现浇与预制节段施工箱梁桥不同跨径效果比较分析

■张继明

（温州市交通规划设计研究院，温州 325000）

1 引言

桥梁在社会发展方面发挥了重要的作用， 其提供了一种简单、 低成本的交通方式， 节省了出行时间。随着桥梁数量显著增加，专家们提出了造价低且施工工期短的建设方案， 但施工方法受许多因素影响，如组成材料、场地条件、生命周期成本、环境影响、市场价格等[1-2]。同时，桥梁的建筑材料、横截面与桥梁的结构形式、运营成本有着密切联系；桥梁的跨径在材料和截面类型选择方面也起着重要作用。 在考虑桥梁维护时，之前的研究认为对于20 m 跨径的桥梁而言，预应力混凝土工字梁更经济[3]；李井辉[4]指出预应力混凝土梁的生命周期成本可降低45%；早期维护措施可以使桥梁表现出更好的性能[5]。

通过预制方法加快桥梁建设已经成为一种迫切的需求，该方法具有许多优点，例如缩短施工时间、减少交通中断和施工对周围商业的影响、材料控制质量高等。 然而，关于预制节段桥梁和现浇施工间成本比较的研究仍非常有限； 桥梁跨径对这2 种施工方法的建筑成本的影响尚不清楚。 本文通过对10 座桥梁的研究， 探讨了桥梁跨径对工程造价的影响，确定了施工工期，并将其转换为成本。

2 不同跨径箱梁桥的结构分析

2.1 截面形状、荷载和材料特性

为了对现浇箱梁桥和预制节段箱梁桥进行合理的对比评估，每种桥梁施工技术都考虑了5 种不同跨径的两跨桥梁（跨度分别为40 m、50 m、60 m、70 m 和80 m）。其中节段预制方法可分为长线预制和短线法预制2 种，两者的主要差异在于线性的控制及预制厂的生产配置。 本文中的预制节段采用的是长线法，标准段的预制施工流程为：台座修筑和底模安装及调整→节段外模架立→钢筋笼安装→预应力管道及预埋件安装→内模安装→混凝土浇筑→养护→拆模。

箱形梁桥的横截面如图1 所示， 图中显示了10.4 m 宽的等宽箱形梁截面的恒载和活载。 根据《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011），考虑TL-4 型护栏的尺寸，采用25 kN/m 的桥梁护栏荷载，并假定桥面沥青厚度为100 mm。 设计车道荷载由卡车荷载和串联载荷组成（图2），为每车道9.3 kN/m 的均布荷载。

图1 箱梁桥截面荷载图

图2 设计车道荷载

混凝土圆柱体抗压强度为50 MPa， 弹性模量为38 GPa， 钢筋的屈服强度和弹性模量分别为500 MPa 和200 GPa。 预应力截面设计使用超低松弛七股预应力钢绞线，每股直径为15.24 mm，极限抗拉强度为1860 MPa。

2.2 有限元建模及结果

使用MIDAS Civil Ver 2.1 的有限元方法，两节点梁单元（图3）模拟了10 座桥梁，其中每个节点有6 个自由度。 在X、Y 和Z 方向提供相对约束，用弹性链杆对支座进行建模，并通过反映桥梁支座实际约束条件连接到上部结构。 整体式桥墩采用梁单元模拟，通过刚性连接与桥面相连（图3）。使用线弹性分析方法获得弯曲和剪力图，并与《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011）中的极限承载力进行比较，结果如表1 所示。

图3 MIDAS 桥梁模型

图4、5 为在不同跨径下预制施工和现浇施工的差异。 结合表1 可以看出， 对于40 m 跨径的桥梁，预制节段箱梁桥的剪力和弯矩分别是现浇桥梁的19%和15%，现浇施工比预制节段施工的桥面板截面面积小8%；当跨径增加至60 m，两者差距变小；由于80 m 预制桥梁的应力较低，与80 m 跨径的预制节段桥面相比， 现浇箱梁截面面积增加了20%。 这意味着，采用现浇法施工的大跨度桥梁桥面自重和恒载会更高， 并影响桥墩和基础的设计，导致下部结构尺寸较大，经济性较差。 由图5 可知，惯性矩在40～60 m 跨径内保持不变； 当跨径为80 m 时， 现浇箱梁的惯性矩比预制节段箱梁的高18%。 研究发现，虽然惯性矩的降低会增加挠度，但现浇板惯性矩的增加对挠度的益处很小，因为现浇板跨度很长，自重较大，同时由于自重和恒载叠加，会产生相应的长期徐变效应；因此现浇桥面板挠度高于预制节段桥面板。

图4 根据跨径和施工方法计算桥面板截面面积

图5 根据跨径和施工方法计算桥面板截面惯性矩

表1 现浇和预制箱梁设计截面与跨径的对比

3 不同类型箱梁桥的成本和时间分析

本节使用常见桥梁项目的单位费率估算10 种不同桥跨长度的建设成本，对不同桥梁方案的成本进行了比较和评估；并将工期的影响转化为等效成本，最终与施工成本估算相结合，以实现现浇和预制节段桥梁的总成本和时间比较。

