跨度和施工方法對箱形梁橋施工進(jìn)度和成本的影響分析

劉立寧

（北京路橋瑞通養(yǎng)護(hù)中心，北京 102488）

0 引言

“要想富，先修路”，自古以來，人類社會對交通十分重視。如今，科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，高難度的橋梁已經(jīng)變得容易起來。在橋梁建設(shè)數(shù)量大幅增加的當(dāng)下，為了節(jié)約投資和時間，人們提出了許多成本低和工期短的橋梁建設(shè)方案[1-2]。在這些方案中，跨度與施工方法是關(guān)鍵。在橋梁工程領(lǐng)域，箱形梁橋應(yīng)用十分廣泛，安全穩(wěn)定性高，工程的施工效率和質(zhì)量也備受認(rèn)可[3-6]。為了進(jìn)一步提高箱形梁橋的建設(shè)效果，本文在研究箱形梁橋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，探討跨度和施工方法對其施工進(jìn)度和成本的影響。

1 箱形梁橋不同跨度的結(jié)構(gòu)分析

要研究箱形梁橋跨度和施工方法對其施工進(jìn)度和成本的影響，必須分析箱形梁橋的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)關(guān)系到施工方法的選擇。

1.1 幾何形狀、載荷和材料特性

為了對現(xiàn)場澆筑箱形梁和預(yù)制分段橋進(jìn)行合理的比較評估，本文研究了跨度分別為40m、50m、60m、70m 和80m的5座不同的雙跨橋。首先，針對箱形梁橋設(shè)計，需考慮其橫截面設(shè)計，如圖1所示。該橫截面為一個寬度為10.4m的箱形梁，采用25kN/m的橋護(hù)欄荷載和100mm的橋面瀝青厚度。混凝土材料的特征抗壓強度為50MPa，彈性模量為38GPa，而用于加固的鋼筋具有500MPa的屈服強度和200GPa的彈性模量。針對預(yù)應(yīng)力截面設(shè)計，采用超低松弛的七股鋼絞線，每股鋼絞線的直徑為15.24mm，其極限抗拉強度為1860MPa。這些參數(shù)用于分析和比較不同跨度的橋梁的性能和成本，以確定哪種設(shè)計方法在特定情況下更為經(jīng)濟(jì)和可行。

圖1 箱梁橋面板截面荷載圖

1.2 有限元建模和結(jié)果

使用有限元方法進(jìn)行模擬（如圖2所示），針對10座不同的橋梁，采用雙節(jié)點梁單元，每個節(jié)點有六個自由度。為了模擬橋梁軸承的實際關(guān)節(jié)條件，采用彈性連接進(jìn)行建模，通過在X、Y和Z方向上提供相對的固定性，并將其連接到上部結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，這種方法反映了橋梁軸承的實際工作方式。整體墩柱采用梁單元進(jìn)行模擬，并通過剛性連接與橋面相連接。底部的整體墩柱在平移和旋轉(zhuǎn)方向上都被固定，同時考慮了基于樁基礎(chǔ)的基礎(chǔ)剛度。隨后，使用線彈性分析（LEA）來獲得橋梁結(jié)構(gòu)的彎曲和剪切圖，以評估其在不同荷載條件下的性能和穩(wěn)定性。

圖2 橋梁模型

圖3和圖4分別以橋梁跨度為基礎(chǔ)，展示了與現(xiàn)場澆筑施工和預(yù)制施工的相對差異。如圖3所示，40m跨度的現(xiàn)場澆筑施工比預(yù)制施工面積小8%，因為預(yù)制橋獲得的剪力和彎矩分別比現(xiàn)場澆筑橋的結(jié)果高出19%和15%，隨著跨度的增加，差異逐漸減小，直到60m跨度。與80m跨度的預(yù)制橋相比，60m跨度的現(xiàn)場澆筑箱形梁的面積要大20%，這意味著使用現(xiàn)場澆筑方案的長跨度橋的橋面和自重將更高，將影響墩柱和基礎(chǔ)的設(shè)計，導(dǎo)致大型下部結(jié)構(gòu)尺寸和不太經(jīng)濟(jì)。另一方面，從40～60m跨度的慣性矩保持不變（見圖4）。此后，現(xiàn)場澆筑箱形梁的慣性矩開始增加，直到80m的橋梁跨度比預(yù)制箱形梁高出18%。

圖3 跨度長度和施工方法與施工面積關(guān)系圖

圖4 跨度長度和施工方法與橫截面慣性關(guān)系圖

在現(xiàn)場澆筑橋面中，由于長跨度和橋面的重量以及疊加的自重引起的長期徐變效應(yīng)，撓度較大是一個常見的問題。然而，慣性減小現(xiàn)象在80m跨度的現(xiàn)場澆筑橋梁中對撓度的影響并不明顯。事實上，根據(jù)研究，80m跨度的現(xiàn)場澆筑橋梁中，慣性增益僅占撓度的18%左右，因此對撓度的影響相對較小。對于現(xiàn)澆橋面來說，其重量和長期徐變效應(yīng)是導(dǎo)致?lián)隙容^大的主要原因，因為現(xiàn)澆橋面必須承受橋面自身的重量和疊加的自重，這會導(dǎo)致較大的荷載作用，從而增加橋面的撓度。

