擁抱“二次”未來——預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁柱的循環(huán)利用

未來的橋梁和立交橋會(huì)是循環(huán)設(shè)計(jì)的。為了加速實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要在施工方面進(jìn)行許多創(chuàng)新。其中第一步就是改變現(xiàn)有的線性施工順序。對(duì)新建的立交橋和橋梁重新使用舊有的預(yù)制混凝土梁，不失為一種在循環(huán)經(jīng)濟(jì)方面的創(chuàng)新舉措。

為了驗(yàn)證這一想法，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)一座立交橋進(jìn)行了解構(gòu)，將已有40年歷史的預(yù)制混凝土梁拆開并運(yùn)送到一個(gè)臨時(shí)搭建的倉庫里。但需要注意的是，這里并不是將梁體直接粉碎成骨料。之后，又對(duì)這些梁體構(gòu)件進(jìn)行檢查、修復(fù)和改造。最終評(píng)估得出的結(jié)論是，它們適合在未來的新結(jié)構(gòu)中繼續(xù)使用。重新使用預(yù)制梁在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是可行的，其剩余使用壽命至少為100年。而且，可以節(jié)省約44%的二氧化碳當(dāng)量排放，以及約61%的非生物消耗。但這種做法面臨的主要障礙是，不同的利益相關(guān)者沒有意識(shí)到重新使用這些高質(zhì)量的混凝土梁是可行的，甚至這些梁和柱構(gòu)件可以在下個(gè)世紀(jì)繼續(xù)發(fā)揮作用。

從循環(huán)設(shè)計(jì)開始

據(jù)荷蘭基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境部的統(tǒng)計(jì)，荷蘭的土建行業(yè)消耗了大約一半的原材料和40%的能源。土建行業(yè)產(chǎn)生了高達(dá)40%的廢物，以及排放了近35%的二氧化碳。大約97%的建筑垃圾被回收并用作道路的基礎(chǔ)材料。然而，由于道路工程的減少，對(duì)基礎(chǔ)材料的需求也正在減少，預(yù)計(jì)減少40%。另一方面，預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生更多的建筑垃圾，因?yàn)樵絹碓蕉嗟慕Y(jié)構(gòu)達(dá)到其使用壽命的終點(diǎn)。從碾碎的混凝土中回收的骨料也可以用于新混凝土。但是，對(duì)于再生骨料混凝土來說，仍然會(huì)消耗大量的能源，并釋放出大量的廢氣。目前，只有不到3%的建筑垃圾被用于再生骨料混凝土。

荷蘭政府支持混凝土協(xié)議中設(shè)定的目標(biāo)，就是與1990年相比，減少49%的二氧化碳排放，并在2030年將所有混凝土廢料回收利用到新制的混凝土中。此外，從2030年開始，所有的政府招標(biāo)都將循環(huán)設(shè)計(jì)作為主要的原則。荷蘭公共工程機(jī)構(gòu)公布了8個(gè)建筑環(huán)境的循環(huán)設(shè)計(jì)原則（如圖1）。這些原則之間也存在著一個(gè)層次結(jié)構(gòu)。

圖1 建筑環(huán)境的循環(huán)設(shè)計(jì)原則

在荷蘭，混凝土橋梁和立交橋目前因功能原因被拆除的案例約占90%。雖然它們?cè)诩夹g(shù)層面上還能再使用幾十年，但由于道路布局的變化，它們已經(jīng)過時(shí)了。當(dāng)建筑元素在新建筑中被重復(fù)使用而不是使用回收骨料時(shí)，循環(huán)性可以被提升到一個(gè)更高的水平。

荷蘭高速公路網(wǎng)絡(luò)平均每年要建造45座新橋梁和立交橋。另一方面，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中大約有15個(gè)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)正在被拆除。事實(shí)證明，這些被拆除的結(jié)構(gòu)中大約有一半是由預(yù)制混凝土梁組成的。這些主梁結(jié)構(gòu)在拆除時(shí)的平均年限只有40年，而這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)年限至少為100年。截至2020年底，高速公路網(wǎng)中共有1637座橋梁和立交橋，它們的平均使用年限只有25年。

圖2 梁/板類型的橋梁和立交橋數(shù)量與建造年份的關(guān)系

可以看出，隨著時(shí)間的推移，已經(jīng)發(fā)生了從板式橋到梁式橋的轉(zhuǎn)變。這是由于現(xiàn)在常見的設(shè)計(jì)和施工合同中高度重視快速施工，減少對(duì)交通阻礙的結(jié)果。

