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(xué)土木工程學(xué)院，南京 211816；3. 蘇交科集團(tuán)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(dá)87.83萬座，其中中小橋梁占比為87%[1]。預(yù)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(shè)的任務(wù)需求、提高橋梁的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、減少橋梁在建設(shè)過程中對既有交通的不利影響并減輕橋梁后期維護(hù)負(fù)擔(dān)，同時降低橋梁建設(shè)綜合成本，對中小跨徑橋梁實行工業(yè)化建造是解決相關(guān)問題的有效途徑[2-3]。

目前我國中小跨徑橋梁工業(yè)化應(yīng)用主要集中在傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)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?qū)掃M(jìn)行分類，編制了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖集。其中空心板梁橋標(biāo)準(zhǔn)圖集跨徑集中在10～20 m范圍內(nèi)，T梁和小箱梁標(biāo)準(zhǔn)圖集跨徑集中在20～40 m范圍內(nèi)[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(yīng)用非常廣泛，而在我國應(yīng)用較少[5-7]。馮正霖[8]提出了“六點創(chuàng)新橋梁建設(shè)技術(shù)”，其中明確指出應(yīng)改進(jìn)現(xiàn)有中小跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)形式和建造工業(yè)，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)橋梁來進(jìn)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(yīng)向工業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。鋼板組合梁結(jié)構(gòu)在組合梁結(jié)構(gòu)體系中材料指標(biāo)最低，發(fā)展該類結(jié)構(gòu)橋梁符合整體發(fā)展趨勢。

目前國內(nèi)針對裝配式上部結(jié)構(gòu)的研究大部分集中在其力學(xué)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(jì)性、工期、橋址環(huán)境、運輸條件以及后期養(yǎng)護(hù)成本等[9-10]。目前針對各類結(jié)構(gòu)的綜合性能對比研究較少，不同類型裝配式結(jié)構(gòu)的適用范圍也不明確，同時也缺乏相應(yīng)的量化指標(biāo)對其適用性進(jìn)行評價，這會給設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)選型時造成困擾，因此須對裝配式梁橋上部結(jié)構(gòu)的綜合性能及適用性進(jìn)行對比分析。

1 裝配式梁橋結(jié)構(gòu)形式

國內(nèi)既有裝配式梁橋結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力空心板梁的經(jīng)濟(jì)適用跨徑為10～20 m，T梁和小箱梁的經(jīng)濟(jì)適用跨徑為20～40 m。國內(nèi)裝配式混凝土梁橋技術(shù)比較成熟，并且已頒布相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)圖集。而裝配式鋼-混組合梁橋在國內(nèi)的應(yīng)用處于起步階段，相關(guān)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(jié)構(gòu)形式、加工工藝以及吊裝設(shè)備等要求，裝配式中小跨徑梁橋采用鋼板組合梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主要由鋼主梁、橫向聯(lián)結(jié)體系、預(yù)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)向剛度較弱，為防止結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)等情況，須在鋼主梁之間增設(shè)橫向聯(lián)結(jié)體系，主要采用的橫向聯(lián)結(jié)體系為K形桁架或?qū)嵏故戒摪褰Y(jié)構(gòu)。預(yù)制橋面板預(yù)留剪力槽口，與鋼主梁之間通過群釘連接件進(jìn)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(jié)構(gòu)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(gòu)造和受力方面具有優(yōu)勢[14-15]。在構(gòu)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(yīng)減少，焊接操作難度也相應(yīng)降低，可消除該部位的焊縫疲勞因子。整個鋼梁構(gòu)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(zhì)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(yīng)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(yīng)用于該類橋型，可提高橋梁建設(shè)速度，減少橋梁建設(shè)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(yīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)參數(shù)的控制指標(biāo)來推算結(jié)構(gòu)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(yīng)材料用量等設(shè)計值之間的關(guān)系時，可綜合考慮材料用量的經(jīng)濟(jì)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(jì)性，統(tǒng)計并分析了《公路橋涵通用圖——裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋上部構(gòu)造》[4]中20～40 m跨徑下預(yù)制T梁、小箱梁和各設(shè)計院發(fā)布的20～45 m平鋼板組合梁橋相關(guān)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(jié)構(gòu)主要材料與跨徑之間的關(guān)系表達(dá)式，可為設(shè)計人員初步設(shè)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(jìn)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(guān)系如圖3所示，由圖3可知，相比而言預(yù)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(yù)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(yù)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(shè)計估算鋼板組合梁混凝土用量時，可取0.265 m3/m2進(jìn)行計算。

