裝配式橋梁在高速公路改擴(kuò)建工程中的適應(yīng)性研究

安景峰 ,郭趙元 ,馬永磊 ,周 童

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局,南京 210004;2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,南京 210014)

我國(guó)早期建設(shè)的部分高速公路的交通流量實(shí)際增長(zhǎng)率遠(yuǎn)超出項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)的交通流量增長(zhǎng)預(yù)測(cè)率,隨著交通流量的持續(xù)增長(zhǎng),高速公路個(gè)別路段擁堵嚴(yán)重,呈現(xiàn)交通量飽和、運(yùn)輸能力緊張的狀況,已無(wú)法適應(yīng)城鄉(xiāng)建設(shè)的需求。因此,高速公路的改擴(kuò)建已成為道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的一項(xiàng)重要而緊迫的任務(wù)[1]。裝配式橋梁是將混凝土橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件在工廠或預(yù)制場(chǎng)集中預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝的一種橋梁[2]。與傳統(tǒng)現(xiàn)澆橋梁相比,裝配式橋梁主要特點(diǎn)為:①低碳環(huán)保,可降低施工污染,減少揚(yáng)塵、廢水與廢渣;②安全文明,可減少施工人數(shù),現(xiàn)場(chǎng)更易管控,工地整體形象較好;③品質(zhì)保證,工廠化生產(chǎn),構(gòu)件質(zhì)量有保證;④快速高效,速度快、工期短,減少交通干擾;⑤產(chǎn)業(yè)升級(jí),可改善作業(yè)環(huán)境,有助于提高橋梁建造水平。

1 工程概況

京滬高速公路新沂至江都段起于蘇魯省界,穿越蘇北、蘇中腹地,依次經(jīng)徐州市、宿遷市、淮安市、揚(yáng)州市,終于揚(yáng)州市江都區(qū)正誼樞紐,全長(zhǎng)259.6 km,于2000 年12 月建成通車(chē)。該路段為雙向4 車(chē)道高速公路,設(shè)計(jì)速度為120 km/h,路基寬度為28 m,設(shè)計(jì)荷載汽車(chē)-超20 級(jí)、掛車(chē)-120。改擴(kuò)建工程全線按雙向8 車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)建,大橋、特大橋、高速互通等相關(guān)大型施工點(diǎn)較多,工程總投資超過(guò)300 億元。

本項(xiàng)目是江蘇省高速公路擴(kuò)建工程中首次采用全預(yù)制裝配式橋梁,選取了4 座橋(橫涇河特大橋、紅興河高架橋、東平河大橋、北澄子河大橋)作為單獨(dú)的一個(gè)預(yù)制拼裝橋梁標(biāo),這4 座橋距離近、規(guī)模大、標(biāo)準(zhǔn)化程度高。

2 建設(shè)成本的適應(yīng)性

裝配式橋梁由于在建造速度、交通干擾、環(huán)境影響等方面的突出優(yōu)勢(shì),在市政橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)階段影響裝配式橋梁方案推廣應(yīng)用的主要因素是對(duì)其經(jīng)濟(jì)性的考量。裝配式下部結(jié)構(gòu)的建筑安裝工程費(fèi)(以下簡(jiǎn)稱“建安費(fèi)”)的增長(zhǎng)主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面。

(1) 預(yù)制梁場(chǎng)的費(fèi)用。下部結(jié)構(gòu)的預(yù)制墩柱、蓋梁通常與上部結(jié)構(gòu)的小箱梁、T 梁或空心板等共用一個(gè)預(yù)制梁場(chǎng)生產(chǎn)。上部結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件一般通過(guò)濕接縫或鉸縫連接,對(duì)精度的要求相對(duì)較低。以鋼筋為例,受力鋼筋順長(zhǎng)度方向加工后的全長(zhǎng)允許偏差為±10 mm[3]。而裝配式下部結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋加工效果的要求,以立柱主筋和立柱鋼筋籠為例,允許偏差為±2 mm[4]。因此裝配式下部結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)制梁場(chǎng)的生產(chǎn)、存梁臺(tái)座的處理以及鋼筋加工機(jī)械的要求相對(duì)較高。

