Research on technology and economics of prefabricated construction of railway bridge
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摘要: 文章以大瑞(大理—瑞丽)铁路、贵南(贵阳—南宁)铁路建设项目为基础,总结了铁路桥梁装配式拱上钢立柱、桥面系施工工艺流程;通过现场测定,获得人工、材料、机械的单位消耗量统计数据,根据相关计价依据,计算得到装配式拱上钢立柱、桥面系的定额基价,并对比分析了装配式桥面系与现浇桥面系的造价差异性,为铁路桥梁装配式建造计价提供参考。Abstract: Based on the projects of Dali-Ruili railway and Guiyang-Nanning railway, this paper summarizes the construction process of the steel columns on arch bridge and ancillary facilities of bridge deck structures. Through field measurement, the statistcs of unit consumption of labor, materials and machinery are aqcaired. According to the relevant valuation basis, the cost indexes of steel columns and bridge deck system on the fabricated arch are obtained, which are compared and analyzed with those of the cast-in-place bridge deck system so as to provide support for the valuation of railway bridge fabricated construction.
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目前,铁路行业尚无装配式建造施工相关的计价标准。以创建精品工程、智能铁路为目标[1],为落实加大铁路工程建设管理创新、标准创新、技术创新力度,加快形成推动铁路高质量发展的建设标准体系的总体要求,提升铁路工程标准化施工水平,按照“工厂化、机械化、专业化和信息化”[2]的要求,结合铁路装配式建筑结构的推广应用情况,研究铁路桥梁装配式建筑机械化施工水平和劳动生产率的测定,合理确定铁路装配式施工水平及人材机等资源消耗情况。
本文基于铁路装配式建筑标准设计文件,结合大瑞(大理—瑞丽)铁路、贵南(贵阳—南宁)建设项目施工情况,总结铁路桥梁拱上钢立柱、桥面系2类装配式建造技术,对铁路装配式建筑工料机消耗进行经济性分析。
1 装配式建造技术
1.1 桥梁拱上钢立柱工程实例
在我国铁路快速建设的过程中,大跨度钢拱桥不断涌现。大跨度钢拱桥能够克服高山峡谷、河流等地形障碍,在改善线路技术指标、缩短空间距离、提高运营效益等方面具有不可替代的作用[3],与大跨度钢拱桥配套设计的拱上钢立柱也广泛应用于实际工程[4]。
1.1.1 工程概述
本文以大瑞铁路怒江特大桥为例,桥梁全长1 024.2 m,主桥为490 m上承式钢桁拱,全桥桥跨布置为:(7×41)m连续钢混结合梁(大理岸引桥)+(14×37.2)m连续钢箱梁(拱上结构)+(5×41)m连续钢混结合梁(瑞丽岸引桥),如图1所示。
主桥沿拱圈跨中对称布置13个拱上钢立柱,钢立柱总重量5628 t。D7#立柱位于跨中,D1-6#立柱分别对称布置于拱圈左、右两侧,D1#~4#立柱底为分叉式连接构造。
1.1.2 施工工艺流程
大瑞铁路怒江特大桥拱上立柱从跨中开始,对称地在两侧进行安装,即先安装高度较矮的D7#立柱,然后依次对称安装D6#、D5#、D4#、D3#、D2#、D1#立柱;根据立柱重量及结构形式,拱上立柱采用单件吊装与组合吊装相结合的方式进行施工,从跨中D7#立柱依次往D1#立柱进行拼装。
(1)拱上钢立柱D7#(帽梁)的安装:在地面预拼后整体吊装;在帽梁上设置4个吊点,采用与吊耳栓接,再挂设吊带,利用扁担梁起吊。
(2)D5#~D6#拱上钢立柱的安装:采用2组主索先组合吊装上下游内侧,后吊装上下游外侧。
(3)D4#拱上钢立柱的安装:在预拼装长对杆件进行场地焊接组装,接在运输至起吊平台,利用龙门吊对其进行水平旋转调整,再利用长短吊带进行竖直旋转。
(4)D1#、D2#、D3#拱上钢立柱的安装:D1#、D2#、D3#拱上钢立柱吊装方法参照D4#进行,吊装过程中采用缆风固定及刚性连接防护措施,保证立柱吊装安全。
1.1.3 经济性分析
拱上钢立柱施工为竖直接高吊装,同时需要进行转体对位安装,现行的铁路桥梁工程预算定额(TZJ 2002-2017)中没有相应的计价依据。大瑞铁路怒江特大桥拱上钢立柱总重量为2 863.02 t,因此,对其施工工序的人工、材料、机具消耗开展现场测定,根据施工期间各工序的有效施工时间,统计各拱上钢立柱主要工料机消耗量,具体如表1所示。
表 1 拱上钢立柱主要工料机消耗量序号 测定内容 测定总消耗量 每吨消耗量 1 人工/工日 52 192 18.23 2 主要材料 光圆钢筋(HPB300Φ≥10)/kg 8 770 3.063 3 工字钢(Q235-A)/kg 52 500 18.337 4 角钢(Q235-A)/kg 17 055 5.957 5 预应力钢绞线/kg 21 862 7.636 6 高强螺栓(M30)/套 52 151 18.215 7 普通螺栓带帽/kg 3 783 1.321 8 吊带-超高分子量聚乙烯/m 82 0.028 9 主要机具 电动空气压缩机(≤3 m3/min)/台班 444.58 0.155 10 汽车起重机(≤25 t)/台班 598.59 0.209 11 汽车起重机(≤40 t)/台班 566.16 0.198 12 电动葫芦(≤5 t-9 m)/台班 238.00 0.083 13 液压千斤顶(≤200 t)/台班 1 310.00 0.458 14 二氧化碳气体保护焊机(≤500 A)/台班 2 580.38 0.901 15 电动扳手(≤2 000 N)/台班 2 131.33 0.744 16 磁力钻(≤1 100 W)/台班 1 864.67 0.651 根据铁路基本建设工程设计概(预)算费用定额[5]、铁路工程材料基期价格[6]和铁路工程施工机具台班费用定额[7],得到每 t 拱上钢立柱的定额基价为2 813.89 元。
1.2 桥梁装配式桥面系工程实例
高速铁路桥梁桥面系施工周期较长、现浇混凝土工作量大,桥梁装配式桥面系可采取工业化生产,能够提高工程质量,且施工不会受到季节影响,有利于提高施工效率,降低成本,符合我国铁路大力发展绿色桥梁的建设理念[8]。
1.2.1 工程概述
以贵南铁路装配式桥面系为例,装配式桥面系预制块标准块长度为1.98 m,梁端块长度为2.31 m,砂浆垫层厚20 mm,防护墙高度与相邻轨面等高,曲线外侧最大超高为180 mm,CRTSI型双块式无砟轨道直线段防护墙高740 mm,曲线外侧防护墙高度920 mm,桥面系附属设施标准块段横断面,如图2所示。
每块预制构件与梁体翼缘间设置4套金属连接件,由预埋套筒、预埋垫板和连接螺栓等组成。电缆槽内设置向内排水坡,外侧边墙预留栏杆或声屏障接口。
1.2.2 施工工艺流程
(1)装配式桥面系预制件工厂化施工:主要为模板、钢筋、预埋件、综合接地的制作与安装[9]。
(2)装配式桥面系预制件运输:装配式构件采用25 t汽车起重机进行吊装,按每个工作面配置2台平板车进行构件运输,每增加5 km运距增加1台平板车;为确保构件吊装过程无破损,利用构件泄水孔及栏杆螺栓,设计T型吊装工装。
(3)装配式桥面系预制件安装:包括箱梁顶面套筒预埋、梁面凿毛、砂浆垫块砌筑、构件吊装、封边模板安装、灌浆、螺栓孔封堵、防水等。
1.2.3 经济性分析
依据装配式施工桥面系构件设计图和常用跨度梁桥面系附属设施通图(2016)8388A,对350 km/h高速铁路常用跨度直曲双线简支箱梁桥面系的防护墙、竖墙、边墙、电缆槽底板、灌浆孔、梁体预埋套筒、砂浆垫层、连接螺栓及螺栓孔封堵、构件预埋垫板、电缆槽盖板进行装配式桥面系与现浇桥面系工程数量的对比分析,如表2所示。
表 2 预制块工程数量对比表项目名称 直线 曲线 无声屏障 有声屏障 无声屏障 有声屏障 24 m梁 32 m梁 24 m梁 32 m梁 24 m梁 32 m梁 24 m梁 32 m梁 工程数量合计 现浇 钢筋/t 6.01 7.87 9.28 12.13 6.22 8.15 9.50 12.41 混凝土/m3 25.12 33.30 30.76 40.79 26.00 34.46 31.64 41.95 装配式 钢筋/t 4.02 5.34 5.46 7.18 4.63 6.15 6.10 8.04 混凝土/m3 28.81 38.27 32.68 43.18 30.12 40.00 33.89 44.91 差额 钢筋/t −1.98 −2.53 −3.82 −4.95 −1.60 −2.00 −3.39 −4.37 混凝土/m3 3.69 4.97 1.92 2.38 4.12 5.54 2.24 2.96 涨幅 钢筋 −32.9% −32.1% −41.2% −40.8% −25.7% −24.5% −35.7% −35.2% 混凝土 14.7% 14.9% 6.2% 5.8% 15.8% 16.1% 7.1% 7.1% 根据表2中列出的工程数量,计算工厂化预制所需费用;其中,预制块的运输按照10 km计算,与预制块安装费用合计后,同现浇工程进行经济性对比分析,表3列出不同线路状况下,现浇工程和装配式预制块工程的数量和造价。
表 3 现浇工程与预制块工程造价对比表(单位:元) 项目名称 直线 曲线 无声屏障 有声屏障 无声屏障 有声屏障 24 m梁 32 m梁 24 m梁 32 m梁 24 m梁 32 m梁 24 m梁 32 m梁 现浇 2016.3 1990.1 2079.4 2052.0 2915.2 2869.1 2978.3 2931.0 装配式 工厂化预制 1573.1 1566.0 1726.1 1720.6 1941.8 1919.0 2104.5 2083.1 运输 149.2 149.1 149.2 149.1 149.2 149.1 149.2 149.1 预制块安装 1369.4 1370.5 1369.4 1370.5 1375.1 1370.5 1369.4 1370.5 合计 3091.7 3085.6 3244.7 3240.2 3466.0 3438.6 3623.1 3602.7 涨幅 53.3% 55.1% 56.0% 57.9% 18.9% 19.9% 21.7% 22.9% 由表3可知:(1)配式桥面系的工程数量较现浇钢筋用量降幅为24.5%~41.2%,混凝土用量涨幅6.2%~16.1%,从工厂化预制和运输来看,均造价指标均低于现浇;(2)造价指标差异性的主要体现在预制块安装费用占比较大,主要原因是安装预制块的连接螺栓材料单价较高;装配式施工要求工人施工更为精细,工人熟练程度也是影响其差异性的原因之一[10]。
2 结束语
铁路桥涵工程作为铁路工程的重要组成部分,为贯彻我国铁路“节能减排”战略部署和“绿色、环保、节能”建设理念,迫切需要在设计与施工中推广建筑工业化,发展装配式建筑。铁路桥梁装配式建造的技术优势主要体现在:(1)主要构件实现标准化,可在工厂生产,更易于保证质量,且构件轻质高强,运输方便,安装过程消耗较低;(2)可降低粉尘和噪声污染,减少建筑垃圾;(3)施工受季节及环境影响较小,可提高施工效率,缩短工期;(4)机械化程度较高,可减少现场施工人员,降低人工费用;(5)现场成品安装全部采用干作业,可减少施工工序,有效解决铁路沿线施工现场水、电短缺等难题。
