋼主梁在施工過程中側向剛度較弱，為防止結構發(fā)生失穩(wěn)等情況，須在鋼主梁之間增設橫向聯(lián)結體系，主要采用的橫向聯(lián)結體系為K形桁架或實腹式鋼板結構。預制橋面板預留剪力槽口，與鋼主梁之間通過群釘連接件進行連接，橋面板之間可采用膠接或后澆濕接縫2種形式。

(a) 雙主梁

1.2 裝配式波形鋼板組合梁橋

波形鋼板組合梁橋與傳統(tǒng)平鋼板組合梁橋的不同之處主要在于其采用波形工字鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)平鋼板，其余結構與平鋼板組合梁基本一致。與傳統(tǒng)平鋼板組合梁相比，波形鋼板組合梁在構造和受力方面具有優(yōu)勢[14-15]。在構造方面，其腹板采用波紋狀處理，腹板加勁肋顯著減少，焊接量與焊接成本相應減少，焊接操作難度也相應降低，可消除該部位的焊縫疲勞因子。整個鋼梁構件的組成零件數(shù)量減少70%以上，組裝工藝簡化，有利于提升制作效率、控制質量管理缺陷。此外波形鋼腹板橫向剛度較好，橫隔板數(shù)量明顯減少，可有效減少現(xiàn)場組裝工序。在受力方面，波形鋼腹板翼緣板橫向抗彎強度比傳統(tǒng)平鋼板組合梁提高數(shù)十倍，翼緣板和腹板焊接部位的應力顯著降低，抗疲勞性能顯著提高；腹板橫向剛度提高，橋面板橫向作用彎矩有所減小。將裝配化快速施工方式應用于該類橋型，可提高橋梁建設速度，減少橋梁建設過程中對交通的干擾以及對環(huán)境的不利影響，更加契合橋梁工業(yè)化發(fā)展理念，在我國推廣應用前景較好。波形鋼板組合梁如圖2所示。

圖2 波形鋼板組合梁

2 材料用量對比分析

目前國內橋梁規(guī)劃中一般是根據(jù)道路、河流與所規(guī)劃橋梁的交叉條件、用地獲取的限制條件以及結構上的平衡等因素來確定橋梁比例，包括由橋臺和橋墩的位置決定的橋的長度和跨距長度等。采用橋跨作為橋梁技術參數(shù)的控制指標來推算結構規(guī)模，以提高工程概算費用的計算精度。因此在建立橋跨與其對應材料用量等設計值之間的關系時，可綜合考慮材料用量的經(jīng)濟性，為橋型優(yōu)選提供支撐。

為對比分析不同裝配式梁橋的經(jīng)濟性，統(tǒng)計并分析了《公路橋涵通用圖——裝配式預應力混凝土簡支T梁橋上部構造》[4]中20～40 m跨徑下預制T梁、小箱梁和各設計院發(fā)布的20～45 m平鋼板組合梁橋相關圖集的材料用量數(shù)據(jù)，3種裝配式梁橋材料用量對比如表1所示。采用數(shù)據(jù)擬合方法得出各結構主要材料與跨徑之間的關系表達式，可為設計人員初步設計時快速估算材料用量及造價提供數(shù)據(jù)支撐。同等跨徑下，裝配式平鋼板組合梁和波形鋼板組合梁的材料用量相差不大，因此僅取平鋼板組合梁進行對比分析。

表1 3種裝配式梁橋材料用量對比

2.1 混凝土用量對比

3種裝配式梁橋混凝土用量與跨徑關系如圖3所示，由圖3可知，相比而言預制裝配式T梁混凝土用量最大，鋼板組合梁混凝土用量最小，且預制裝配式T梁和小箱梁混凝土用量隨跨徑的增大呈線性增長，而鋼板組合梁混凝土用量隨跨徑增長基本保持不變，因為鋼板組合梁混凝土用量主要體現(xiàn)在預制橋面板上，而該類橋型橋面板的厚度基本不隨跨徑改變，即初步設計估算鋼板組合梁混凝土用量時，可取0.265 m3/m2進行計算。

圖3 3種裝配式梁橋混凝土用量與跨徑關系

預應力混凝土T梁與跨徑的關系表達式如式(1)所示；預應力混凝土小箱梁與跨徑的關系表達式如式(2)所示。

y=0.011x+0.21

(1)

y=0.007x+0.214

(2)

2.2 鋼材用量對比

3種裝配式梁橋鋼材用量與跨徑關系如圖4所示，混凝土T梁和小箱梁鋼材用量為普通鋼筋和預應力鋼筋的用量總和，而鋼板組合梁橋鋼材用量為橋面板普通鋼筋和鋼主梁兩者疊加。

圖4 3種裝配式梁橋鋼材用量與跨徑關系

預應力混凝土T梁鋼材用量與跨徑的關系表達式如式(3)所示；預應力混凝土小箱梁鋼材用量與跨徑的關系表達式如式(4)所示；鋼板組合梁鋼材用量與跨徑的關系表達式如式(5)所示。

y=1.155x+101.4

(3)

y=1.590x+56.18

(4)

y=3.147x+151.5

(5)

