李志勇 高志勇 王開太 羅 征

（1.寧波市交通規(guī)劃設計研究院有限公司，浙江 寧波 315000；2.寧波市公路與運輸管理中心，浙江 寧波 315000；3.浙江大學寧波理工學院，浙江 寧波 315000）

0 引言

公路工程作為線性系統(tǒng)工程，沿線條件復雜多變，需要用到各種小型構造物。傳統(tǒng)公路小型構造物多采用現(xiàn)澆混凝土或漿砌片石進行砌筑。邊溝、擋土墻等砌筑成品的質量很大程度上取決于施工人員的個人技術水平，不可避免地會出現(xiàn)漏漿、空洞等質量問題，嚴重影響公路構造物的使用功能。近些年技術人才稀缺，石匠等技術工人已經出現(xiàn)了斷代現(xiàn)象。在此背景下，公路小型構造物的建造方式應從傳統(tǒng)的漿砌片石、現(xiàn)澆混凝土以及分散預制等多種形式統(tǒng)一變?yōu)楣S化、集約化、專業(yè)化的建造模式轉變。本研究團隊從2018年開始相關研究，有幸參與研究寧波市公路工程工業(yè)化標準體系[1]《寧波市公路建設工程設計標準化指南》，將公路預制邊溝、蓋板涵等公路小型構造物等編入了《寧波市公路工程設計標準化通用圖-橋梁附屬構造設施》，在此之后將公路小型構造物工業(yè)化技術應用于公路建設領域，經過多個試點項目的試驗，取得了一定的前期研究成果。實踐發(fā)現(xiàn)，由于小型混凝土預制構件形式多樣、規(guī)格各異，預制構件裝配方式差異較大，模板體系無法統(tǒng)一通用，預制構件生產很難形成標準化、規(guī)模化生產，因而在公路小型構造物的通用性和標準化方面，亟需深入研究。同時，鑒于目前預制構配件原有通用化、社會化及集約化生產等優(yōu)勢特點無法充分發(fā)揮，造成預制公路小型構件的成本相比較傳統(tǒng)建造方式沒有優(yōu)勢，使得在公路建設推廣預制裝配公路小型構造物的阻力很大，因此亟待開展進一步的研究和突破，并在試點示范工程中進行實踐驗證，從而顯著降低預制公路小型構件的建造成本，使公路小型構造物工業(yè)化不僅技術先進，而且成本合理。本文本文以公路工程中的低矮擋墻、蓋板涵洞、排水溝、邊溝等構造物為研究對象，就預制裝配公路小型構造物模塊化設計與應用進行分析。

1 預制裝配公路小型構造物的發(fā)展趨勢

公路工程預制裝配化正在如火如荼地發(fā)展，國內工程業(yè)界提出了與公路小型構造物相關的形式各異的預制裝配新型結構，如浙江數(shù)智交科院研發(fā)的螺栓角鋼連接裝配式扶壁擋土墻[2-3]、裝配式排水邊溝、裝配式涵洞結構等，以及蘇交科[4]也有許多涉及公路小型構造物新型預制裝配結構，但以上研究更多強調某種新型裝配連接構造在某個特定的工程應用，新型裝配結構往往更多成為了某個公路工程專用體系，也只能適用于定型化工程建造方式所建立的預制裝配體系。對于不同地質條件下、公路線型、公路項目之間缺少通用標準性、通用性和兼容性。國外研究建筑工業(yè)化[5-6]更多強調的是社會化、通用化及集約化的工業(yè)化體系，預制裝配技術僅僅是建筑工業(yè)化部分內容，因而構建預制裝配式公路小型構造物具有集約化、通用化以及模塊化生產的工業(yè)化體系則是推廣該技術的最終目的。

2 公路小型構造物的模塊化設計

模塊化設計是指對產品的尺寸模數(shù)、規(guī)格、組合方式等方面制定統(tǒng)一的標準和模式，使工業(yè)產品具有尺寸模數(shù)化、結構典型化、部件通用化、組裝積木化的特點，并能進行工業(yè)化生產。公路小型構造物基于模塊化設計，按照功能不同或功能相同但性能、質量、規(guī)格等屬性不同劃分模塊，同時選擇不同的模塊進行合理組合以實現(xiàn)產品的用戶化和定制化，使構配件具有更好的通用性和互換性，節(jié)省建設成本，以工業(yè)化的生產方式來提高經濟效益。

