跨度和施工方法对箱形梁桥施工进度和成本的影响分析

刘立宁

（北京路桥瑞通养护中心，北京 102488）

0 引言

“要想富，先修路”，自古以来，人类社会对交通十分重视。如今，科学技术快速发展，高难度的桥梁已经变得容易起来。在桥梁建设数量大幅增加的当下，为了节约投资和时间，人们提出了许多成本低和工期短的桥梁建设方案[1-2]。在这些方案中，跨度与施工方法是关键。在桥梁工程领域，箱形梁桥应用十分广泛，安全稳定性高，工程的施工效率和质量也备受认可[3-6]。为了进一步提高箱形梁桥的建设效果，本文在研究箱形梁桥结构的基础上，探讨跨度和施工方法对其施工进度和成本的影响。

1 箱形梁桥不同跨度的结构分析

要研究箱形梁桥跨度和施工方法对其施工进度和成本的影响，必须分析箱形梁桥的结构，结构关系到施工方法的选择。

1.1 几何形状、载荷和材料特性

为了对现场浇筑箱形梁和预制分段桥进行合理的比较评估，本文研究了跨度分别为40m、50m、60m、70m 和80m的5座不同的双跨桥。首先，针对箱形梁桥设计，需考虑其横截面设计，如图1所示。该横截面为一个宽度为10.4m的箱形梁，采用25kN/m的桥护栏荷载和100mm的桥面沥青厚度。混凝土材料的特征抗压强度为50MPa，弹性模量为38GPa，而用于加固的钢筋具有500MPa的屈服强度和200GPa的弹性模量。针对预应力截面设计，采用超低松弛的七股钢绞线，每股钢绞线的直径为15.24mm，其极限抗拉强度为1860MPa。这些参数用于分析和比较不同跨度的桥梁的性能和成本，以确定哪种设计方法在特定情况下更为经济和可行。

图1 箱梁桥面板截面荷载图

1.2 有限元建模和结果

使用有限元方法进行模拟（如图2所示），针对10座不同的桥梁，采用双节点梁单元，每个节点有六个自由度。为了模拟桥梁轴承的实际关节条件，采用弹性连接进行建模，通过在X、Y和Z方向上提供相对的固定性，并将其连接到上部结构来实现，这种方法反映了桥梁轴承的实际工作方式。整体墩柱采用梁单元进行模拟，并通过刚性连接与桥面相连接。底部的整体墩柱在平移和旋转方向上都被固定，同时考虑了基于桩基础的基础刚度。随后，使用线弹性分析（LEA）来获得桥梁结构的弯曲和剪切图，以评估其在不同荷载条件下的性能和稳定性。

图2 桥梁模型

图3和图4分别以桥梁跨度为基础，展示了与现场浇筑施工和预制施工的相对差异。如图3所示，40m跨度的现场浇筑施工比预制施工面积小8%，因为预制桥获得的剪力和弯矩分别比现场浇筑桥的结果高出19%和15%，随着跨度的增加，差异逐渐减小，直到60m跨度。与80m跨度的预制桥相比，60m跨度的现场浇筑箱形梁的面积要大20%，这意味着使用现场浇筑方案的长跨度桥的桥面和自重将更高，将影响墩柱和基础的设计，导致大型下部结构尺寸和不太经济。另一方面，从40～60m跨度的惯性矩保持不变（见图4）。此后，现场浇筑箱形梁的惯性矩开始增加，直到80m的桥梁跨度比预制箱形梁高出18%。

图3 跨度长度和施工方法与施工面积关系图

图4 跨度长度和施工方法与横截面惯性关系图

在现场浇筑桥面中，由于长跨度和桥面的重量以及叠加的自重引起的长期徐变效应，挠度较大是一个常见的问题。然而，惯性减小现象在80m跨度的现场浇筑桥梁中对挠度的影响并不明显。事实上，根据研究，80m跨度的现场浇筑桥梁中，惯性增益仅占挠度的18%左右，因此对挠度的影响相对较小。对于现浇桥面来说，其重量和长期徐变效应是导致挠度较大的主要原因，因为现浇桥面必须承受桥面自身的重量和叠加的自重，这会导致较大的荷载作用，从而增加桥面的挠度。

