基于吊装运输条件的预制箱涵结构合理划分的研究

钱晓彬 ,冯晓楠 ,吕成林 ,田继源 ,张建东2,

[1.南通绕城高速公路有限公司,南通 226007;2.苏交科集团股份有限公司,南京 210019;3.中建三局集团(江苏)有限公司,苏州215104]

预制箱涵的跨径最大可达6 m,属于一种小型桥梁,随着其在工程中得到大量的推广应用,面临的大截面、重载交通等关键技术问题也逐渐凸显[1-3]。因此,相关工程技术人员为解决大截面预制箱涵构件的吊装运输问题,进行了轻型化和小型化方面的应用研究。邹正明[4]在徐明高速公路建设中考虑皖北农业收割机通行的需求,将预制箱涵节段进行标准化设计,共分为4 m×2.7 m、4 m×3.5 m、6 m×3.5 m 和6 m×4 m 4 种规格;其中4 m×2.7 m 规格的箱涵采用全断面预制,其他3 种规格的箱涵采用上下分块预制,单个预制构件的吊装重量不超过20 t,外形尺寸便于公路运输。预制箱涵的两种常用结构形式如图1 所示。

图1 预制箱涵的两种常用结构形式

骆强等[5-6]针对上下分块预制箱涵的连接构造选型、接头抗弯性能及整体力学性能等方面进行了大量的试验研究及有限元分析。目前,业内学者多重点针对实际工程的预制箱涵结构及构造进行研究,但针对其标准化纵向节段及横向截面划分方面的研究尚较少。

随着预制箱涵截面尺寸的增大,一方面其单位长度的节段重量增大,导致运输及吊装成本增加;另一方面可能导致预制箱涵超出预制构件公路运输限制条件,带来诸多不便。现有工程应用中,往往将预制箱涵结构进行上下或左右分块预制,或采用顶板及侧墙单独预制、底板现浇工艺。调研过往工程应用发现,预制箱涵采用分块预制工艺,对其连接构造的制造精度要求更高,且在施工过程中容易出现质量问题。因此,应尽量避免采用箱涵分块预制工艺。

通过广泛调研现有规范标准对于箱涵规格尺寸的要求,本文初步提出预制箱涵的标准化截面尺寸;结合超限运输车辆管理规定、预制箱涵吊装运输条件,考虑车辆运输方式,明确预制箱涵纵向节段及横向截面的划分要求,并形成预制箱涵结构合理划分及运输方式表格,为预制箱涵的标准化设计与施工提供了数据支撑。

1 预制箱涵结构尺寸标准化研究

依据相关规范和标准[7-11],针对混凝土涵洞或预制箱涵标准跨径及内高的规定如表1 所示。由表1 可知,现有规范和标准对预制箱涵的规格尺寸要求不统一,无法明确指导工程施工中预制箱涵的结构选型。

表1 针对混凝土涵洞或预制箱涵标准跨径及内高的规定 (m)

预制箱涵既用于排水,又用于行人、汽车的通行。为便于实现预制箱涵的工业化生产,其规格尺寸不宜过多;同时,当用作通道时,也应满足《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)中桥涵净空的规定,预制箱涵用作通道时的桥涵净空规定如表2 所示。

表2 预制箱涵用作通道时的桥涵净空规定 (m)

综合考虑现有规范的相关规定,本文提出,当预制箱涵的跨径及净高小于4.0 m 时,应以0.3 m为一个模数增长;在净高大于等于4.0 m 时,应以0.5 m 为一个模数增长。预制箱涵的壁厚及腋角尺寸应按《预制混凝土箱涵》(JC/T 2456—2018)的相关规定进行设置。

2 预制箱涵公路运输条件分析

2.1 超限运输车辆管理规定

根据中华人民共和国交通运输部于2016 年公布的《超限运输车辆行驶公路管理规定》,预制箱涵在运输过程中的宽度方向不能大于2.55 m,为保证一定的安全储备,建议不大于2.5 m。同时,预制箱涵运输的总高度不应大于4 m,否则就属于超限运输车辆。因此,预制箱涵的结构尺寸不宜过大,否则一旦超限,需要办理相应手续。