據(jù)估計(jì)，大約55%的主梁結(jié)構(gòu)是在現(xiàn)場(chǎng)澆筑的倒T形梁（見圖3）。無頂板的箱形梁和采用現(xiàn)澆填充物的倒T形梁分別占橋梁總數(shù)的25%和15%。

圖3 三種梁式橋的類型

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，重新使用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是可行的，也是可持續(xù)的。然而，沒有證據(jù)表明預(yù)制混凝土梁的再利用會(huì)降低對(duì)環(huán)境的影響和降低客戶的成本。還需確定的原因是，可重復(fù)使用的部件并沒有用在新建筑中。

技術(shù)上質(zhì)疑的回應(yīng)

“現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不能解構(gòu)”“剩余的使用壽命無法證明”“結(jié)構(gòu)安全性不夠”等諸多觀點(diǎn)都阻礙著這種循環(huán)設(shè)計(jì)在土建行業(yè)中的應(yīng)用。

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)能不能解構(gòu)

對(duì)于圖3中的三種類型的梁橋，需要采取不同的拆解方案。例如，對(duì)于帶有現(xiàn)場(chǎng)澆筑橋面板的倒T形梁，通常這些梁在每個(gè)支撐處都由現(xiàn)場(chǎng)澆筑的橫隔梁連接。這種橫隔梁的底部配筋由三根直徑25毫米的鋼筋組成，鋼筋通過倒T形梁腹板上的開口進(jìn)行加固。每根梁之間從上到下都有一系列重疊的垂直鉆孔圓柱體(見圖4)，橫隔梁可以被分解成塊。之后，在每根梁之間沿縱向鋸開橋面板，并將縱梁吊裝到卡車上(見圖5)，運(yùn)輸?shù)酱鎯?chǔ)區(qū)域。

圖4 通過橫隔梁鉆取重疊的垂直圓柱體

圖5 解體后將縱梁吊裝到卡車上

如圖6顯示的那樣，通過這種方式，一個(gè)帶有現(xiàn)澆混凝土橋面板和橫隔梁剩余部分的預(yù)制倒T形梁被拆解出來了。

圖6 倒T形梁、現(xiàn)澆混凝土橋面板和橫隔梁的解構(gòu)技術(shù)示意圖

對(duì)于其他類型的橋梁，也采用了同樣的技術(shù)方案。在倉庫中，現(xiàn)澆部分從預(yù)制梁上分離出來。拆除橋面板時(shí)有幾種選擇。最具循環(huán)性的做法是用液壓和氣動(dòng)破碎機(jī)拆除混凝土。較大的混凝土碎塊可以作為再生骨料用于新的橋面板，但這有可能損壞縱梁接口處的鋼筋。然而，最快和最經(jīng)濟(jì)的做法是從梁的頂部直接鋸開。當(dāng)然，這樣一來，所有接口處的鋼筋都會(huì)損壞，必須在事后通過鉆孔進(jìn)行加固。作為一種替代方案，可以采用水力拆除法。這種方法的缺點(diǎn)是，碎片很難回收。為了選擇最佳方案，研究團(tuán)隊(duì)建議進(jìn)行試點(diǎn)。

如何證明剩余使用壽命

根據(jù)歐洲規(guī)范，新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限是100年。而在以前的設(shè)計(jì)規(guī)范中,并沒有明確的設(shè)計(jì)使用壽命規(guī)定?；跉W洲規(guī)范與前荷蘭規(guī)范，設(shè)計(jì)使用壽命可以假定為80～100年。但這并不意味著現(xiàn)有被拆解出來的主梁仍有100年的剩余使用壽命，因?yàn)楸仨毧紤]主梁原有的年齡。另一方面,規(guī)定的混凝土保護(hù)層厚度是基于正常強(qiáng)度的現(xiàn)澆混凝土，而不是基于高強(qiáng)度(即大于C55/67)的工廠生產(chǎn)的混凝土。

為了評(píng)估剩余的使用壽命，研究了不同的鋼筋混凝土惡化機(jī)理。根據(jù)對(duì)不同齡期、不同類型的主梁進(jìn)行試驗(yàn)，預(yù)估腐蝕起始期為1000年左右。換句話說，幾乎沒有腐蝕發(fā)生。

重建后的結(jié)構(gòu)安全性是否足夠

根據(jù)歐洲規(guī)范，高速公路網(wǎng)中新建橋梁的可靠度等級(jí)為RC3，β=4,3。前荷蘭規(guī)范中最高的可靠度等級(jí)要求β=3,6。這與歐洲規(guī)范的可靠度等級(jí)RC2相當(dāng)，后者要求β=3,8。對(duì)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，荷蘭NEN 8700規(guī)范中增加了附加條文。對(duì)于超過15年以上的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的重建，可靠度等級(jí)RC3要求β=3,6。對(duì)于較新的結(jié)構(gòu)，β=3,8。這相當(dāng)于以前的規(guī)范和RC2的新設(shè)計(jì)等級(jí)。

對(duì)于極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，作用的部分系數(shù)相應(yīng)改變。除了極限狀態(tài)外，結(jié)構(gòu)還必須滿足疲勞和使用極限狀態(tài)。在這些極限狀態(tài)下，每個(gè)可靠度等級(jí)的部分系數(shù)都是相同的。在新的設(shè)計(jì)中，使用極限狀態(tài)和裂縫寬度的要求是普遍適用的?，F(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力混凝土梁是按照無張力設(shè)計(jì)的，以滿足使用極限狀態(tài)下的彎曲。因此，所有的預(yù)應(yīng)力混凝土梁都會(huì)滿足當(dāng)前的裂縫寬度和疲勞要求。

在過去的幾十年里，抗剪承載力的計(jì)算公式已經(jīng)發(fā)生了變化。但是對(duì)于單跨預(yù)應(yīng)力構(gòu)件來說，在彎曲時(shí)未開裂區(qū)域的抗剪能力（其中彎曲拉應(yīng)力小于設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度），應(yīng)受混凝土抗拉強(qiáng)度的限制。這個(gè)所謂的抗剪抗拉能力的確定仍然與最早的預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范中的莫爾圓計(jì)算方法相同。

混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間的增加對(duì)抗剪能力是有利的?；赗ijkswaterstaat進(jìn)行的100多次快速剪切掃描，得出的結(jié)論是1976年以前設(shè)計(jì)的所有預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土單跨倒T形梁橋都有足夠的抗剪能力。

在1976年之后，梁的最小剪切配筋率被寫入規(guī)范中。假設(shè)這些結(jié)構(gòu)也有足夠的抗剪能力。這一點(diǎn)在對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行的各種結(jié)構(gòu)評(píng)估中得到了證實(shí)。結(jié)論是大多數(shù)現(xiàn)有的預(yù)制混凝土梁具有足夠的結(jié)構(gòu)安全性，至少可以滿足可靠度等級(jí)RC3的重建要求。在某些情況下，甚至可以滿足RC3對(duì)新結(jié)構(gòu)的可靠性水平。除此之外，還研究了梁的跨度是否可以縮短。對(duì)于梁的結(jié)構(gòu)安全來說，這被證明是有益的，因?yàn)殡S著跨度的減小，荷載效應(yīng)也會(huì)減少。如果梁的長度被對(duì)稱地縮短，則抗裂鋼筋的作用將會(huì)消失。由于混凝土的抗拉強(qiáng)度增加，以及由于收縮、蠕變和松弛造成的預(yù)應(yīng)力損失，裂縫不會(huì)發(fā)生。

需面對(duì)及解決的其他課題

經(jīng)濟(jì)效益待驗(yàn)證

通過上述的論證，這種循環(huán)使用在技術(shù)層面上是可行的，但要實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)性，建設(shè)成本必須與新梁相似，或最好低于新梁。在目前的施工合同中，現(xiàn)有橋梁的混凝土并沒有任何價(jià)值。承包商必須支付拆除的費(fèi)用。但混凝土碎塊仍然可以作為基礎(chǔ)材料使用。鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋被回收制成新的鐵或鋼。如果一個(gè)結(jié)構(gòu)沒有被拆除，而是被重新利用，至少承包商必須為此得到補(bǔ)償。如上所述，解構(gòu)一個(gè)現(xiàn)有的帶現(xiàn)澆橋面板的倒T形梁，要比用常規(guī)的方式拆除花費(fèi)更多的時(shí)間。大部分額外的時(shí)間被用來鉆芯，以拆除縱梁支撐處的橫隔板或橫隔梁。一般來說，這可以在不妨礙交通的情況下進(jìn)行，但需要幾天時(shí)間。吊起縱梁并把它們放在卡車上也需要一些額外的時(shí)間。與拆除相比，需要多出一倍的時(shí)間。這些額外的時(shí)間對(duì)交通造成了影響，因?yàn)樵诘跹b過程中，下面的交通會(huì)被終止。從工地現(xiàn)場(chǎng)到儲(chǔ)存區(qū)需要額外的運(yùn)輸時(shí)間。在儲(chǔ)存區(qū)，原有的梁柱部分必須被移除，從而進(jìn)行常規(guī)檢查和無損檢查，以及小修，并對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和繪圖。當(dāng)然，儲(chǔ)存區(qū)也不是免費(fèi)的。此時(shí)此刻，這些額外產(chǎn)生的費(fèi)用還是比生產(chǎn)新梁的費(fèi)用要少。然而，如果主梁在倉庫里存放多年，這種差異就會(huì)變小。如果現(xiàn)有的主梁被一筆勾銷，沒有價(jià)值了，則上述情況成立。這是目前的情況，但如果重新使用主梁成為常態(tài)，情況還會(huì)是這樣嗎？

對(duì)環(huán)境的積極影響

就目前的情況而言，再利用現(xiàn)有的主梁應(yīng)該對(duì)環(huán)境有積極的影響。在荷蘭的招標(biāo)文件中，通常會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)經(jīng)濟(jì)上最有利的投標(biāo)。這意味著除了建設(shè)成本外，還要考慮其他標(biāo)準(zhǔn)。為此，需要計(jì)算一個(gè)虛構(gòu)的價(jià)格?？紤]的標(biāo)準(zhǔn)之一是用DuBoCalc（可持續(xù)建設(shè)計(jì)算器的縮寫）方法計(jì)算環(huán)境成本。DuboCalc計(jì)算材料和能源從搖籃到墳?zāi)?，或者從提取到拆除和回收階段的所有影響。環(huán)境成本并不是本研究中考慮的唯一標(biāo)準(zhǔn)。還計(jì)算了以千克二氧化碳當(dāng)量為單位的溫室氣體排放和以Sb當(dāng)量為單位的非生物消耗潛能值。如果現(xiàn)澆橋面的混凝土是由再生骨料和高二級(jí)黏結(jié)劑含量構(gòu)成的，則有可能獲得額外的利潤。

實(shí)例驗(yàn)證技術(shù)的可行性

為了證明拆卸預(yù)制混凝土梁是可行的，在阿姆斯特丹南部的A9高速公路上，一座廢棄的過街天橋被拆除。該天橋?yàn)橐粋€(gè)單跨結(jié)構(gòu)，由13根原始縱梁和7根臨時(shí)用于加寬的梁組成，下方有輕軌穿行。原有的梁已經(jīng)有40年的歷史，加寬的部分只使用了5年，主要是為了臨時(shí)繞行而增加的。由于高速公路的路線調(diào)整，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)廢棄多年了。有40年歷史的預(yù)制預(yù)應(yīng)力倒T形梁中，只有6根被保存下來免于拆除，并被運(yùn)送到儲(chǔ)存區(qū)。其余的主梁包括只使用了5年的臨時(shí)加寬梁都被壓成了骨料。在倉庫中，通過拆除原始的受壓翼緣和端部橫隔梁，對(duì)梁體進(jìn)行了改造。經(jīng)過檢查和測(cè)試后，這些主梁仍然適合繼續(xù)在新結(jié)構(gòu)中使用。

目前正在研究的是如何將這些主梁以最佳的方式匹配到新結(jié)構(gòu)中。有三個(gè)可能適合的新結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)是在原址幾公里外的同一條高速公路上，拓寬一座已有40年歷史的大橋。從案例研究中得出的結(jié)論是，這些主梁是可以拆卸的，而且結(jié)構(gòu)的安全性足以滿足新的位置。

尚待商榷的問題

拆除主梁支撐位置處的橫隔板梁是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)錢的工程。因此，對(duì)這些橫隔板梁為什么要澆筑進(jìn)行了研究。事實(shí)證明，這種橫隔板梁的大部分功能都可以被其他構(gòu)件所取代。建議在再利用的結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)中省去這種現(xiàn)澆的橫隔板梁。這就是前面提到的最高水平的循環(huán)設(shè)計(jì)建造中的“重新思考需求”，找到非材料的解決方案。因此，新結(jié)構(gòu)的建造和拆解變得更容易、更快、成本更低。

為了把目前的線性施工流程變成一個(gè)更加可循環(huán)的方式，重復(fù)使用應(yīng)該變得更加常見。當(dāng)預(yù)制梁的功能過時(shí)，可以在合同中增加一項(xiàng)要求，即這些主梁不應(yīng)該被碾壓成骨料。

環(huán)境成本、溫室氣體排放和非生物損耗都應(yīng)被納入新建橋梁的招標(biāo)中。如果這樣做了，預(yù)制梁的再利用就會(huì)更加普遍。

在新橋的設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)該考慮對(duì)現(xiàn)有梁柱的再利用。因?yàn)樵谶@個(gè)階段，跨度是固定的。通過改變儲(chǔ)存區(qū)可用主梁的跨度，可以將時(shí)間和成本降到最低。