中小跨径装配式梁桥经济性对比分析

张金康，邓文琴，刘 朵，张建东，

(1. 南京市公路事业发展中心，南京 210018； 2. 南京工业大学土木工程学院，南京 211816；3. 苏交科集团股份有限公司，南京 211112)

截至2019年年底，我国公路桥梁总数达87.83万座，其中中小桥梁占比为87%[1]。预计到2030年，我国公路网将再增约40万公里。为满足快速建设的任务需求、提高桥梁的结构质量、减少桥梁在建设过程中对既有交通的不利影响并减轻桥梁后期维护负担，同时降低桥梁建设综合成本，对中小跨径桥梁实行工业化建造是解决相关问题的有效途径[2-3]。

目前我国中小跨径桥梁工业化应用主要集中在传统预应力混凝土梁桥领域，结构形式主要包含空心板梁桥、T梁以及小箱梁等，并根据跨径和桥宽进行分类，编制了相应的标准图集。其中空心板梁桥标准图集跨径集中在10～20 m范围内，T梁和小箱梁标准图集跨径集中在20～40 m范围内[4]。相比而言，钢板组合梁因其自重较轻、材料利用率高以及节能环保等优点，在国外装配式中小跨径桥梁中应用非常广泛，而在我国应用较少[5-7]。冯正霖[8]提出了“六点创新桥梁建设技术”，其中明确指出应改进现有中小跨径桥梁的结构形式和建造工业，发展钢结构与组合结构桥梁来进一步解决现有中小跨径桥梁面临的病害和可靠性问题，中小跨径桥梁应向工业化和标准化方向发展。钢板组合梁结构在组合梁结构体系中材料指标最低，发展该类结构桥梁符合整体发展趋势。

目前国内针对装配式上部结构的研究大部分集中在其力学性能，而影响桥梁选型的因素非常多，包含跨径、自重、曲率半径、经济性、工期、桥址环境、运输条件以及后期养护成本等[9-10]。目前针对各类结构的综合性能对比研究较少，不同类型装配式结构的适用范围也不明确，同时也缺乏相应的量化指标对其适用性进行评价，这会给设计人员在结构选型时造成困扰，因此须对装配式梁桥上部结构的综合性能及适用性进行对比分析。

1 装配式梁桥结构形式

国内既有装配式梁桥结构形式以混凝土梁桥为主，截面形式主要包含空心板梁、T梁和小箱梁3种[11]。其中预应力空心板梁的经济适用跨径为10～20 m，T梁和小箱梁的经济适用跨径为20～40 m。国内装配式混凝土梁桥技术比较成熟，并且已颁布相应标准图集。而装配式钢-混组合梁桥在国内的应用处于起步阶段，相关研究较少，其截面形式主要包含工字钢板组合梁、钢箱组合梁和波形钢板组合梁3种。综合考虑结构形式、加工工艺以及吊装设备等要求，装配式中小跨径梁桥采用钢板组合梁结构较多，因此重点介绍平钢板组合梁桥和波形钢板组合梁桥这2种结构形式。

1.1 装配式平钢板组合梁桥

钢-混组合梁桥的适用跨径为20～80 m，但考虑吊装和运输等条件，一般装配式平钢板组合梁桥的适用跨径宜为20～40 m[12-13]。上部结构主要由钢主梁、横向联结体系、预制桥面板以及抗剪连接件等部分组成。截面形式主要分为双主梁和多主梁2种，装配式平钢板组合梁如图1所示，为提高标准化程度，钢主梁截面宜采用等高度形式。由于工字钢主梁在施工过程中侧向刚度较弱，为防止结构发生失稳等情况，须在钢主梁之间增设横向联结体系，主要采用的横向联结体系为K形桁架或实腹式钢板结构。预制桥面板预留剪力槽口，与钢主梁之间通过群钉连接件进行连接，桥面板之间可采用胶接或后浇湿接缝2种形式。

