跨度和施工方法對箱形梁橋施工進度和成本的影響分析

劉立寧

（北京路橋瑞通養護中心，北京 102488）

0 引言

“要想富，先修路”，自古以來，人類社會對交通十分重視。如今，科學技術快速發展，高難度的橋梁已經變得容易起來。在橋梁建設數量大幅增加的當下，為了節約投資和時間，人們提出了許多成本低和工期短的橋梁建設方案[1-2]。在這些方案中，跨度與施工方法是關鍵。在橋梁工程領域，箱形梁橋應用十分廣泛，安全穩定性高，工程的施工效率和質量也備受認可[3-6]。為了進一步提高箱形梁橋的建設效果，本文在研究箱形梁橋結構的基礎上，探討跨度和施工方法對其施工進度和成本的影響。

1 箱形梁橋不同跨度的結構分析

要研究箱形梁橋跨度和施工方法對其施工進度和成本的影響，必須分析箱形梁橋的結構，結構關系到施工方法的選擇。

1.1 幾何形狀、載荷和材料特性

為了對現場澆筑箱形梁和預制分段橋進行合理的比較評估，本文研究了跨度分別為40m、50m、60m、70m 和80m的5座不同的雙跨橋。首先，針對箱形梁橋設計，需考慮其橫截面設計，如圖1所示。該橫截面為一個寬度為10.4m的箱形梁，采用25kN/m的橋護欄荷載和100mm的橋面瀝青厚度?；炷敛牧系奶卣骺箟簭姸葹?0MPa，彈性模量為38GPa，而用于加固的鋼筋具有500MPa的屈服強度和200GPa的彈性模量。針對預應力截面設計，采用超低松弛的七股鋼絞線，每股鋼絞線的直徑為15.24mm，其極限抗拉強度為1860MPa。這些參數用于分析和比較不同跨度的橋梁的性能和成本，以確定哪種設計方法在特定情況下更為經濟和可行。

圖1 箱梁橋面板截面荷載圖

1.2 有限元建模和結果

使用有限元方法進行模擬（如圖2所示），針對10座不同的橋梁，采用雙節點梁單元，每個節點有六個自由度。為了模擬橋梁軸承的實際關節條件，采用彈性連接進行建模，通過在X、Y和Z方向上提供相對的固定性，并將其連接到上部結構來實現，這種方法反映了橋梁軸承的實際工作方式。整體墩柱采用梁單元進行模擬，并通過剛性連接與橋面相連接。底部的整體墩柱在平移和旋轉方向上都被固定，同時考慮了基于樁基礎的基礎剛度。隨后，使用線彈性分析（LEA）來獲得橋梁結構的彎曲和剪切圖，以評估其在不同荷載條件下的性能和穩定性。

圖2 橋梁模型

圖3和圖4分別以橋梁跨度為基礎，展示了與現場澆筑施工和預制施工的相對差異。如圖3所示，40m跨度的現場澆筑施工比預制施工面積小8%，因為預制橋獲得的剪力和彎矩分別比現場澆筑橋的結果高出19%和15%，隨著跨度的增加，差異逐漸減小，直到60m跨度。與80m跨度的預制橋相比，60m跨度的現場澆筑箱形梁的面積要大20%，這意味著使用現場澆筑方案的長跨度橋的橋面和自重將更高，將影響墩柱和基礎的設計，導致大型下部結構尺寸和不太經濟。另一方面，從40～60m跨度的慣性矩保持不變（見圖4）。此后，現場澆筑箱形梁的慣性矩開始增加，直到80m的橋梁跨度比預制箱形梁高出18%。

圖3 跨度長度和施工方法與施工面積關系圖

圖4 跨度長度和施工方法與橫截面慣性關系圖

在現場澆筑橋面中，由于長跨度和橋面的重量以及疊加的自重引起的長期徐變效應，撓度較大是一個常見的問題。然而，慣性減小現象在80m跨度的現場澆筑橋梁中對撓度的影響并不明顯。事實上，根據研究，80m跨度的現場澆筑橋梁中，慣性增益僅占撓度的18%左右，因此對撓度的影響相對較小。對于現澆橋面來說，其重量和長期徐變效應是導致撓度較大的主要原因，因為現澆橋面必須承受橋面自身的重量和疊加的自重，這會導致較大的荷載作用，從而增加橋面的撓度。