相比之下，預(yù)制分段施工類型的橋面由于其輕巧的結(jié)構(gòu)和較小的自重，撓度相對較小。針對撓度大的問題，對于80m跨度的橋梁，采用現(xiàn)場澆筑施工類型的橋面往往會出現(xiàn)更大的撓度，為了減小撓度，可以考慮增加結(jié)構(gòu)剛度、優(yōu)化梁斷面形狀、采用預(yù)應(yīng)力措施等。盡管慣性減小對撓度有一定的影響，但長跨度和現(xiàn)場澆筑橋的重量以及自重引起的長期徐變效應(yīng)在現(xiàn)場澆筑施工類型的橋面中導(dǎo)致的撓度更大。在橋梁設(shè)計和施工過程中，需要綜合考慮并采取相應(yīng)措施來實現(xiàn)撓度最小化問題。

2 不同類型箱梁橋的成本和施工進(jìn)度分析

以5個不同跨度的橋梁項目為例，對現(xiàn)場澆筑和預(yù)制分段箱形梁橋的成本和施工進(jìn)度進(jìn)行估算。為了實現(xiàn)整體成本和施工進(jìn)度的比較，本文將施工進(jìn)度的影響轉(zhuǎn)化為等效成本，并與施工成本估算相結(jié)合，以便對現(xiàn)場澆筑和預(yù)制分段橋梁進(jìn)行全面的成本和施工進(jìn)度的比較和評估，以支持合理的橋梁選擇和決策。

2.1 建筑成本的比較與分析

現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)段箱梁橋面板的成本對比見表1，由表1可知，現(xiàn)場澆筑橋梁和預(yù)制橋梁在成本方面存在一定的差異。從額外成本的角度來看，現(xiàn)場澆筑橋梁的額外成本主要包括模板安裝，而預(yù)制橋梁的額外成本則涉及預(yù)制場、吊裝起重機和預(yù)制段的運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。值得注意的是，現(xiàn)場澆筑橋梁的模板成本約占總成本的22%，而預(yù)制橋梁的額外成本約占總成本的16%，這表明現(xiàn)場澆筑橋梁在模板成本方面的支出較高，而預(yù)制橋梁在運輸和吊裝等方面的成本相對較低。然而，在材料成本方面，預(yù)制橋梁的成本相對較高，這是由于預(yù)制橋梁需要使用特殊的預(yù)制段材料，并且在生產(chǎn)過程中需要一定的技術(shù)工藝和設(shè)備，為了彌補其他成本的較低價值，預(yù)制橋梁的材料成本可能會相對提高。

表1 現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)段箱梁橋面板的成本對比

綜合來看，現(xiàn)場澆筑橋梁和預(yù)制橋梁在成本上存在一定的權(quán)衡和差異，現(xiàn)場澆筑橋梁的優(yōu)勢在于較低的材料成本和相對較低的額外成本，但模板成本較高。而預(yù)制橋梁的優(yōu)勢在于較低的額外成本，但材料成本較高。因此，在選擇適當(dāng)?shù)臉蛄航ㄔ旆椒〞r，需要綜合考慮各個因素，并根據(jù)具體情況作出權(quán)衡決策，以取得最經(jīng)濟(jì)和高效的成本效益。

2.2 施工工期對比分析

結(jié)構(gòu)施工工程的施工時間對施工成本有直接影響，根據(jù)橋梁施工的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)制分段橋梁的施工進(jìn)度要比現(xiàn)場澆筑的箱形梁橋短。對于40m跨度的橋梁，現(xiàn)場澆筑的施工時間為9個月，隨著跨度的增加，施工進(jìn)度也相應(yīng)增加。對于80m跨度的橋梁，現(xiàn)場澆筑的持續(xù)時間為15個月，比40m跨度的橋梁延長了6個月，這是由于在施工過程中，逐步開始和結(jié)束的活動限制了現(xiàn)場澆筑橋梁的早期完工。而另一方面，預(yù)制橋梁的施工進(jìn)度相對較短，對于40m跨度的預(yù)制橋梁，持續(xù)時間為6.5個月，而80m跨度的預(yù)制橋梁持續(xù)時間為9.5個月，僅增加了3個月，這是因為預(yù)制施工可以同時進(jìn)行多個并行運行的活動，從而縮短了施工進(jìn)度。

現(xiàn)澆與預(yù)制箱梁施工工期見圖5，由圖5可知，現(xiàn)場澆筑橋梁和預(yù)制橋梁的施工時間與橋梁的長度呈正比。值得注意的是，現(xiàn)場澆筑橋面的施工進(jìn)度增長速度快于預(yù)制梁，這是現(xiàn)場澆筑橋梁需要進(jìn)行模板的安裝和拆除以及混凝土工程導(dǎo)致的，而預(yù)制施工則可以顯著縮短施工進(jìn)度。因此，結(jié)合施工進(jìn)度和資本成本的考慮，預(yù)制分段橋梁在施工過程中具有明顯的優(yōu)勢，它能夠通過并行運作的方式減少施工進(jìn)度，并降低施工資本成本。對于大跨度的橋梁項目來說，預(yù)制分段橋梁可以在保證質(zhì)量的前提下實現(xiàn)快速施工，提高工程的效率和經(jīng)濟(jì)性。

圖5 現(xiàn)澆與預(yù)制箱梁施工工期

3 結(jié)束語

本文在分析箱形梁橋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對不同橋梁跨度下現(xiàn)場澆筑與預(yù)制分段施工方法對橋梁成本和施工進(jìn)度的影響進(jìn)行了對比研究。以5個不同跨度的橋梁項目為例，對現(xiàn)場澆筑和預(yù)制分段箱形梁橋的成本和施工進(jìn)度進(jìn)行估算。為了實現(xiàn)整體成本和施工進(jìn)度的比較，將施工進(jìn)度的影響轉(zhuǎn)化為等效成本。研究表明，預(yù)制分段大跨度橋梁可以在保證質(zhì)量的前提下實現(xiàn)快速施工，提高工程的效率和經(jīng)濟(jì)性。