3.1 工程造价的比较与分析

表2 为5 座不同跨度和不同截面深度的箱形梁桥的成本明细，现浇桥梁所需的额外费用为模板安装；预制桥梁的额外费用包括预制场、起重机和预制节段运输费用。 根据表2 可知，现浇桥梁的模板成本约占总成本的22%，预制节段桥梁的额外成本约占总成本的16%。

表2 现浇和预制节段箱梁桥面的成本明细

表3 和图6 为所研究桥梁项目总成本的比较。可以观察到， 在未考虑施工工期影响的前提下，对于跨径为40～60 m 的现浇箱梁，其成本低于采用起重船架设法施工的预制节段箱梁； 跨度超过60 m时，现浇箱梁和预制节段箱梁的成本几乎相同。

图6 现浇箱梁与预制箱梁桥面的造价比较

表3 现浇与预制节段箱梁桥造价对比

图7 采用FDOT 成本指数将预制节段箱梁桥与现浇箱梁桥的成本比进行了进一步比较。 其中，将预制节段箱梁桥单位长度成本与现浇箱梁桥单位长度成本的比值定义为FDOT 成本指数。 分析发现，40 m 跨径的现浇单跨桥梁FDOT 成本指数略高，但与其他桥梁的成本指数接近。 就连续跨度的桥梁而言，FDOT 成本指数远低于目前研究得出的指数；这项研究结果证实，现浇箱梁桥与预制节段箱梁桥的成本指数均在FDOT 的成本范围内。 40～80 m 间所有跨径的成本指数均在1.0～1.12，在此跨径范围内预制和现浇箱梁的成本没有显著差异。

图7 预制节段和现浇箱梁成本指数

3.2 施工工期的比较与分析

施工工期对施工成本有直接影响，本节通过图8和表4 探讨不同跨径的施工工期和不同类型桥面的施工时间比。据图8 可知，一方面，40 m 跨径的现浇箱梁桥施工工期为9 个月； 随着跨径的增加，80 m 跨径的现浇箱梁桥施工工期增加至15 个月，相较于40 m 跨径桥梁的施工工期延长了6 个月。另一方面，40 m 跨度的预制节段箱梁桥施工工期为6.5 个月，80 m 跨度的预制节段箱梁桥施工工期达9.5 个月。 多个项目同时施工，施工工期仅增加了3 个月， 可见预制节段箱梁桥施工更节约时间。 此外，图8 表明现浇和预制节段箱梁桥的施工工期与桥梁跨径成正比。 由于模板的安装和拆除及混凝土浇筑工作， 现浇箱梁桥的施工预计会延迟。 因此，预制施工大大缩短了施工工期。 由表4可以看出， 施工工期的时间指标几乎在2006 年FHA 报告的范围内。

图8 现浇与预制节段箱梁施工工期

表4 现浇和预制节段箱梁桥施工工期总结

将现浇箱梁和预制节段箱梁的工期换算成其货币价值当量，同时考虑用成本作为时间的函数用来估计， 以使2 种桥面板选择的总成本不同。 表5为现浇和预制节段箱梁的总成本估算，包括与时间相关项目的通用成本，其中估算的每月通用项目成本考虑了现浇和预制节段箱梁桥之间的施工工期差异。

图9 为2 种箱梁桥在不同跨径下的总成本变化。 对于40 m 和50 m 跨径，2 种选择的成本几乎相近。 对于超过50 m 跨径的情况，预制节段箱梁比现浇方案更有效、更经济。 虽然现浇箱梁桥和预制节段箱梁桥的最大差异为10%（表5），但表4 中预制节段箱梁桥较短的施工时间对其他因素（如交通、环境、周边商业等）都会产生积极影响。

表5 现浇和预制节段箱梁的总成本估算

图9 现浇和预制节段箱梁桥的成本随跨径的变化

4 结论

本文探讨了现浇施工和预制节段施工技术2 种施工方法下不同桥梁跨径对桥梁造价和工期的影响。先利用MIDAS 软件的有限元线弹性分析对2 种方案的箱梁桥进行了分析和设计，根据规范评估和检验每座桥梁的最佳截面，以评价桥梁跨径对箱梁桥面截面特性的影响； 再从桥梁跨径对施工成本、施工工期、综合施工成本和工期的影响3 方面进行比较评估，得出结论如下：（1）对于跨径超过60 m 的桥梁，现浇施工截面积更大，这会增加桥面的自重和恒载，导致桥墩和基础的经济性不佳，还有徐变效应带来的长期影响。 （2）从结构的角度来看，预制和现浇箱梁桥都是合适的选择。 2 种类型的桥梁都有很高的结构冗余度、扭转约束，且外型美观；若项目有施工空间、施工工期短、施工工程规模大等方面的限制，那么预制节段桥是更为可行的选择。