(a) 双主梁

1.2 装配式波形钢板组合梁桥

波形钢板组合梁桥与传统平钢板组合梁桥的不同之处主要在于其采用波形工字钢代替传统平钢板，其余结构与平钢板组合梁基本一致。与传统平钢板组合梁相比，波形钢板组合梁在构造和受力方面具有优势[14-15]。在构造方面，其腹板采用波纹状处理，腹板加劲肋显著减少，焊接量与焊接成本相应减少，焊接操作难度也相应降低，可消除该部位的焊缝疲劳因子。整个钢梁构件的组成零件数量减少70%以上，组装工艺简化，有利于提升制作效率、控制质量管理缺陷。此外波形钢腹板横向刚度较好，横隔板数量明显减少，可有效减少现场组装工序。在受力方面，波形钢腹板翼缘板横向抗弯强度比传统平钢板组合梁提高数十倍，翼缘板和腹板焊接部位的应力显著降低，抗疲劳性能显著提高；腹板横向刚度提高，桥面板横向作用弯矩有所减小。将装配化快速施工方式应用于该类桥型，可提高桥梁建设速度，减少桥梁建设过程中对交通的干扰以及对环境的不利影响，更加契合桥梁工业化发展理念，在我国推广应用前景较好。波形钢板组合梁如图2所示。

图2 波形钢板组合梁

2 材料用量对比分析

目前国内桥梁规划中一般是根据道路、河流与所规划桥梁的交叉条件、用地获取的限制条件以及结构上的平衡等因素来确定桥梁比例，包括由桥台和桥墩的位置决定的桥的长度和跨距长度等。采用桥跨作为桥梁技术参数的控制指标来推算结构规模，以提高工程概算费用的计算精度。因此在建立桥跨与其对应材料用量等设计值之间的关系时，可综合考虑材料用量的经济性，为桥型优选提供支撑。

为对比分析不同装配式梁桥的经济性，统计并分析了《公路桥涵通用图——装配式预应力混凝土简支T梁桥上部构造》[4]中20～40 m跨径下预制T梁、小箱梁和各设计院发布的20～45 m平钢板组合梁桥相关图集的材料用量数据，3种装配式梁桥材料用量对比如表1所示。采用数据拟合方法得出各结构主要材料与跨径之间的关系表达式，可为设计人员初步设计时快速估算材料用量及造价提供数据支撑。同等跨径下，装配式平钢板组合梁和波形钢板组合梁的材料用量相差不大，因此仅取平钢板组合梁进行对比分析。

表1 3种装配式梁桥材料用量对比

2.1 混凝土用量对比

3种装配式梁桥混凝土用量与跨径关系如图3所示，由图3可知，相比而言预制装配式T梁混凝土用量最大，钢板组合梁混凝土用量最小，且预制装配式T梁和小箱梁混凝土用量随跨径的增大呈线性增长，而钢板组合梁混凝土用量随跨径增长基本保持不变，因为钢板组合梁混凝土用量主要体现在预制桥面板上，而该类桥型桥面板的厚度基本不随跨径改变，即初步设计估算钢板组合梁混凝土用量时，可取0.265 m3/m2进行计算。

图3 3种装配式梁桥混凝土用量与跨径关系

预应力混凝土T梁与跨径的关系表达式如式(1)所示；预应力混凝土小箱梁与跨径的关系表达式如式(2)所示。

y=0.011x+0.21

(1)

y=0.007x+0.214

(2)

2.2 钢材用量对比

3种装配式梁桥钢材用量与跨径关系如图4所示，混凝土T梁和小箱梁钢材用量为普通钢筋和预应力钢筋的用量总和，而钢板组合梁桥钢材用量为桥面板普通钢筋和钢主梁两者叠加。

图4 3种装配式梁桥钢材用量与跨径关系

预应力混凝土T梁钢材用量与跨径的关系表达式如式(3)所示；预应力混凝土小箱梁钢材用量与跨径的关系表达式如式(4)所示；钢板组合梁钢材用量与跨径的关系表达式如式(5)所示。

y=1.155x+101.4

(3)

y=1.590x+56.18

(4)

y=3.147x+151.5

(5)

由图4可知，3种结构钢材用量与跨径之间基本呈线性关系，钢板组合梁钢材用量约为T梁和小箱梁用量的1.5～2.5倍，但考虑钢材回收后钢板组合梁桥的用钢量会大幅降低。

另外对于钢板组合梁桥而言，主梁的数量是影响桥梁用钢量的重要参数。国内已建双主梁桥与多主梁桥用钢量对比如图5所示。由图5可知，同等跨径下，采用多主梁结构的钢材用量稍大于双主梁。同等桥宽下，减少主梁数量则须增加主梁的梁高和厚度等尺寸，且横向刚度也会相应减弱。同时由于主梁间距增大，桥面板跨度增大须增加混凝土厚度和配筋率来提升其承载力。因此，工程中钢板组合梁钢主梁的数量不能仅从钢材用量来确定，应权衡考虑多因素后综合确定合适的主梁数量。