本文以公路工程中的低矮擋墻、蓋板涵洞、排水溝、邊溝等構造物為研究對象，提出公路小型構造物基于模塊化設計理論，遵循“標準化，模數(shù)化，少規(guī)格，多組合”構造物預制模塊拆分原則，將公路構造物拆分為頂板模塊、側板模塊及底板模塊，如圖1所示，基于模數(shù)協(xié)調理論對構造物模塊進行標準化設計，研究構造物模塊的基本模數(shù)、擴大模數(shù)、優(yōu)先模數(shù)，提高預制構件生產效率以及模板可重復利用率，構造物模塊單元實現(xiàn)工業(yè)化生產。標準化設計的構造物模塊單元不僅可實現(xiàn)構造物之間的共享，預制模塊運輸至現(xiàn)場組合標準節(jié)段，進一步裝配而成的小型構造物滿足在不同公路路線上的應用。

圖1 公路小型構造物基于模塊化設計

基于模塊化設計公路小型構造物，突出模塊之間的共享，使公路小型構造物的標準化設計不只是局限于具體零部件尺寸的標準化，而是模塊、組合方式的標準化，達成預制公路小型構造物通用性，滿足不同公路工程應用的目標。圖2為蓋板涵基于模塊化設計的組成構造圖，該標準化節(jié)段由側板，矩形頂板、梯形頂板三種模塊組成，預制模塊尺寸模數(shù)應考慮預制場加工模板成本、施工吊裝、運輸能力等限制條件，側板模塊高度取值為2m、3m 及4.5m三類標準值，分別對應于不同的填土高度，而為了安裝便利，長度則統(tǒng)一為3m節(jié)段；矩形頂板模塊與梯形頂板模塊厚度基于模數(shù)取值為30cm、50cm及60cm，頂板模塊寬度則為250cm、500cm及700cm三類，而梯形頂板則作為涵洞端部，滿足涵洞與路線的斜角布置，梯形夾角設置為0。、15。、30。及45。，由此從最小組成單元逐層、逐段進行標準化設計，通過模塊模數(shù)尺寸調整完成標準化節(jié)段的組裝，進一步由標準化節(jié)段拼裝為滿足不同道路限制條件下公路小型構造物在公路工程的應用。

圖2 標準化模塊連接

3 預制模塊的連接方式

預制模塊單元是在工廠中制造的標準化構造單元，通常是預制混凝土制品。這些預制單元具有標準化的尺寸和形狀，因此可以在不同的項目中重復使用，從而提高效率和降低成本。在預制小型公路構造物中，這些預制模塊單元通常被用來構建擋土墻、護欄和其他結構，被設計為可以在現(xiàn)場快速、安全地進行組裝，以減少現(xiàn)場施工時間和人力成本。這些模塊單元通常是在工廠中進行生產和測試，以確保其質量和性能符合要求。在組裝過程中，預制模塊單元之間的連接至關重要。這些連接需要提供足夠的強度和剛度，以承受交通負荷、風力、地震等外部力量的作用，從而確保整個構造物的穩(wěn)定性和安全性。通常，這些連接采用螺栓、鋼筋或其他特殊的連接件進行固定，以確保它們的穩(wěn)定性和耐久性。在設計和建造預制小型公路構造物時，需要仔細考慮連接方式的選擇和設計，以確保其能夠滿足設計要求并具有足夠的安全性和可靠性。

除了上述常見的連接方式，還有一些其他的預制混凝土構件連接方式。例如，粘接連接：使用專用的粘合劑將預制構件粘結在一起，形成整體。搭接連接：在預制構件之間或與主體結構之間留出一定的搭接長度，將鋼筋嵌入搭接部位并用混凝土進行填充和加固。焊接連接：使用電弧焊或其他類型的焊接方式將預制構件連接在一起。此外，還可以使用特殊的連接件，如鋼筋套筒、膨脹螺栓、榀石連接等，將預制構件連接起來。另外，還有一種常見的預制混凝土構件連接方式是拉鋼筋連接。這種連接方式通常適用于需要連接的構件受力方向為拉力的情況。拉鋼筋連接是在預制構件之間或與主體結構之間預留一定的間隙，然后將拉鋼筋穿過間隙并用混凝土填充。這種連接方式的優(yōu)點是連接強度高，適用于需要承受大拉力的情況。但需要注意的是，拉鋼筋連接通常不能承受剪力和彎曲力，因此在設計和施工中需要考慮受力情況，選擇合適的連接方式。此外，還有一些特殊的預制混凝土構件連接方式，如扣件連接、卡口連接、榀石連接等。這些連接方式的應用范圍較為有限，一般僅在特殊的工程和結構中使用。總的來說，預制混凝土構件的連接方式多種多樣，具體選擇哪種連接方式需要根據(jù)實際情況進行綜合考慮，以保證連接的強度和穩(wěn)定性，確保工程質量和安全。綜上所述，預制小型公路構造物中預制模塊單元的可靠連接是構造物安全保障的關鍵，需要根據(jù)實際情況選擇合適的連接方式，并保證連接的牢固性和穩(wěn)定性。