由圖4可知，3種結構鋼材用量與跨徑之間基本呈線性關系，鋼板組合梁鋼材用量約為T梁和小箱梁用量的1.5～2.5倍，但考慮鋼材回收后鋼板組合梁橋的用鋼量會大幅降低。

另外對于鋼板組合梁橋而言，主梁的數(shù)量是影響橋梁用鋼量的重要參數(shù)。國內已建雙主梁橋與多主梁橋用鋼量對比如圖5所示。由圖5可知，同等跨徑下，采用多主梁結構的鋼材用量稍大于雙主梁。同等橋寬下，減少主梁數(shù)量則須增加主梁的梁高和厚度等尺寸，且橫向剛度也會相應減弱。同時由于主梁間距增大，橋面板跨度增大須增加混凝土厚度和配筋率來提升其承載力。因此，工程中鋼板組合梁鋼主梁的數(shù)量不能僅從鋼材用量來確定，應權衡考慮多因素后綜合確定合適的主梁數(shù)量。

圖5 國內已建雙主梁橋與多主梁橋用鋼量對比

通過統(tǒng)計分析給出3種裝配式梁橋結構的材料用量與跨徑之間的關系表達式，在確定橋跨和橋寬時，設計人員可根據(jù)關系表達式快速算出結構材料用量，從而對橋梁造價進行估算。

3 經(jīng)濟性對比分析

3.1 上部結構材料成本對比

對于裝配式橋梁而言，由于預制工藝相差不大，其材料成本是影響整體結構造價的重要因素。土木建材類價格一般會隨市場需求不斷改變，參考相關工程造價信息網(wǎng)2019年數(shù)據(jù)初步擬定混凝土、鋼板、普通鋼筋和預應力筋的單價信息，并根據(jù)表1中材料用量統(tǒng)計3種裝配式橋梁不同跨徑下各主要材料成本，建造材料成本對比如圖6所示。由圖6可知，鋼板組合梁中，鋼板成本占總材料成本一半以上，由于鋼材價格較高，因此鋼板組合梁建設材料成本要高于混凝土T梁和小箱梁。但鋼材回收利用率較高，對于鋼板組合梁橋而言，鋼主梁回收率可達85%，普通鋼筋和預應力筋的回收率也有50%，混凝土按不可回收考慮?？紤]回收后材料成本對比如圖7所示，單位面積材料成本對比如表2所示。由圖7和表2可知，考慮材料回收后，裝配式鋼板組合梁橋材料成本大幅下降，相比預制混凝土T梁和小箱梁具有一定經(jīng)濟優(yōu)勢，且跨徑越大，經(jīng)濟優(yōu)勢越明顯。

圖6 建造材料成本對比

圖7 考慮回收后材料成本對比

表2 單位面積材料成本對比

3.2 下部結構材料成本對比

橋梁下部結構尺寸和造價與其上部結構自重直接相關，上部結構自重越大，下部結構造價越高。3種裝配式梁橋上部結構單位面積自重與跨徑關系如圖8所示。由圖8可知，同等跨徑下混凝土T梁自重最大，鋼板組合梁自重最小，且隨著跨徑的增大，鋼板組合梁自重優(yōu)勢更加明顯。對于預應力混凝土梁橋而言，下部結構(包含蓋梁、墩柱、樁基以及支座等)材料成本占總橋材料成本的30%～40%，而鋼板組合梁因其上部結構自重較輕，其下部結構材料成本僅占總橋材料成本的15%～25%，進一步體現(xiàn)了鋼板組合梁橋的經(jīng)濟優(yōu)勢。

圖8 3種裝配式梁橋上部結構單位面積自重與跨徑關系

3.3 吊裝運輸成本對比

對于裝配式梁橋而言，工程造價除須考慮材料成本之外，吊裝運輸成本也應考慮在內。3種裝配式梁橋單片梁吊裝重量對比如圖9所示，其中混凝土T梁和小箱梁考慮單片梁整跨吊裝，鋼板組合梁橋的鋼主梁和橋面板分開吊裝。由圖9可知，混凝土小箱梁的吊裝重量最大，鋼板組合梁的吊裝重量最小。單片梁吊裝重量越小，越可降低對運輸和起吊設備的要求、降低吊裝難度及風險，從而達到減少造價的目的。

圖9 3種裝配式梁橋單片梁吊裝重量對比

對3種裝配式梁橋經(jīng)濟性分析表明，綜合考慮材料回收后橋梁上、下部結構材料成本以及吊裝運輸成本，相比傳統(tǒng)的預制混凝土T梁和小箱梁而言，鋼板組合梁橋經(jīng)濟優(yōu)勢顯著，尤其對于山區(qū)吊裝運輸受限地區(qū)，具有較好的應用前景。

4 結論

對比分析了適用于中小跨徑橋梁的3種典型裝配式梁橋的材料用量和經(jīng)濟性，得出以下結論。

(1) 相比平鋼板組合梁而言，裝配式波形鋼板組合梁無須設置加勁肋，可顯著減少鋼構件的零件數(shù)量，降低焊接工作量，增加鋼主梁橫向剛度，更有利于提升制作工業(yè)化效率，且抗屈曲性能及抗疲勞性能均更好。

(2) 調研統(tǒng)計了幾種標準跨徑下預制混凝土T梁、小箱梁和裝配式鋼板組合梁主要材料用量，提出3種裝配式梁橋主要材料用量與跨徑之間的關系表達式，為設計人員快速進行橋梁初步造價估算提供支撐。

(3) 綜合考慮材料自身、運輸?shù)跹b以及材料回收等成本因素，對比分析3種常見裝配式梁橋的經(jīng)濟性，相比傳統(tǒng)裝配式混凝土梁橋而言，裝配式鋼板組合梁橋具有材料利用率高、結構自重輕以及全壽命周期經(jīng)濟性較好等優(yōu)勢，具有廣泛的應用前景。