(2) 連接材料的費(fèi)用。裝配式下部結(jié)構(gòu)的墩柱-蓋梁、墩柱-承臺(tái)、蓋梁節(jié)段間以及墩柱節(jié)段間的連接方式主要包括鋼筋灌漿套筒方式、鋼筋灌漿波紋鋼管方式、構(gòu)件承插式、鋼筋插槽式、濕接縫式以及利用預(yù)應(yīng)力鋼筋等[5]。不同連接方式的適用范圍、施工方法、工作性能以及建安費(fèi)等存在差異[6]。以鋼筋灌漿套筒方式為例,連接材料的費(fèi)用應(yīng)包含灌漿連接套筒(球墨鑄鐵或優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼)、高強(qiáng)無(wú)收縮砂漿、高強(qiáng)無(wú)收縮水泥灌漿料等的費(fèi)用。

(3) 運(yùn)輸、安裝的費(fèi)用。運(yùn)輸費(fèi)主要與運(yùn)輸方式、運(yùn)輸距離有關(guān)。運(yùn)輸方式包括陸運(yùn)和水運(yùn)?？紤]水運(yùn)出發(fā)地及目的地的碼頭和浮吊的使用費(fèi),當(dāng)運(yùn)輸距離＜120 km 時(shí),經(jīng)初步測(cè)算,采用陸運(yùn)經(jīng)濟(jì)性更好。安裝費(fèi)和預(yù)制構(gòu)件的尺寸、重量及分段方式密切相關(guān)。對(duì)于高速公路橋梁,考慮橋下一般不設(shè)輔道,墩柱的高度相對(duì)較低,一般整段預(yù)制安裝墩柱構(gòu)件。對(duì)于蓋梁,考慮不同橋?qū)?4 車(chē)道高速公路一般整段預(yù)制安裝;6 車(chē)道高速公路結(jié)合運(yùn)輸條件可整段預(yù)制安裝,也可分段預(yù)制安裝;8 車(chē)道高速公路推薦分段預(yù)制安裝[7]。高速公路的橋梁、蓋梁分段時(shí),可通過(guò)墩柱間距的調(diào)整實(shí)現(xiàn)節(jié)段安裝時(shí)的自平衡(如北澄子河大橋),從而減少因采用臨時(shí)支架產(chǎn)生的施工措施費(fèi)及地基處理費(fèi)。

與市政高架橋相比,高速公路橋梁由于橋下一般無(wú)中分帶或輔道,墩柱布置限制較少,蓋梁通常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),且墩柱的平均高度也相對(duì)較低。預(yù)制墩柱、蓋梁的建安費(fèi)占橋梁總建安費(fèi)的比例低于市政橋梁的相應(yīng)比例。

以橫涇河特大橋?yàn)槔?進(jìn)行裝配式橋梁方案與現(xiàn)澆下部結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性分析。方案一為下部結(jié)構(gòu)采用裝配式方案,方案二為下部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆方案。建設(shè)成本分析如圖1 所示。

圖1 建設(shè)成本分析

裝配式橋梁方案(方案一):上部結(jié)構(gòu)建安費(fèi)為3 583 元/m2,下部結(jié)構(gòu)建安費(fèi)為1 146 元/m2,基礎(chǔ)設(shè)施建安費(fèi)為2 222 元/m2,附屬設(shè)施建安費(fèi)為2 117 元/m2,總建安費(fèi)為9 068 元/m2。

現(xiàn)澆下部結(jié)構(gòu)方案(方案二):下部結(jié)構(gòu)建安費(fèi)為897 元/m2,總建安費(fèi)為8 819 元/m2。