圖3 3種裝配式梁橋混凝土用量與跨徑關(guān)系

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁與跨徑的關(guān)系表達(dá)式如式(1)所示；預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁與跨徑的關(guān)系表達(dá)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(guān)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(yù)應(yīng)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(guān)系

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁鋼材用量與跨徑的關(guān)系表達(dá)式如式(3)所示；預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁鋼材用量與跨徑的關(guān)系表達(dá)式如式(4)所示；鋼板組合梁鋼材用量與跨徑的關(guān)系表達(dá)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(jié)構(gòu)鋼材用量與跨徑之間基本呈線性關(guān)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(nèi)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(jié)構(gòu)的鋼材用量稍大于雙主梁。同等橋?qū)捪?，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(yīng)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(yīng)權(quán)衡考慮多因素后綜合確定合適的主梁數(shù)量。

圖5 國內(nèi)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(jié)構(gòu)的材料用量與跨徑之間的關(guān)系表達(dá)式，在確定橋跨和橋?qū)挄r，設(shè)計人員可根據(jù)關(guān)系表達(dá)式快速算出結(jié)構(gòu)材料用量，從而對橋梁造價進(jìn)行估算。

3 經(jīng)濟(jì)性對比分析

3.1 上部結(jié)構(gòu)材料成本對比

對于裝配式橋梁而言，由于預(yù)制工藝相差不大，其材料成本是影響整體結(jié)構(gòu)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(guān)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(yù)應(yīng)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(shè)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(dá)85%，普通鋼筋和預(yù)應(yīng)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(yù)制混凝土T梁和小箱梁具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，且跨徑越大，經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)材料成本對比

橋梁下部結(jié)構(gòu)尺寸和造價與其上部結(jié)構(gòu)自重直接相關(guān)，上部結(jié)構(gòu)自重越大，下部結(jié)構(gòu)造價越高。3種裝配式梁橋上部結(jié)構(gòu)單位面積自重與跨徑關(guān)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(yù)應(yīng)力混凝土梁橋而言，下部結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)自重較輕，其下部結(jié)構(gòu)材料成本僅占總橋材料成本的15%～25%，進(jìn)一步體現(xiàn)了鋼板組合梁橋的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

圖8 3種裝配式梁橋上部結(jié)構(gòu)單位面積自重與跨徑關(guān)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(yīng)考慮在內(nèi)。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(shè)備的要求、降低吊裝難度及風(fēng)險，從而達(dá)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(jì)性分析表明，綜合考慮材料回收后橋梁上、下部結(jié)構(gòu)材料成本以及吊裝運輸成本，相比傳統(tǒng)的預(yù)制混凝土T梁和小箱梁而言，鋼板組合梁橋經(jīng)濟(jì)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(yīng)用前景。

4 結(jié)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(jì)性，得出以下結(jié)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(shè)置加勁肋，可顯著減少鋼構(gòu)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(diào)研統(tǒng)計了幾種標(biāo)準(zhǔn)跨徑下預(yù)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(guān)系表達(dá)式，為設(shè)計人員快速進(jìn)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(jì)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(jié)構(gòu)自重輕以及全壽命周期經(jīng)濟(jì)性較好等優(yōu)勢，具有廣泛的應(yīng)用前景。