图5 国内已建双主梁桥与多主梁桥用钢量对比

通过统计分析给出3种装配式梁桥结构的材料用量与跨径之间的关系表达式，在确定桥跨和桥宽时，设计人员可根据关系表达式快速算出结构材料用量，从而对桥梁造价进行估算。

3 经济性对比分析

3.1 上部结构材料成本对比

对于装配式桥梁而言，由于预制工艺相差不大，其材料成本是影响整体结构造价的重要因素。土木建材类价格一般会随市场需求不断改变，参考相关工程造价信息网2019年数据初步拟定混凝土、钢板、普通钢筋和预应力筋的单价信息，并根据表1中材料用量统计3种装配式桥梁不同跨径下各主要材料成本，建造材料成本对比如图6所示。由图6可知，钢板组合梁中，钢板成本占总材料成本一半以上，由于钢材价格较高，因此钢板组合梁建设材料成本要高于混凝土T梁和小箱梁。但钢材回收利用率较高，对于钢板组合梁桥而言，钢主梁回收率可达85%，普通钢筋和预应力筋的回收率也有50%，混凝土按不可回收考虑。考虑回收后材料成本对比如图7所示，单位面积材料成本对比如表2所示。由图7和表2可知，考虑材料回收后，装配式钢板组合梁桥材料成本大幅下降，相比预制混凝土T梁和小箱梁具有一定经济优势，且跨径越大，经济优势越明显。

图6 建造材料成本对比

图7 考虑回收后材料成本对比

表2 单位面积材料成本对比

3.2 下部结构材料成本对比

桥梁下部结构尺寸和造价与其上部结构自重直接相关，上部结构自重越大，下部结构造价越高。3种装配式梁桥上部结构单位面积自重与跨径关系如图8所示。由图8可知，同等跨径下混凝土T梁自重最大，钢板组合梁自重最小，且随着跨径的增大，钢板组合梁自重优势更加明显。对于预应力混凝土梁桥而言，下部结构(包含盖梁、墩柱、桩基以及支座等)材料成本占总桥材料成本的30%～40%，而钢板组合梁因其上部结构自重较轻，其下部结构材料成本仅占总桥材料成本的15%～25%，进一步体现了钢板组合梁桥的经济优势。

图8 3种装配式梁桥上部结构单位面积自重与跨径关系

3.3 吊装运输成本对比

对于装配式梁桥而言，工程造价除须考虑材料成本之外，吊装运输成本也应考虑在内。3种装配式梁桥单片梁吊装重量对比如图9所示，其中混凝土T梁和小箱梁考虑单片梁整跨吊装，钢板组合梁桥的钢主梁和桥面板分开吊装。由图9可知，混凝土小箱梁的吊装重量最大，钢板组合梁的吊装重量最小。单片梁吊装重量越小，越可降低对运输和起吊设备的要求、降低吊装难度及风险，从而达到减少造价的目的。

图9 3种装配式梁桥单片梁吊装重量对比

对3种装配式梁桥经济性分析表明，综合考虑材料回收后桥梁上、下部结构材料成本以及吊装运输成本，相比传统的预制混凝土T梁和小箱梁而言，钢板组合梁桥经济优势显著，尤其对于山区吊装运输受限地区，具有较好的应用前景。

4 结论

对比分析了适用于中小跨径桥梁的3种典型装配式梁桥的材料用量和经济性，得出以下结论。

(1) 相比平钢板组合梁而言，装配式波形钢板组合梁无须设置加劲肋，可显著减少钢构件的零件数量，降低焊接工作量，增加钢主梁横向刚度，更有利于提升制作工业化效率，且抗屈曲性能及抗疲劳性能均更好。

(2) 调研统计了几种标准跨径下预制混凝土T梁、小箱梁和装配式钢板组合梁主要材料用量，提出3种装配式梁桥主要材料用量与跨径之间的关系表达式，为设计人员快速进行桥梁初步造价估算提供支撑。

(3) 综合考虑材料自身、运输吊装以及材料回收等成本因素，对比分析3种常见装配式梁桥的经济性，相比传统装配式混凝土梁桥而言，装配式钢板组合梁桥具有材料利用率高、结构自重轻以及全寿命周期经济性较好等优势，具有广泛的应用前景。