預制模塊單元的可靠連接是預制小型公路構造物基于模塊化設計的安全保障，因此亟需依據(jù)小型公路構造物本身的功能需求以及施工簡便、維修成本等角度出發(fā)，開發(fā)設計預制模塊單元之間的高效連接方式。預制小型構造物連接主要包括標準化模塊的豎向連接和標準化節(jié)段的縱向連接兩類。

圖2所示蓋板涵及擋墻標準化模塊采用豎向濕接縫連接的標準化模塊，在設計上具有一定的自由度。該模塊包括蓋板涵和擋墻兩個部分，并采用側板單元預留鋼筋和底板鋼筋焊接的方式，以保證其連接性能的可靠性。具體而言，采用豎向濕接縫連接的方式能夠使蓋板涵以及擋墻的寬度設計比較自由。這是因為該連接方式能夠有效地保證兩個部分之間的密封性，從而避免水或者其它雜物的滲入。同時，該連接方式還具有較高的耐久性和穩(wěn)定性，能夠在長時間使用中保持連接的牢固性。此外，標準模塊的側板單元預留鋼筋并與底板鋼筋焊接，能夠提高整個模塊的結構強度和穩(wěn)定性。底板采用現(xiàn)澆混凝土的方式，能夠保證整個模塊的承重能力和耐久性。因此，該標準化模塊不僅具有較高的連接性能和結構強度，而且能夠適應多種不同的設計要求。

標準化節(jié)段的縱向連接方式為剪力鍵。具體而言，標準化預制節(jié)段端部設置有凹、凸混凝土剪力鍵，用于連接兩個相鄰的節(jié)段，以便于施工時的安裝定位。該連接方式的優(yōu)點在于連接構造簡單，施工也相對簡便。采用剪力鍵連接的方式，能夠有效地提高節(jié)段之間的連接強度和穩(wěn)定性。通過將相鄰節(jié)段的凸、凹剪力鍵互相咬合，能夠實現(xiàn)良好的傳力效果，并能夠抵抗剪切力和扭矩的作用。此外，該連接方式的構造較為簡單，能夠快速、高效地完成節(jié)段的連接，從而節(jié)約施工時間和成本。在實際應用中，標準化節(jié)段的剪力鍵連接方式適用于各種不同類型的橋梁、隧道和道路等工程項目。該連接方式的特點在于結構簡單、施工方便，能夠滿足工程項目的高質量和高效率要求。同時，在連接過程中還可以采用一些特殊的技術手段，如預埋鋼板連接、膨脹螺栓連接等，以進一步提高連接的穩(wěn)定性和強度。

4 預制裝配公路小型構造物的應用

本文以寧波奉化段203省道設計中的預制裝配涵洞為例，應用標準化設計成果，對原設計方案進行重新設計，并將其作為標準化施工技術研究的應用工程。預制裝配涵洞相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式具有多項優(yōu)勢。

（1）預制構件的制造過程在工廠中進行，可以大幅減少現(xiàn)場施工時間和人力成本，降低建筑垃圾和建筑污水的產生，有效保障施工安全和環(huán)保要求。

（2）預制構件具有更高的安全性和耐久性，能夠在極端環(huán)境下承受更高的荷載，有效延長建筑的使用壽命，減少維護和修繕成本。

（3）預制構件的生產過程中采用工廠化的生產方式，使構件尺寸和形狀更加精準，減少現(xiàn)場加工和修整的需要，提高了施工質量。

（4）預制裝配涵洞建造方式也具有低碳環(huán)保的優(yōu)勢，減少碳排放，符合現(xiàn)代社會對環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求。

（5）預制構件的重復利用性較高，可以減少建筑廢棄物的產生，達到節(jié)約資源和保護環(huán)境的目的。

在前期工程應用中，預制裝配蓋板涵洞相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式，其優(yōu)勢得以充分體現(xiàn)，同時造價也降低了約20%。這是因為預制構件的制造成本相對較低，而且生產規(guī)模大，采用批量生產，使得單價更加經濟。因此，預制裝配涵洞建造方式可以大幅降低建筑成本，并縮短建設工期，提高了建造效率和經濟效益。

5 結束語

公路建設是國家基礎設施建設的重要組成部分，而公路小型構造物的設計標準化、生產工廠化、施工裝配化是現(xiàn)代公路建設的發(fā)展方向。為了實現(xiàn)公路建設的工業(yè)化和智能化，需要制定預制公路構造物模塊劃分原則，并確立合理的預制模塊尺寸模數(shù)體系。在公路建設中，低矮擋墻、蓋板涵洞、排水溝及邊溝等構造物是不可或缺的組成部分。通過實現(xiàn)這些構造物的標準化設計、工廠化生產和裝配化施工，可以大幅度提高公路建設的質量和效率，推進公路建設的工業(yè)化和智能化進程，為交通事業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻。