装配式桥梁在高速公路改扩建工程中的适应性研究

安景峰 ,郭赵元 ,马永磊 ,周 童

(1.江苏省交通工程建设局,南京 210004;2.华设设计集团股份有限公司,南京 210014)

我国早期建设的部分高速公路的交通流量实际增长率远超出项目立项时的交通流量增长预测率,随着交通流量的持续增长,高速公路个别路段拥堵严重,呈现交通量饱和、运输能力紧张的状况,已无法适应城乡建设的需求。因此,高速公路的改扩建已成为道路交通基础设施建设中的一项重要而紧迫的任务[1]。装配式桥梁是将混凝土桥梁上部结构和下部结构的主要构件在工厂或预制场集中预制、现场拼装的一种桥梁[2]。与传统现浇桥梁相比,装配式桥梁主要特点为:①低碳环保,可降低施工污染,减少扬尘、废水与废渣;②安全文明,可减少施工人数,现场更易管控,工地整体形象较好;③品质保证,工厂化生产,构件质量有保证;④快速高效,速度快、工期短,减少交通干扰;⑤产业升级,可改善作业环境,有助于提高桥梁建造水平。

1 工程概况

京沪高速公路新沂至江都段起于苏鲁省界,穿越苏北、苏中腹地,依次经徐州市、宿迁市、淮安市、扬州市,终于扬州市江都区正谊枢纽,全长259.6 km,于2000 年12 月建成通车。该路段为双向4 车道高速公路,设计速度为120 km/h,路基宽度为28 m,设计荷载汽车-超20 级、挂车-120。改扩建工程全线按双向8 车道高速公路标准扩建,大桥、特大桥、高速互通等相关大型施工点较多,工程总投资超过300 亿元。

本项目是江苏省高速公路扩建工程中首次采用全预制装配式桥梁,选取了4 座桥(横泾河特大桥、红兴河高架桥、东平河大桥、北澄子河大桥)作为单独的一个预制拼装桥梁标,这4 座桥距离近、规模大、标准化程度高。

2 建设成本的适应性

装配式桥梁由于在建造速度、交通干扰、环境影响等方面的突出优势,在市政桥梁建设中得到广泛应用。现阶段影响装配式桥梁方案推广应用的主要因素是对其经济性的考量。装配式下部结构的建筑安装工程费(以下简称“建安费”)的增长主要体现在3 个方面。

(1) 预制梁场的费用。下部结构的预制墩柱、盖梁通常与上部结构的小箱梁、T 梁或空心板等共用一个预制梁场生产。上部结构的预制构件一般通过湿接缝或铰缝连接,对精度的要求相对较低。以钢筋为例,受力钢筋顺长度方向加工后的全长允许偏差为±10 mm[3]。而装配式下部结构对钢筋加工效果的要求,以立柱主筋和立柱钢筋笼为例,允许偏差为±2 mm[4]。因此装配式下部结构对预制梁场的生产、存梁台座的处理以及钢筋加工机械的要求相对较高。

(2) 连接材料的费用。装配式下部结构的墩柱-盖梁、墩柱-承台、盖梁节段间以及墩柱节段间的连接方式主要包括钢筋灌浆套筒方式、钢筋灌浆波纹钢管方式、构件承插式、钢筋插槽式、湿接缝式以及利用预应力钢筋等[5]。不同连接方式的适用范围、施工方法、工作性能以及建安费等存在差异[6]。以钢筋灌浆套筒方式为例,连接材料的费用应包含灌浆连接套筒(球墨铸铁或优质碳素结构钢)、高强无收缩砂浆、高强无收缩水泥灌浆料等的费用。

(3) 运输、安装的费用。运输费主要与运输方式、运输距离有关。运输方式包括陆运和水运。考虑水运出发地及目的地的码头和浮吊的使用费,当运输距离＜120 km 时,经初步测算,采用陆运经济性更好。安装费和预制构件的尺寸、重量及分段方式密切相关。对于高速公路桥梁,考虑桥下一般不设辅道,墩柱的高度相对较低,一般整段预制安装墩柱构件。对于盖梁,考虑不同桥宽,4 车道高速公路一般整段预制安装;6 车道高速公路结合运输条件可整段预制安装,也可分段预制安装;8 车道高速公路推荐分段预制安装[7]。高速公路的桥梁、盖梁分段时,可通过墩柱间距的调整实现节段安装时的自平衡(如北澄子河大桥),从而减少因采用临时支架产生的施工措施费及地基处理费。

与市政高架桥相比,高速公路桥梁由于桥下一般无中分带或辅道,墩柱布置限制较少,盖梁通常采用钢筋混凝土结构,且墩柱的平均高度也相对较低。预制墩柱、盖梁的建安费占桥梁总建安费的比例低于市政桥梁的相应比例。

以横泾河特大桥为例,进行装配式桥梁方案与现浇下部结构方案的经济性分析。方案一为下部结构采用装配式方案,方案二为下部结构采用现浇方案。建设成本分析如图1 所示。

图1 建设成本分析

装配式桥梁方案(方案一):上部结构建安费为3 583 元/m2,下部结构建安费为1 146 元/m2,基础设施建安费为2 222 元/m2,附属设施建安费为2 117 元/m2,总建安费为9 068 元/m2。