相比之下，预制分段施工类型的桥面由于其轻巧的结构和较小的自重，挠度相对较小。针对挠度大的问题，对于80m跨度的桥梁，采用现场浇筑施工类型的桥面往往会出现更大的挠度，为了减小挠度，可以考虑增加结构刚度、优化梁断面形状、采用预应力措施等。尽管惯性减小对挠度有一定的影响，但长跨度和现场浇筑桥的重量以及自重引起的长期徐变效应在现场浇筑施工类型的桥面中导致的挠度更大。在桥梁设计和施工过程中，需要综合考虑并采取相应措施来实现挠度最小化问题。

2 不同类型箱梁桥的成本和施工进度分析

以5个不同跨度的桥梁项目为例，对现场浇筑和预制分段箱形梁桥的成本和施工进度进行估算。为了实现整体成本和施工进度的比较，本文将施工进度的影响转化为等效成本，并与施工成本估算相结合，以便对现场浇筑和预制分段桥梁进行全面的成本和施工进度的比较和评估，以支持合理的桥梁选择和决策。

2.1 建筑成本的比较与分析

现浇和预制节段箱梁桥面板的成本对比见表1，由表1可知，现场浇筑桥梁和预制桥梁在成本方面存在一定的差异。从额外成本的角度来看，现场浇筑桥梁的额外成本主要包括模板安装，而预制桥梁的额外成本则涉及预制场、吊装起重机和预制段的运输到施工现场。值得注意的是，现场浇筑桥梁的模板成本约占总成本的22%，而预制桥梁的额外成本约占总成本的16%，这表明现场浇筑桥梁在模板成本方面的支出较高，而预制桥梁在运输和吊装等方面的成本相对较低。然而，在材料成本方面，预制桥梁的成本相对较高，这是由于预制桥梁需要使用特殊的预制段材料，并且在生产过程中需要一定的技术工艺和设备，为了弥补其他成本的较低价值，预制桥梁的材料成本可能会相对提高。

表1 现浇和预制节段箱梁桥面板的成本对比

综合来看，现场浇筑桥梁和预制桥梁在成本上存在一定的权衡和差异，现场浇筑桥梁的优势在于较低的材料成本和相对较低的额外成本，但模板成本较高。而预制桥梁的优势在于较低的额外成本，但材料成本较高。因此，在选择适当的桥梁建造方法时，需要综合考虑各个因素，并根据具体情况作出权衡决策，以取得最经济和高效的成本效益。

2.2 施工工期对比分析

结构施工工程的施工时间对施工成本有直接影响，根据桥梁施工的历史数据，预制分段桥梁的施工进度要比现场浇筑的箱形梁桥短。对于40m跨度的桥梁，现场浇筑的施工时间为9个月，随着跨度的增加，施工进度也相应增加。对于80m跨度的桥梁，现场浇筑的持续时间为15个月，比40m跨度的桥梁延长了6个月，这是由于在施工过程中，逐步开始和结束的活动限制了现场浇筑桥梁的早期完工。而另一方面，预制桥梁的施工进度相对较短，对于40m跨度的预制桥梁，持续时间为6.5个月，而80m跨度的预制桥梁持续时间为9.5个月，仅增加了3个月，这是因为预制施工可以同时进行多个并行运行的活动，从而缩短了施工进度。

现浇与预制箱梁施工工期见图5，由图5可知，现场浇筑桥梁和预制桥梁的施工时间与桥梁的长度呈正比。值得注意的是，现场浇筑桥面的施工进度增长速度快于预制梁，这是现场浇筑桥梁需要进行模板的安装和拆除以及混凝土工程导致的，而预制施工则可以显著缩短施工进度。因此，结合施工进度和资本成本的考虑，预制分段桥梁在施工过程中具有明显的优势，它能够通过并行运作的方式减少施工进度，并降低施工资本成本。对于大跨度的桥梁项目来说，预制分段桥梁可以在保证质量的前提下实现快速施工，提高工程的效率和经济性。

图5 现浇与预制箱梁施工工期

3 结束语

本文在分析箱形梁桥结构的基础上，对不同桥梁跨度下现场浇筑与预制分段施工方法对桥梁成本和施工进度的影响进行了对比研究。以5个不同跨度的桥梁项目为例，对现场浇筑和预制分段箱形梁桥的成本和施工进度进行估算。为了实现整体成本和施工进度的比较，将施工进度的影响转化为等效成本。研究表明，预制分段大跨度桥梁可以在保证质量的前提下实现快速施工，提高工程的效率和经济性。