基于吊裝運輸條件的預制箱涵結構合理劃分的研究

錢曉彬 ,馮曉楠 ,呂成林 ,田繼源 ,張建東2,

[1.南通繞城高速公路有限公司,南通 226007;2.蘇交科集團股份有限公司,南京 210019;3.中建三局集團(江蘇)有限公司,蘇州215104]

預制箱涵的跨徑最大可達6 m,屬于一種小型橋梁,隨著其在工程中得到大量的推廣應用,面臨的大截面、重載交通等關鍵技術問題也逐漸凸顯[1-3]。因此,相關工程技術人員為解決大截面預制箱涵構件的吊裝運輸問題,進行了輕型化和小型化方面的應用研究。鄒正明[4]在徐明高速公路建設中考慮皖北農業收割機通行的需求,將預制箱涵節段進行標準化設計,共分為4 m×2.7 m、4 m×3.5 m、6 m×3.5 m 和6 m×4 m 4 種規格;其中4 m×2.7 m 規格的箱涵采用全斷面預制,其他3 種規格的箱涵采用上下分塊預制,單個預制構件的吊裝重量不超過20 t,外形尺寸便于公路運輸。預制箱涵的兩種常用結構形式如圖1 所示。

圖1 預制箱涵的兩種常用結構形式

駱強等[5-6]針對上下分塊預制箱涵的連接構造選型、接頭抗彎性能及整體力學性能等方面進行了大量的試驗研究及有限元分析。目前,業內學者多重點針對實際工程的預制箱涵結構及構造進行研究,但針對其標準化縱向節段及橫向截面劃分方面的研究尚較少。

隨著預制箱涵截面尺寸的增大,一方面其單位長度的節段重量增大,導致運輸及吊裝成本增加;另一方面可能導致預制箱涵超出預制構件公路運輸限制條件,帶來諸多不便?，F有工程應用中,往往將預制箱涵結構進行上下或左右分塊預制,或采用頂板及側墻單獨預制、底板現澆工藝。調研過往工程應用發現,預制箱涵采用分塊預制工藝,對其連接構造的制造精度要求更高,且在施工過程中容易出現質量問題。因此,應盡量避免采用箱涵分塊預制工藝。

通過廣泛調研現有規范標準對于箱涵規格尺寸的要求,本文初步提出預制箱涵的標準化截面尺寸;結合超限運輸車輛管理規定、預制箱涵吊裝運輸條件,考慮車輛運輸方式,明確預制箱涵縱向節段及橫向截面的劃分要求,并形成預制箱涵結構合理劃分及運輸方式表格,為預制箱涵的標準化設計與施工提供了數據支撐。

1 預制箱涵結構尺寸標準化研究

依據相關規范和標準[7-11],針對混凝土涵洞或預制箱涵標準跨徑及內高的規定如表1 所示。由表1 可知,現有規范和標準對預制箱涵的規格尺寸要求不統一,無法明確指導工程施工中預制箱涵的結構選型。

表1 針對混凝土涵洞或預制箱涵標準跨徑及內高的規定 (m)

預制箱涵既用于排水,又用于行人、汽車的通行。為便于實現預制箱涵的工業化生產,其規格尺寸不宜過多;同時,當用作通道時,也應滿足《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)中橋涵凈空的規定,預制箱涵用作通道時的橋涵凈空規定如表2 所示。

表2 預制箱涵用作通道時的橋涵凈空規定 (m)

綜合考慮現有規范的相關規定,本文提出,當預制箱涵的跨徑及凈高小于4.0 m 時,應以0.3 m為一個模數增長;在凈高大于等于4.0 m 時,應以0.5 m 為一個模數增長。預制箱涵的壁厚及腋角尺寸應按《預制混凝土箱涵》(JC/T 2456—2018)的相關規定進行設置。

2 預制箱涵公路運輸條件分析

2.1 超限運輸車輛管理規定

根據中華人民共和國交通運輸部于2016 年公布的《超限運輸車輛行駛公路管理規定》,預制箱涵在運輸過程中的寬度方向不能大于2.55 m,為保證一定的安全儲備,建議不大于2.5 m。同時,預制箱涵運輸的總高度不應大于4 m,否則就屬于超限運輸車輛。因此,預制箱涵的結構尺寸不宜過大,否則一旦超限,需要辦理相應手續。