现浇下部结构方案(方案二):下部结构建安费为897 元/m2,总建安费为8 819 元/m2。

与方案二相比,方案一的下部结构建安费增加约28%,桥梁总建安费增加约3%。

3 建设工期的适应性

高速公路改扩建工程具有既有交通流量大、保通需求高的特点。无论是拆除重建桥梁还是拼宽桥梁,桥梁的快速高效建成,对于减小交通影响以及减轻交通导改的压力具有重要意义。

采用装配式下部结构可提高桥梁建设效率,主要体现在以下3 个阶段。

(1) 现场进行桩基、承台、临时工程等施工阶段。预制构件可在预制梁场内同步生产,形成一定的存梁。此外在现场安装墩柱、盖梁期间,预制梁场内同时进行剩余墩柱、盖梁的生产,形成动态平衡,该方式对于施工组织的变化具有较强的适应能力。

(2) 现场进行预制构件安装阶段。采用履带式起重机或汽车起重机,1 台机组每天可以安装12～16 根墩柱或6～8 片盖梁,安装效率较高。

(3) 等强阶段。由于灌浆料采用了高强型、早强型材料,以套筒或波纹管灌浆料为例,24 h 抗压强度≥35 MPa,等强时间短,1 d 后即可进行下一阶段的施工[4-5]。

以横泾河特大桥为例,桥梁全长1.39 km,桥梁全宽42 m,分左右两幅。单幅桥拼宽部分宽7 m,其中上部空心板660 片,盖梁136 榀,墩柱272 根,桩基288 根。横泾河特大桥标准横断面如图2 所示。

图2 横泾河特大桥标准横断面(单位:cm)

横泾河特大桥方案一的建设工期统计如表1 所示,若采用全预制方案,即空心板、墩柱、盖梁预制,承台、桩基现浇,考虑流水作业,按实际施工组织测算,下部结构建设工期约30 d,总建设工期约374 d。

表1 横泾河特大桥方案一的建设工期统计

横泾河特大桥方案二的建设工期统计如表2 所示,若采用半预制方案,即上部结构空心板预制,墩柱、盖梁、承台和桩基现浇,立柱盖梁安排6 个班组同时施工,考虑流水作业,按实际施工组织测算,下部结构建设工期约190 d,总建设工期约503 d。

表2 横泾河特大桥方案二的建设工期统计

由以上分析可知,相比方案二,方案一下部结构建设工期可节省约84%,桥梁总建设工期可节省约26%。

4 建设质量的适应性

高速公路改扩建工程的技术标准高、项目里程长,对于建设质量的要求也较高。

在生产阶段,装配式桥梁预制构件一般在配有各种机械化或自动化设备的大型预制梁场里进行加工,与现浇桥梁相比,在尺寸精度、表观质量、强度和弹性模量等方面能得到较好管控。

在安装阶段,需要统筹多方面因素以提高装配式桥梁的建设质量,相关因素包括有序管理施工人员、规范使用机械设备、合理把控混凝土搅拌和浇筑质量、适时创新工艺工法等。

在管理施工人员方面,实施装配式下部结构方案时通常不需要现场绑扎钢、搭设支架、拼装模板以及浇筑混凝土等,可减少现场施工人员并降低施工风险。

在使用机械设备方面,现场主要进行预制构件的运输、安装以及连接接头的灌浆等施工作业,这部分工作通常由专业人员完成,在设备的使用上可相对专业和规范。

在把控混凝土搅拌、浇筑质量方面,现场主要进行灌浆料的搅拌和灌注,灌浆料一般采用定制化的成熟产品,且灌注量较少,搅拌和浇筑的质量控制效果较好。

在创新工艺工法方面,京沪高速公路改扩建工程为解决选用常规灌浆套筒连接形式时,灌浆质量难以检测的问题,在横泾河特大桥、红兴河高架桥、东平河大桥上均采用新型承插式连接构造。新型承插式连接构造如图3 所示。

图3 新型承插式连接构造(单位:mm)

在性能方面,进行承插深度、尺键形式、灌浆料强度等不同参数、不同工况下的数值模拟及试验研究。部件应力云图如图4 所示,新型承插式连接构造试验研究展示如图5 所示,试件滞回曲线与骨架曲线如图6 所示。

图4 部件应力云图

图5 新型承插式连接构造试验研究展示

图6 试件滞回曲线与骨架曲线

结果表明,新型承插式连接构造在刚度、承载力方面与现浇结构基本一致。

与常规灌浆套筒连接方式所采用的封闭压浆工艺相比,新型承插式连接方式由于采用敞口直灌工艺,灌浆质量可视、可检,便于建设质量的整体把控。

5 结论

本项目依托京沪高速公路新沂至江都段改扩建工程,基于装配式桥梁的特点,对高速公路改扩建工程中装配式桥梁的适应性开展相关研究,结论如下。

(1) 高速公路改扩建工程保通压力大,预制装配技术可有效减少现场施工工作量并缩短施工时间,工程质量更易保证,同时成本可控,相应方案可较好地适应建设质量的要求。

(2) 与现浇方案相比,装配式桥梁下部结构建设成本增加约28%,桥梁总建设成本增加约3%,建设成本总体可控。

(3) 与现浇方案相比,装配式桥梁下部结构建设工期可节省约84%,桥梁总建设工期可节省约26%,相应方案可较好地适应建设工期的要求。

(4) 墩柱-承台的新型承插式连接方式在工作性能上与现浇方案基本一致,实现了灌浆质量的可视、可检,便于建设质量的整体把控。

研究成果可为装配式桥梁在高速公路新建或改扩建工程中的应用和推广提供借鉴。