與方案二相比,方案一的下部結(jié)構(gòu)建安費(fèi)增加約28%,橋梁總建安費(fèi)增加約3%。

3 建設(shè)工期的適應(yīng)性

高速公路改擴(kuò)建工程具有既有交通流量大、保通需求高的特點(diǎn)。無(wú)論是拆除重建橋梁還是拼寬橋梁,橋梁的快速高效建成,對(duì)于減小交通影響以及減輕交通導(dǎo)改的壓力具有重要意義。

采用裝配式下部結(jié)構(gòu)可提高橋梁建設(shè)效率,主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)階段。

(1) 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行樁基、承臺(tái)、臨時(shí)工程等施工階段。預(yù)制構(gòu)件可在預(yù)制梁場(chǎng)內(nèi)同步生產(chǎn),形成一定的存梁。此外在現(xiàn)場(chǎng)安裝墩柱、蓋梁期間,預(yù)制梁場(chǎng)內(nèi)同時(shí)進(jìn)行剩余墩柱、蓋梁的生產(chǎn),形成動(dòng)態(tài)平衡,該方式對(duì)于施工組織的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件安裝階段。采用履帶式起重機(jī)或汽車(chē)起重機(jī),1 臺(tái)機(jī)組每天可以安裝12～16 根墩柱或6～8 片蓋梁,安裝效率較高。

(3) 等強(qiáng)階段。由于灌漿料采用了高強(qiáng)型、早強(qiáng)型材料,以套筒或波紋管灌漿料為例,24 h 抗壓強(qiáng)度≥35 MPa,等強(qiáng)時(shí)間短,1 d 后即可進(jìn)行下一階段的施工[4-5]。

以橫涇河特大橋?yàn)槔?橋梁全長(zhǎng)1.39 km,橋梁全寬42 m,分左右兩幅。單幅橋拼寬部分寬7 m,其中上部空心板660 片,蓋梁136 榀,墩柱272 根,樁基288 根。橫涇河特大橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2 所示。

圖2 橫涇河特大橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位:cm)

橫涇河特大橋方案一的建設(shè)工期統(tǒng)計(jì)如表1 所示,若采用全預(yù)制方案,即空心板、墩柱、蓋梁預(yù)制,承臺(tái)、樁基現(xiàn)澆,考慮流水作業(yè),按實(shí)際施工組織測(cè)算,下部結(jié)構(gòu)建設(shè)工期約30 d,總建設(shè)工期約374 d。

表1 橫涇河特大橋方案一的建設(shè)工期統(tǒng)計(jì)

橫涇河特大橋方案二的建設(shè)工期統(tǒng)計(jì)如表2 所示,若采用半預(yù)制方案,即上部結(jié)構(gòu)空心板預(yù)制,墩柱、蓋梁、承臺(tái)和樁基現(xiàn)澆,立柱蓋梁安排6 個(gè)班組同時(shí)施工,考慮流水作業(yè),按實(shí)際施工組織測(cè)算,下部結(jié)構(gòu)建設(shè)工期約190 d,總建設(shè)工期約503 d。

表2 橫涇河特大橋方案二的建設(shè)工期統(tǒng)計(jì)

由以上分析可知,相比方案二,方案一下部結(jié)構(gòu)建設(shè)工期可節(jié)省約84%,橋梁總建設(shè)工期可節(jié)省約26%。

4 建設(shè)質(zhì)量的適應(yīng)性

高速公路改擴(kuò)建工程的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、項(xiàng)目里程長(zhǎng),對(duì)于建設(shè)質(zhì)量的要求也較高。

在生產(chǎn)階段,裝配式橋梁預(yù)制構(gòu)件一般在配有各種機(jī)械化或自動(dòng)化設(shè)備的大型預(yù)制梁場(chǎng)里進(jìn)行加工,與現(xiàn)澆橋梁相比,在尺寸精度、表觀質(zhì)量、強(qiáng)度和彈性模量等方面能得到較好管控。

