綠色設(shè)計(jì)理念在公路橋梁設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

摘要 公路橋梁在施工的過程中，通常施工周期都比較長，容易對環(huán)境產(chǎn)生影響，且在施工的過程中還會造成資源浪費(fèi)，不符合綠色發(fā)展的要求，因此在當(dāng)前的技術(shù)應(yīng)用中，綠色設(shè)計(jì)理念成為項(xiàng)目關(guān)注的焦點(diǎn)。文章在研究公路橋梁設(shè)計(jì)的過程中融入綠色設(shè)計(jì)理念，采用預(yù)制裝配化綠色建造技術(shù)、懸索橋的組合橋面板技術(shù)等新型技術(shù)，在縮短工期、減少環(huán)境的污染、降低建設(shè)成本以及優(yōu)化公路橋梁結(jié)構(gòu)等方面具有重要作用，滿足公路橋梁綠色設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞 綠色施工;公路橋梁工程;施工技術(shù)

中圖分類號 U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0150-03

引言

綠色設(shè)計(jì)理念在公路橋梁設(shè)計(jì)中具有重要作用，能夠降低對環(huán)境的污染和節(jié)約設(shè)計(jì)成本的同時(shí)，還能滿足公路橋梁設(shè)計(jì)綠色發(fā)展要求[1]。而在公路橋梁設(shè)計(jì)中，實(shí)施預(yù)制裝配化綠色建造技術(shù)、懸索橋的組合橋面板技術(shù)等新型技術(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)創(chuàng)新需求，符合當(dāng)前社會綠色發(fā)展的行業(yè)建設(shè)要求，在公路橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用綠色設(shè)計(jì)理念具有重要意義。

1 預(yù)制裝配式橋梁特點(diǎn)

在當(dāng)前的公路橋梁設(shè)計(jì)中，在條件允許的情況下都會采用原位現(xiàn)澆法施工，在公路橋梁設(shè)計(jì)中現(xiàn)澆法施工能夠發(fā)揮重要的作用，但由于工地普遍存在臟亂現(xiàn)象，而且出現(xiàn)了材料浪費(fèi)和環(huán)境污染等，對城市交通設(shè)施和景觀等帶來不必要的制約因素[2]。在國內(nèi)預(yù)制裝配式橋梁構(gòu)件中，主要分為上下部兩個(gè)結(jié)構(gòu)，在上部結(jié)構(gòu)中，主要涉及預(yù)制小箱梁、鋼箱梁以及預(yù)制節(jié)段箱梁等，而下部結(jié)構(gòu)主要涉及預(yù)制蓋梁以及預(yù)制橋墩等，如圖1所示。

上下部結(jié)構(gòu)應(yīng)用工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝等措施，這種橋梁稱之為“預(yù)制裝配式橋梁”。研究橋梁跨度需要結(jié)合跨徑、道路平曲線形科學(xué)選擇上部結(jié)構(gòu)裝配式構(gòu)件，而構(gòu)件適用范圍主要見表1。下部結(jié)構(gòu)裝配式構(gòu)件分類如表2所示。

預(yù)制裝配式橋梁施工相比于傳統(tǒng)施工，具有綠色可持續(xù)發(fā)展特點(diǎn)，體現(xiàn)在以下方面：一是工廠化預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量及外觀都較優(yōu)異;二是材料和機(jī)械周轉(zhuǎn)投入中能減少80%，降低70%建筑垃圾;三是節(jié)省25%～30%工期，節(jié)約70%人工投入和50%施工用地;四是降低粉塵、噪聲、施工安全等影響，滿足市政交通正常運(yùn)行需求。在公路橋梁設(shè)計(jì)中有較大發(fā)展空間，采用標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、裝配化、信息化、一體化以及智能化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)措施可促進(jìn)預(yù)制裝配式橋梁在發(fā)展中有效應(yīng)用。

2 預(yù)制裝配化建造技術(shù)