相比之下，預制分段施工類型的橋面由于其輕巧的結構和較小的自重，撓度相對較小。針對撓度大的問題，對于80m跨度的橋梁，采用現場澆筑施工類型的橋面往往會出現更大的撓度，為了減小撓度，可以考慮增加結構剛度、優化梁斷面形狀、采用預應力措施等。盡管慣性減小對撓度有一定的影響，但長跨度和現場澆筑橋的重量以及自重引起的長期徐變效應在現場澆筑施工類型的橋面中導致的撓度更大。在橋梁設計和施工過程中，需要綜合考慮并采取相應措施來實現撓度最小化問題。

2 不同類型箱梁橋的成本和施工進度分析

以5個不同跨度的橋梁項目為例，對現場澆筑和預制分段箱形梁橋的成本和施工進度進行估算。為了實現整體成本和施工進度的比較，本文將施工進度的影響轉化為等效成本，并與施工成本估算相結合，以便對現場澆筑和預制分段橋梁進行全面的成本和施工進度的比較和評估，以支持合理的橋梁選擇和決策。

2.1 建筑成本的比較與分析

現澆和預制節段箱梁橋面板的成本對比見表1，由表1可知，現場澆筑橋梁和預制橋梁在成本方面存在一定的差異。從額外成本的角度來看，現場澆筑橋梁的額外成本主要包括模板安裝，而預制橋梁的額外成本則涉及預制場、吊裝起重機和預制段的運輸到施工現場。值得注意的是，現場澆筑橋梁的模板成本約占總成本的22%，而預制橋梁的額外成本約占總成本的16%，這表明現場澆筑橋梁在模板成本方面的支出較高，而預制橋梁在運輸和吊裝等方面的成本相對較低。然而，在材料成本方面，預制橋梁的成本相對較高，這是由于預制橋梁需要使用特殊的預制段材料，并且在生產過程中需要一定的技術工藝和設備，為了彌補其他成本的較低價值，預制橋梁的材料成本可能會相對提高。

表1 現澆和預制節段箱梁橋面板的成本對比

綜合來看，現場澆筑橋梁和預制橋梁在成本上存在一定的權衡和差異，現場澆筑橋梁的優勢在于較低的材料成本和相對較低的額外成本，但模板成本較高。而預制橋梁的優勢在于較低的額外成本，但材料成本較高。因此，在選擇適當的橋梁建造方法時，需要綜合考慮各個因素，并根據具體情況作出權衡決策，以取得最經濟和高效的成本效益。

2.2 施工工期對比分析

結構施工工程的施工時間對施工成本有直接影響，根據橋梁施工的歷史數據，預制分段橋梁的施工進度要比現場澆筑的箱形梁橋短。對于40m跨度的橋梁，現場澆筑的施工時間為9個月，隨著跨度的增加，施工進度也相應增加。對于80m跨度的橋梁，現場澆筑的持續時間為15個月，比40m跨度的橋梁延長了6個月，這是由于在施工過程中，逐步開始和結束的活動限制了現場澆筑橋梁的早期完工。而另一方面，預制橋梁的施工進度相對較短，對于40m跨度的預制橋梁，持續時間為6.5個月，而80m跨度的預制橋梁持續時間為9.5個月，僅增加了3個月，這是因為預制施工可以同時進行多個并行運行的活動，從而縮短了施工進度。

現澆與預制箱梁施工工期見圖5，由圖5可知，現場澆筑橋梁和預制橋梁的施工時間與橋梁的長度呈正比。值得注意的是，現場澆筑橋面的施工進度增長速度快于預制梁，這是現場澆筑橋梁需要進行模板的安裝和拆除以及混凝土工程導致的，而預制施工則可以顯著縮短施工進度。因此，結合施工進度和資本成本的考慮，預制分段橋梁在施工過程中具有明顯的優勢，它能夠通過并行運作的方式減少施工進度，并降低施工資本成本。對于大跨度的橋梁項目來說，預制分段橋梁可以在保證質量的前提下實現快速施工，提高工程的效率和經濟性。

圖5 現澆與預制箱梁施工工期

3 結束語

本文在分析箱形梁橋結構的基礎上，對不同橋梁跨度下現場澆筑與預制分段施工方法對橋梁成本和施工進度的影響進行了對比研究。以5個不同跨度的橋梁項目為例，對現場澆筑和預制分段箱形梁橋的成本和施工進度進行估算。為了實現整體成本和施工進度的比較，將施工進度的影響轉化為等效成本。研究表明，預制分段大跨度橋梁可以在保證質量的前提下實現快速施工，提高工程的效率和經濟性。