2.2 公路运输条件分析

关于道路限高标准,现有规范[12-13]规定:高速公路、一级公路、二级公路的净高应为5.00 m;三级公路、四级公路的净高应为4.5 m。

根据市场调研,部分挂车车型及外形尺寸如表3 所示,各类型货车所载货物尺寸限值如表4 所示。由表3 和表4 可知,除挂车外,其他载重汽车的最大载荷在20 t 之内,如运输10～20 t 的预制箱涵,则每次只能运输一个构件或节段,且无法运输20 t以上的预制箱涵节段。因此,运输预制箱涵构件或节段时,最好使用挂车;考虑到挂车的载重一般不超过50 t,为保证预制箱涵的运输效率,每个预制箱涵构件或节段的重量应控制在20～25 t。

表3 部分挂车车型及外形尺寸

表4 各类型货车所载货物尺寸限值 (m)

传统的载重汽车预制构件的最大运输高度为2.8 m,运输宽度为2.5 m;而改进的载重汽车预制构件的最大运输高度为3.75 m,运输宽度为1.53 m。载重汽车运输规格示意如图2 所示。由表4 可知,挂车运输货物的总长度限值最长为17.5 m,最短为13 m。

图2 载重汽车运输规格示意

综合考虑挂车对运输构件尺寸的限制条件,将板车运输预制箱涵构件的方式总结为3 种,包括横向卧式摆放、横向立式摆放以及纵向卧式摆放。预制箱涵挂车运输过程中的摆放方式如图3 所示。考虑超限车辆及运输车辆条件等因素,提出传统及改进的载重车辆预制箱涵构件尺寸限值如表5 所示。

表5 传统及改进的载重车辆预制箱涵构件尺寸限值

图3 预制箱涵挂车运输过程中的摆放方式

由表5 可知,针对大截面上下分块预制箱涵构件,宜采用横向卧式摆放或立式摆放的方式运输;而小截面整体预制箱涵构件宜采用纵向卧式摆放的方式运输。传统载重车辆适合运输高度较小、节段长度较大的预制箱涵节段,改进的载重车辆则适合运输高度较大、节段长度较小的预制箱涵节段。

3 预制箱涵现场吊装条件分析

吊车的转动半径及吊臂伸长决定了吊车的最大起吊重量,因此在吊装预制箱涵时,需要结合现场吊装条件及预制节段的重量,选择合适的吊车规格。预制块件吊装示意如图4 所示。不同规格的吊车台班单价费用相差较大,因此,在保证施工效率的前提下,选择最经济的吊车规格,需要针对吊装预制箱涵常用的吊车规格及预制节段重量进行施工效率及吊装成本对比分析,以确定合适的预制节段重量控制。

图4 预制块件吊装示意

调研发现,起重机械车辆的台班费用随着其载荷增加而提高,且长期租用的费用可在临时租用费用的基础上打7～8 折。因此,预制箱涵载重不宜过大,否则会导致吊装成本较大。同时,《建筑施工起重吊装工程安全技术规范》(JGJ 276—2012)规定,起重机械的载荷不应超过其最大载荷的80%。为保证起重机械车辆的载重荷载满足所有预制箱涵工程的吊装需求,需要考虑3 倍的安全储备;2.2 节中提到,预制箱涵构件重量宜为20～25 t,如果采用上下分块预制工艺,其节段质量应为40～50 t。据此,预制箱涵工程起吊车辆的载荷应为150～187.5 t。

4 预制箱涵结构合理划分

基于以上研究成果,预制箱涵的净高宜控制在4 m 以内,预制箱涵构件重量宜控制在20～25 t。《公路涵洞设计规范》(JTG/T 3365-02—2020)规定,现浇混凝土涵洞每单位长度为4～6 m 时应设置一道沉降缝,以防止其不均匀沉降。因此,预制箱涵节段最长尺寸宜为6 m,节段划分长度宜为1 m、1.5 m、2 m、3 m、6 m。

综上,提出预制箱涵结构合理划分结果及运输方式如表6 所示。

表6 预制箱涵结构合理划分结果及运输方式

5 结论

本文根据现行的相关规范和标准,针对预制箱涵的结构尺寸进行调研分析,提出其标准化横截面规格尺寸,并基于预制箱涵节段公路运输及现场吊装情况调研,提出各截面尺寸型式的预制箱涵构件节段长度、截面划分结果和道路运输方式。同时,提出预制箱涵纵向节段及横向截面尺寸划分要求,包括:预制箱涵净高宜控制在4 m 以内;预制箱涵构件重量宜控制在20～25 t;预制箱涵构件应满足运输尺寸限值要求;预制箱涵节段划分长度宜为1 m、1.5 m、2 m、3 m、6 m。