2.1 預(yù)制裝配式橋梁上部結(jié)構(gòu)

在節(jié)段拼裝箱梁斷面的選擇中，需要全面分析節(jié)段梁榀數(shù)、運(yùn)輸以及工廠預(yù)制等。在當(dāng)前的節(jié)段拼裝箱梁的斷面形式中，比較常用的是單箱單室，針對變寬的上部結(jié)構(gòu)而言，需要綜合分析箱梁的標(biāo)準(zhǔn)化程度、結(jié)構(gòu)受力等。

2.1.1 節(jié)段分塊

預(yù)制節(jié)段需要滿足流水線、工廠化和模塊化的設(shè)計(jì)要求，遵守結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化和對稱性原則，進(jìn)而設(shè)置劃分節(jié)段和接縫位置，減少梁段種類。研究國外橋梁建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)橋梁的箱梁跨徑為32 m或者40 m時(shí)，單個(gè)箱梁的節(jié)段長度建議保持在2.5～4 m之間，節(jié)段最大預(yù)制重量不能過大，通常保持100～150 t即可。若使用短線法預(yù)制，構(gòu)造設(shè)計(jì)需滿足施工標(biāo)準(zhǔn)[3]。梁節(jié)段曲線半徑較小，縱向長度過長，模板很難應(yīng)用，節(jié)段長度需適當(dāng)減小。

2.1.2 體外預(yù)應(yīng)力

施工工藝具有差異性，節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力體系逐跨拼裝中，須應(yīng)用體外預(yù)應(yīng)力;懸臂拼裝采用混合束以體內(nèi)預(yù)應(yīng)力為主。橋梁建設(shè)中融合體外預(yù)應(yīng)力和節(jié)段施工技術(shù)的項(xiàng)目較多，比如蕪湖長江公路二橋引橋、福建洪塘大橋引橋等，國內(nèi)預(yù)應(yīng)力混合技術(shù)應(yīng)用將該技術(shù)和橋梁節(jié)段梁體外、內(nèi)預(yù)應(yīng)力融合的項(xiàng)目也多，如嘉紹大橋引橋、樂清灣1、2號橋引橋以及崇啟長江大橋引橋等，相關(guān)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

2.1.3 節(jié)段剪力鍵連接技術(shù)

連接技術(shù)滿足預(yù)制節(jié)段高效傳遞剪力和固定節(jié)段相互位置，保障其整體性，需要在預(yù)制拼裝橋梁節(jié)段中設(shè)置好齒塊式剪力鍵。單齒鍵和多齒鍵受力都有優(yōu)越性，當(dāng)前以密鍵形式的剪力鍵為主。剪力鍵設(shè)置需關(guān)注美觀、受力以及施工因素，布置須遵循以下原則：

（1）布置均勻，梯形截面需保持45°傾角，采用的高度和混凝土最大粗骨粒徑相比需大于2倍。

（2）將密鍵形式應(yīng)用到腹板中，需要對腹板全高度布置，保持梁高的75%，采用的剪力鍵橫向?qū)挾戎辽傩枰３指拱鍖挾鹊?5%。

（3）在頂、底板剪力鍵的設(shè)置中，需要應(yīng)用比較大的疏鍵。

（4）預(yù)制節(jié)段體內(nèi)預(yù)應(yīng)力孔道巖及剪力鍵沖突需要科學(xué)處理，節(jié)段厚板較薄可適當(dāng)取消沖突剪力鍵，反之，可以保留，且采用局部減小措施來減小剪力鍵。如圖2所示。

2.2 預(yù)制裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)