在安裝階段,需要統(tǒng)籌多方面因素以提高裝配式橋梁的建設(shè)質(zhì)量,相關(guān)因素包括有序管理施工人員、規(guī)范使用機(jī)械設(shè)備、合理把控混凝土攪拌和澆筑質(zhì)量、適時(shí)創(chuàng)新工藝工法等。

在管理施工人員方面,實(shí)施裝配式下部結(jié)構(gòu)方案時(shí)通常不需要現(xiàn)場(chǎng)綁扎鋼、搭設(shè)支架、拼裝模板以及澆筑混凝土等,可減少現(xiàn)場(chǎng)施工人員并降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

在使用機(jī)械設(shè)備方面,現(xiàn)場(chǎng)主要進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸、安裝以及連接接頭的灌漿等施工作業(yè),這部分工作通常由專業(yè)人員完成,在設(shè)備的使用上可相對(duì)專業(yè)和規(guī)范。

在把控混凝土攪拌、澆筑質(zhì)量方面,現(xiàn)場(chǎng)主要進(jìn)行灌漿料的攪拌和灌注,灌漿料一般采用定制化的成熟產(chǎn)品,且灌注量較少,攪拌和澆筑的質(zhì)量控制效果較好。

在創(chuàng)新工藝工法方面,京滬高速公路改擴(kuò)建工程為解決選用常規(guī)灌漿套筒連接形式時(shí),灌漿質(zhì)量難以檢測(cè)的問(wèn)題,在橫涇河特大橋、紅興河高架橋、東平河大橋上均采用新型承插式連接構(gòu)造。新型承插式連接構(gòu)造如圖3 所示。

圖3 新型承插式連接構(gòu)造(單位:mm)

在性能方面,進(jìn)行承插深度、尺鍵形式、灌漿料強(qiáng)度等不同參數(shù)、不同工況下的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究。部件應(yīng)力云圖如圖4 所示,新型承插式連接構(gòu)造試驗(yàn)研究展示如圖5 所示,試件滯回曲線與骨架曲線如圖6 所示。

圖4 部件應(yīng)力云圖

圖5 新型承插式連接構(gòu)造試驗(yàn)研究展示

圖6 試件滯回曲線與骨架曲線

結(jié)果表明,新型承插式連接構(gòu)造在剛度、承載力方面與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)基本一致。

與常規(guī)灌漿套筒連接方式所采用的封閉壓漿工藝相比,新型承插式連接方式由于采用敞口直灌工藝,灌漿質(zhì)量可視、可檢,便于建設(shè)質(zhì)量的整體把控。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目依托京滬高速公路新沂至江都段改擴(kuò)建工程,基于裝配式橋梁的特點(diǎn),對(duì)高速公路改擴(kuò)建工程中裝配式橋梁的適應(yīng)性開(kāi)展相關(guān)研究,結(jié)論如下。

(1) 高速公路改擴(kuò)建工程保通壓力大,預(yù)制裝配技術(shù)可有效減少現(xiàn)場(chǎng)施工工作量并縮短施工時(shí)間,工程質(zhì)量更易保證,同時(shí)成本可控,相應(yīng)方案可較好地適應(yīng)建設(shè)質(zhì)量的要求。

(2) 與現(xiàn)澆方案相比,裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)建設(shè)成本增加約28%,橋梁總建設(shè)成本增加約3%,建設(shè)成本總體可控。

(3) 與現(xiàn)澆方案相比,裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)建設(shè)工期可節(jié)省約84%,橋梁總建設(shè)工期可節(jié)省約26%,相應(yīng)方案可較好地適應(yīng)建設(shè)工期的要求。

(4) 墩柱-承臺(tái)的新型承插式連接方式在工作性能上與現(xiàn)澆方案基本一致,實(shí)現(xiàn)了灌漿質(zhì)量的可視、可檢,便于建設(shè)質(zhì)量的整體把控。

研究成果可為裝配式橋梁在高速公路新建或改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用和推廣提供借鑒。