通过对大瑞铁路怒江特大桥桥梁拱上钢立柱和贵南铁路装配式桥面系建造工程的测定和研究,可知:铁路桥梁装配式建筑成本仍高于传统现浇混凝土结构,虽然装配式建造具有不少传统建筑无法比拟的优点,但目前受限于装配式构件的安装效率、特殊装配式材料的规模生产等因素,铁路桥梁工程装配式建造技术尚有较大的改善空间。
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表 1 拱上钢立柱主要工料机消耗量
序号 测定内容 测定总消耗量 每吨消耗量 1 人工/工日 52 192 18.23 2 主要材料 光圆钢筋(HPB300Φ≥10)/kg 8 770 3.063 3 工字钢(Q235-A)/kg 52 500 18.337 4 角钢(Q235-A)/kg 17 055 5.957 5 预应力钢绞线/kg 21 862 7.636 6 高强螺栓(M30)/套 52 151 18.215 7 普通螺栓带帽/kg 3 783 1.321 8 吊带-超高分子量聚乙烯/m 82 0.028 9 主要机具 电动空气压缩机(≤3 m3/min)/台班 444.58 0.155 10 汽车起重机(≤25 t)/台班 598.59 0.209 11 汽车起重机(≤40 t)/台班 566.16 0.198 12 电动葫芦(≤5 t-9 m)/台班 238.00 0.083 13 液压千斤顶(≤200 t)/台班 1 310.00 0.458 14 二氧化碳气体保护焊机(≤500 A)/台班 2 580.38 0.901 15 电动扳手(≤2 000 N)/台班 2 131.33 0.744 16 磁力钻(≤1 100 W)/台班 1 864.67 0.651 表 2 预制块工程数量对比表
项目名称 直线 曲线 无声屏障 有声屏障 无声屏障 有声屏障 24 m梁 32 m梁 24 m梁 32 m梁 24 m梁 32 m梁 24 m梁 32 m梁 工程数量合计 现浇 钢筋/t 6.01 7.87 9.28 12.13 6.22 8.15 9.50 12.41 混凝土/m3 25.12 33.30 30.76 40.79 26.00 34.46 31.64 41.95 装配式 钢筋/t 4.02 5.34 5.46 7.18 4.63 6.15 6.10 8.04 混凝土/m3 28.81 38.27 32.68 43.18 30.12 40.00 33.89 44.91 差额 钢筋/t −1.98 −2.53 −3.82 −4.95 −1.60 −2.00 −3.39 −4.37 混凝土/m3 3.69 4.97 1.92 2.38 4.12 5.54 2.24 2.96 涨幅 钢筋 −32.9% −32.1% −41.2% −40.8% −25.7% −24.5% −35.7% −35.2% 混凝土 14.7% 14.9% 6.2% 5.8% 15.8% 16.1% 7.1% 7.1% 表 3 现浇工程与预制块工程造价对比表
(单位:元) 项目名称 直线 曲线 无声屏障 有声屏障 无声屏障 有声屏障 24 m梁 32 m梁 24 m梁 32 m梁 24 m梁 32 m梁 24 m梁 32 m梁 现浇 2016.3 1990.1 2079.4 2052.0 2915.2 2869.1 2978.3 2931.0 装配式 工厂化预制 1573.1 1566.0 1726.1 1720.6 1941.8 1919.0 2104.5 2083.1 运输 149.2 149.1 149.2 149.1 149.2 149.1 149.2 149.1 预制块安装 1369.4 1370.5 1369.4 1370.5 1375.1 1370.5 1369.4 1370.5 合计 3091.7 3085.6 3244.7 3240.2 3466.0 3438.6 3623.1 3602.7 涨幅 53.3% 55.1% 56.0% 57.9% 18.9% 19.9% 21.7% 22.9% -
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