2.2.1 下部結(jié)構(gòu)預(yù)制分類

分析橋梁下部結(jié)構(gòu)，由立柱、蓋梁以及承臺和樁基組成。中小跨徑橋墩涉及的混凝土橋墩有單柱、雙柱以及多柱橋墩，為滿足預(yù)制墩柱運(yùn)輸、安裝便利性，采用的預(yù)制立柱須保持在12～17 m之間，立柱重量小于150 t，比如，上海S7公路和鳳翔北路高架橋等項(xiàng)目，低墩都采用整體預(yù)制式的立柱。預(yù)制蓋梁涉及整體、部分、節(jié)段和分段預(yù)制蓋梁[4]。在運(yùn)輸、制作、安裝和質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)效率比較高，應(yīng)用廣泛，能夠在設(shè)置4車道以下的橋面中應(yīng)用，但橋梁高度小于15 m，重量小于200 t。

2.2.2 下部結(jié)構(gòu)連接技術(shù)

通過分析節(jié)段拼裝橋墩連接，發(fā)現(xiàn)主要的連接方式有灌漿波紋鋼管、灌漿套筒、普通混凝土濕接縫以及預(yù)應(yīng)力鋼筋連接等方式，通過對這些方式的應(yīng)用能夠滿足預(yù)制橋墩節(jié)段、墩身、蓋梁與承臺之間的高效連接，而在拼裝環(huán)節(jié)中，有效應(yīng)用環(huán)氧膠或砂墊層進(jìn)行接縫。

3 懸索橋技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 懸索橋組合橋面板技術(shù)

采用新型技術(shù)和材料是橋梁綠色設(shè)計(jì)的重要表現(xiàn)，有效應(yīng)用組合橋面板技術(shù)、懸索橋主纜防腐成套技術(shù)以及樁基重力式復(fù)合基礎(chǔ)等新型技術(shù)和新材料能夠滿足橋梁綠色設(shè)計(jì)需求[5]。需要研究鋼橋面鋪裝以及組合橋梁面板基于解決鋼橋板面疲勞的耐久性問題，提高主橋和橋面鋪裝的壽命，借助縱向全應(yīng)力混凝土橋板面方案，并將該板面和鋼主梁剛性連接來協(xié)調(diào)受力，增加橋面剛度，改善瀝青混凝土橋面鋪裝和主梁連接整體性，須解決以下問題：

（1）鋼梁和混凝土板連接。懸索橋的主梁主要以彎矩受力為主，和斜拉橋主梁有較大差別，為降低主梁重量和鋼材用量，橋面板厚度以18～20 cm為主，參考斜拉橋組合梁構(gòu)造。剪力釘設(shè)置中應(yīng)用鋼梁橫隔板，將混凝土板和剪力釘連接起來。

（2）混凝土橋面板與主梁安裝。綠色設(shè)計(jì)須減少施工時(shí)間，橋面板須分塊預(yù)制，加工廠須將鋼梁和混凝土板連接[6]。結(jié)合纜載吊機(jī)吊裝能力，初步設(shè)置12 m主梁節(jié)段，主梁節(jié)段內(nèi)混凝土橋面板分為8塊預(yù)制，采用濕接縫使鋼梁橫隔板連接成整體。

（3）混凝土橋面板的耐久性。設(shè)置中雖然可采用縱向全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，但橫向也存在拉應(yīng)力，混凝土橋面板并不厚，施工產(chǎn)生的誤差以及材料使用也會導(dǎo)致橋面板應(yīng)力和所計(jì)算的值有誤差，需要采取措施來保障橋梁的使用功能。研究發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用高強(qiáng)度混凝土強(qiáng)化抗拉能力，但須更換混凝土橋面板方案，發(fā)生問題及時(shí)更換。

3.2 樁基重力式復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

以強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化的頁巖、砂巖等基巖為例，巖石承載力較低，基礎(chǔ)形式可選用地下連續(xù)墻，承載能力較好、剛度較大、安全儲備高。這種基礎(chǔ)施工條件差，導(dǎo)致施工工期長，對環(huán)保產(chǎn)生影響，造價(jià)也比較高。因此，采用樁基重力式復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)能解決水平抗滑能力不足問題，借助地基和樁基共同體的承載方式能夠強(qiáng)化主纜荷載水平，降低基礎(chǔ)混凝土的使用，且開挖深度也較小，基地以下為鉆孔樁，能降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 懸索橋主纜耐久性分析