2.2 公路運輸條件分析

關于道路限高標準,現有規范[12-13]規定:高速公路、一級公路、二級公路的凈高應為5.00 m;三級公路、四級公路的凈高應為4.5 m。

根據市場調研,部分掛車車型及外形尺寸如表3 所示,各類型貨車所載貨物尺寸限值如表4 所示。由表3 和表4 可知,除掛車外,其他載重汽車的最大載荷在20 t 之內,如運輸10～20 t 的預制箱涵,則每次只能運輸一個構件或節段,且無法運輸20 t以上的預制箱涵節段。因此,運輸預制箱涵構件或節段時,最好使用掛車;考慮到掛車的載重一般不超過50 t,為保證預制箱涵的運輸效率,每個預制箱涵構件或節段的重量應控制在20～25 t。

表3 部分掛車車型及外形尺寸

表4 各類型貨車所載貨物尺寸限值 (m)

傳統的載重汽車預制構件的最大運輸高度為2.8 m,運輸寬度為2.5 m;而改進的載重汽車預制構件的最大運輸高度為3.75 m,運輸寬度為1.53 m。載重汽車運輸規格示意如圖2 所示。由表4 可知,掛車運輸貨物的總長度限值最長為17.5 m,最短為13 m。

圖2 載重汽車運輸規格示意

綜合考慮掛車對運輸構件尺寸的限制條件,將板車運輸預制箱涵構件的方式總結為3 種,包括橫向臥式擺放、橫向立式擺放以及縱向臥式擺放。預制箱涵掛車運輸過程中的擺放方式如圖3 所示?？紤]超限車輛及運輸車輛條件等因素,提出傳統及改進的載重車輛預制箱涵構件尺寸限值如表5 所示。

表5 傳統及改進的載重車輛預制箱涵構件尺寸限值

圖3 預制箱涵掛車運輸過程中的擺放方式

由表5 可知,針對大截面上下分塊預制箱涵構件,宜采用橫向臥式擺放或立式擺放的方式運輸;而小截面整體預制箱涵構件宜采用縱向臥式擺放的方式運輸。傳統載重車輛適合運輸高度較小、節段長度較大的預制箱涵節段,改進的載重車輛則適合運輸高度較大、節段長度較小的預制箱涵節段。

3 預制箱涵現場吊裝條件分析

吊車的轉動半徑及吊臂伸長決定了吊車的最大起吊重量,因此在吊裝預制箱涵時,需要結合現場吊裝條件及預制節段的重量,選擇合適的吊車規格。預制塊件吊裝示意如圖4 所示。不同規格的吊車臺班單價費用相差較大,因此,在保證施工效率的前提下,選擇最經濟的吊車規格,需要針對吊裝預制箱涵常用的吊車規格及預制節段重量進行施工效率及吊裝成本對比分析,以確定合適的預制節段重量控制。

圖4 預制塊件吊裝示意

調研發現,起重機械車輛的臺班費用隨著其載荷增加而提高,且長期租用的費用可在臨時租用費用的基礎上打7～8 折。因此,預制箱涵載重不宜過大,否則會導致吊裝成本較大。同時,《建筑施工起重吊裝工程安全技術規范》(JGJ 276—2012)規定,起重機械的載荷不應超過其最大載荷的80%。為保證起重機械車輛的載重荷載滿足所有預制箱涵工程的吊裝需求,需要考慮3 倍的安全儲備;2.2 節中提到,預制箱涵構件重量宜為20～25 t,如果采用上下分塊預制工藝,其節段質量應為40～50 t。據此,預制箱涵工程起吊車輛的載荷應為150～187.5 t。

4 預制箱涵結構合理劃分

基于以上研究成果,預制箱涵的凈高宜控制在4 m 以內,預制箱涵構件重量宜控制在20～25 t?！豆泛丛O計規范》(JTG/T 3365-02—2020)規定,現澆混凝土涵洞每單位長度為4～6 m 時應設置一道沉降縫,以防止其不均勻沉降。因此,預制箱涵節段最長尺寸宜為6 m,節段劃分長度宜為1 m、1.5 m、2 m、3 m、6 m。

綜上,提出預制箱涵結構合理劃分結果及運輸方式如表6 所示。

表6 預制箱涵結構合理劃分結果及運輸方式

5 結論

本文根據現行的相關規范和標準,針對預制箱涵的結構尺寸進行調研分析,提出其標準化橫截面規格尺寸,并基于預制箱涵節段公路運輸及現場吊裝情況調研,提出各截面尺寸型式的預制箱涵構件節段長度、截面劃分結果和道路運輸方式。同時,提出預制箱涵縱向節段及橫向截面尺寸劃分要求,包括:預制箱涵凈高宜控制在4 m 以內;預制箱涵構件重量宜控制在20～25 t;預制箱涵構件應滿足運輸尺寸限值要求;預制箱涵節段劃分長度宜為1 m、1.5 m、2 m、3 m、6 m。