現澆與預制節段施工箱梁橋不同跨徑效果比較分析

■張繼明

（溫州市交通規劃設計研究院，溫州 325000）

1 引言

橋梁在社會發展方面發揮了重要的作用， 其提供了一種簡單、 低成本的交通方式， 節省了出行時間。隨著橋梁數量顯著增加，專家們提出了造價低且施工工期短的建設方案， 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、橫截面與橋梁的結構形式、運營成本有著密切聯系；橋梁的跨徑在材料和截面類型選擇方面也起著重要作用。 在考慮橋梁維護時，之前的研究認為對于20 m 跨徑的橋梁而言，預應力混凝土工字梁更經濟[3]；李井輝[4]指出預應力混凝土梁的生命周期成本可降低45%；早期維護措施可以使橋梁表現出更好的性能[5]。

通過預制方法加快橋梁建設已經成為一種迫切的需求，該方法具有許多優點，例如縮短施工時間、減少交通中斷和施工對周圍商業的影響、材料控制質量高等。 然而，關于預制節段橋梁和現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，并將其轉換為成本。

2 不同跨徑箱梁橋的結構分析

2.1 截面形狀、荷載和材料特性

為了對現澆箱梁橋和預制節段箱梁橋進行合理的對比評估，每種橋梁施工技術都考慮了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）。其中節段預制方法可分為長線預制和短線法預制2 種，兩者的主要差異在于線性的控制及預制廠的生產配置。 本文中的預制節段采用的是長線法，標準段的預制施工流程為：臺座修筑和底模安裝及調整→節段外模架立→鋼筋籠安裝→預應力管道及預埋件安裝→內模安裝→混凝土澆筑→養護→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《城市橋梁設計規范》（CJJ 11-2011），考慮TL-4 型護欄的尺寸，采用25 kN/m 的橋梁護欄荷載，并假定橋面瀝青厚度為100 mm。 設計車道荷載由卡車荷載和串聯載荷組成（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 設計車道荷載

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

2.2 有限元建模及結果

使用MIDAS Civil Ver 2.1 的有限元方法，兩節點梁單元（圖3）模擬了10 座橋梁，其中每個節點有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行建模，并通過反映橋梁支座實際約束條件連接到上部結構。 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《城市橋梁設計規范》（CJJ 11-2011）中的極限承載力進行比較，結果如表1 所示。

圖3 MIDAS 橋梁模型

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

圖4 根據跨徑和施工方法計算橋面板截面面積

圖5 根據跨徑和施工方法計算橋面板截面慣性矩

表1 現澆和預制箱梁設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成本，對不同橋梁方案的成本進行了比較和評估；并將工期的影響轉化為等效成本，最終與施工成本估算相結合，以實現現澆和預制節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，現澆橋梁所需的額外費用為模板安裝；預制橋梁的額外費用包括預制場、起重機和預制節段運輸費用。 根據表2 可知，現澆橋梁的模板成本約占總成本的22%，預制節段橋梁的額外成本約占總成本的16%。

表2 現澆和預制節段箱梁橋面的成本明細

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

圖6 現澆箱梁與預制箱梁橋面的造價比較

表3 現澆與預制節段箱梁橋造價對比

圖7 采用FDOT 成本指數將預制節段箱梁橋與現澆箱梁橋的成本比進行了進一步比較。 其中，將預制節段箱梁橋單位長度成本與現澆箱梁橋單位長度成本的比值定義為FDOT 成本指數。 分析發現，40 m 跨徑的現澆單跨橋梁FDOT 成本指數略高，但與其他橋梁的成本指數接近。 就連續跨度的橋梁而言，FDOT 成本指數遠低于目前研究得出的指數；這項研究結果證實，現澆箱梁橋與預制節段箱梁橋的成本指數均在FDOT 的成本范圍內。 40～80 m 間所有跨徑的成本指數均在1.0～1.12，在此跨徑范圍內預制和現澆箱梁的成本沒有顯著差異。

圖7 預制節段和現澆箱梁成本指數

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。據圖8 可知，一方面，40 m 跨徑的現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 跨度的預制節段箱梁橋施工工期為6.5 個月，80 m 跨度的預制節段箱梁橋施工工期達9.5 個月。 多個項目同時施工，施工工期僅增加了3 個月， 可見預制節段箱梁橋施工更節約時間。 此外，圖8 表明現澆和預制節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， 現澆箱梁橋的施工預計會延遲。 因此，預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幾乎在2006 年FHA 報告的范圍內。

圖8 現澆與預制節段箱梁施工工期

表4 現澆和預制節段箱梁橋施工工期總結

將現澆箱梁和預制節段箱梁的工期換算成其貨幣價值當量，同時考慮用成本作為時間的函數用來估計， 以使2 種橋面板選擇的總成本不同。 表5為現澆和預制節段箱梁的總成本估算，包括與時間相關項目的通用成本，其中估算的每月通用項目成本考慮了現澆和預制節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，預制節段箱梁比現澆方案更有效、更經濟。 雖然現澆箱梁橋和預制節段箱梁橋的最大差異為10%（表5），但表4 中預制節段箱梁橋較短的施工時間對其他因素（如交通、環境、周邊商業等）都會產生積極影響。

表5 現澆和預制節段箱梁的總成本估算

圖9 現澆和預制節段箱梁橋的成本隨跨徑的變化

4 結論

本文探討了現澆施工和預制節段施工技術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 種方案的箱梁橋進行了分析和設計，根據規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 方面進行比較評估，得出結論如下：（1）對于跨徑超過60 m 的橋梁，現澆施工截面積更大，這會增加橋面的自重和恒載，導致橋墩和基礎的經濟性不佳，還有徐變效應帶來的長期影響。 （2）從結構的角度來看，預制和現澆箱梁橋都是合適的選擇。 2 種類型的橋梁都有很高的結構冗余度、扭轉約束，且外型美觀；若項目有施工空間、施工工期短、施工工程規模大等方面的限制，那么預制節段橋是更為可行的選擇。