3.3.1 主纜鋼絲

當(dāng)前國內(nèi)懸索橋主纜鋼絲強(qiáng)度最大值為1 770 MPa，比如南京長江第四大橋、虎門二橋和馬鞍山長江大橋等，而在國外超過該強(qiáng)度值，如蔚山哈伯大橋達(dá)到1 960 MPa，墨西拿海峽大橋和韓國光陽大橋都是1 860 MPa。懸索橋主纜鋼絲采用強(qiáng)度為1 770 MPa，能夠強(qiáng)化鋼絲的承載效率，降低材料用量和縮短項(xiàng)目工期，滿足綠色設(shè)計(jì)需求。近年來國外研究出鋅鋁合金鍍層，由于耐腐蝕性強(qiáng)于傳統(tǒng)熱鍍鋅鍍層的5倍，在國內(nèi)外橋梁建設(shè)中都有所應(yīng)用，應(yīng)用該材料增加成本比較小，但可以降低后期維護(hù)成本，能夠體現(xiàn)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、綠色和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

3.3.2 主纜防護(hù)系統(tǒng)

公路橋梁設(shè)計(jì)中，可以應(yīng)用“S型鋼絲+干燥空氣除濕”防護(hù)方案，在主纜鋼絲外部纏繞S型鋼絲，纏絲外部應(yīng)用橡膠纏包帶，在鋼絲內(nèi)部送入干燥空氣[6]。這種方式除了能提高主纜防護(hù)體系密封性之外，還能保護(hù)S型鋼絲，還具有美化橋梁景觀作用。這種方案能去除主纜內(nèi)部水分，保障主纜內(nèi)部空氣濕度，防腐防銹，提高主纜耐久性，提高公路橋梁的壽命。

4 結(jié)語

在公路橋梁設(shè)計(jì)中融入綠色設(shè)計(jì)理念，項(xiàng)目建設(shè)中需要綜合分析施工成本、項(xiàng)目質(zhì)量和環(huán)保問題，針對性實(shí)施綠色設(shè)計(jì)施工技術(shù)。在研究的過程中有效分析預(yù)制裝配化建造技術(shù)和懸索橋技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來的綠色設(shè)計(jì)效果，進(jìn)而提高公路橋梁設(shè)計(jì)水平，能夠滿足新時(shí)代項(xiàng)目綠色建設(shè)需求。

參考文獻(xiàn)

[1]鄢芳華， 曹海順. 下部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝技術(shù)在平原區(qū)高速公路橋梁中的運(yùn)用[J]. 公路， 2020（9）： 137-140.

[2]季文超. 綠色施工背景下的公路橋梁施工技術(shù)[J]. 價(jià)值工程， 2019（29）： 241-242.

[3]唐歡， 鮑學(xué)英， 王起才， 等. 西北寒旱地區(qū)鐵路橋梁綠色施工環(huán)境影響的區(qū)間分析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2018（9）： 72-78.

[4]廖世儼， 魯東福， 李宇航. 公路橋梁設(shè)計(jì)BIM軟件體系與解決方案評價(jià)[J]. 建筑機(jī)械， 2021（9）： 73-76.

[5]周敉， 趙威， 劉陽， 等. 公路橋梁地震設(shè)計(jì)狀況荷載組合分項(xiàng)系數(shù)研究[J]. 中國公路學(xué)報(bào)， 2021（2）： 317-330.

[6]蘇利洪. 公路橋梁工程設(shè)計(jì)中樁基沉降簡析[J]. 價(jià)值工程， 2021（27）： 92-94.

收稿日期：2022-01-25

作者簡介：吳世剛（1963—），男，本科，高級工程師，研究方向：公路橋梁設(shè)計(jì)。