拥抱“二次”未来——预制预应力混凝土梁柱的循环利用
混凝土 《桥梁》杂志 2022-11-23
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未来的桥梁和立交桥会是循环设计的。为了加速实现这个目标，需要在施工方面进行许多创新。其中第一步就是改变现有的线性施工顺序。对新建的立交桥和桥梁重新使用旧有的预制混凝土梁，不失为一种在循环经济方面的创新举措。
为了验证这一想法，研究团队对一座立交桥进行了解构，将已有40年历史的预制混凝土梁拆开并运送到一个临时搭建的仓库里。但需要注意的是，这里并不是将梁体直接粉碎成骨料。之后，又对这些梁体构件进行检查、修复和改造。最终评估得出的结论是，它们适合在未来的新结构中继续使用。重新使用预制梁在技术和经济上是可行的，其剩余使用寿命至少为100年。而且，可以节省约44%的二氧化碳当量排放，以及约61%的非生物消耗。但这种做法面临的主要障碍是，不同的利益相关者没有意识到重新使用这些高质量的混凝土梁是可行的，甚至这些梁和柱构件可以在下个世纪继续发挥作用。
从循环设计开始
据荷兰基础设施和环境部的统计，荷兰的土建行业消耗了大约一半的原材料和40%的能源。土建行业产生了高达40%的废物，以及排放了近35%的二氧化碳。大约97%的建筑垃圾被回收并用作道路的基础材料。然而，由于道路工程的减少，对基础材料的需求也正在减少，预计减少40%。另一方面，预计会产生更多的建筑垃圾，因为越来越多的结构达到其使用寿命的终点。从碾碎的混凝土中回收的骨料也可以用于新混凝土。但是，对于再生骨料混凝土来说，仍然会消耗大量的能源，并释放出大量的废气。目前，只有不到3%的建筑垃圾被用于再生骨料混凝土。
荷兰政府支持混凝土协议中设定的目标，就是与1990年相比，减少49%的二氧化碳排放，并在2030年将所有混凝土废料回收利用到新制的混凝土中。此外，从2030年开始，所有的政府招标都将循环设计作为主要的原则。荷兰公共工程机构公布了8个建筑环境的循环设计原则（如图1）。这些原则之间也存在着一个层次结构。
图1 建筑环境的循环设计原则
在荷兰，混凝土桥梁和立交桥目前因功能原因被拆除的案例约占90%。虽然它们在技术层面上还能再使用几十年，但由于道路布局的变化，它们已经过时了。当建筑元素在新建筑中被重复使用而不是使用回收骨料时，循环性可以被提升到一个更高的水平。
荷兰高速公路网络平均每年要建造45座新桥梁和立交桥。另一方面，这个网络中大约有15个现有结构正在被拆除。事实证明，这些被拆除的结构中大约有一半是由预制混凝土梁组成的。这些主梁结构在拆除时的平均年限只有40年，而这些结构的设计年限至少为100年。截至2020年底，高速公路网中共有1637座桥梁和立交桥，它们的平均使用年限只有25年。
图2 梁/板类型的桥梁和立交桥数量与建造年份的关系
可以看出，随着时间的推移，已经发生了从板式桥到梁式桥的转变。这是由于现在常见的设计和施工合同中高度重视快速施工，减少对交通阻碍的结果。
据估计，大约55%的主梁结构是在现场浇筑的倒T形梁（见图3）。无顶板的箱形梁和采用现浇填充物的倒T形梁分别占桥梁总数的25%和15%。
图3 三种梁式桥的类型
研究团队认为，重新使用预制预应力混凝土梁在技术和经济上是可行的，也是可持续的。然而，没有证据表明预制混凝土梁的再利用会降低对环境的影响和降低客户的成本。还需确定的原因是，可重复使用的部件并没有用在新建筑中。
技术上质疑的回应
“现有结构不能解构”“剩余的使用寿命无法证明”“结构安全性不够”等诸多观点都阻碍着这种循环设计在土建行业中的应用。
现有结构能不能解构
对于图3中的三种类型的梁桥，需要采取不同的拆解方案。例如，对于带有现场浇筑桥面板的倒T形梁，通常这些梁在每个支撑处都由现场浇筑的横隔梁连接。这种横隔梁的底部配筋由三根直径25毫米的钢筋组成，钢筋通过倒T形梁腹板上的开口进行加固。每根梁之间从上到下都有一系列重叠的垂直钻孔圆柱体(见图4)，横隔梁可以被分解成块。之后，在每根梁之间沿纵向锯开桥面板，并将纵梁吊装到卡车上(见图5)，运输到存储区域。
图4 通过横隔梁钻取重叠的垂直圆柱体
图5 解体后将纵梁吊装到卡车上
如图6显示的那样，通过这种方式，一个带有现浇混凝土桥面板和横隔梁剩余部分的预制倒T形梁被拆解出来了。
图6 倒T形梁、现浇混凝土桥面板和横隔梁的解构技术示意图
对于其他类型的桥梁，也采用了同样的技术方案。在仓库中，现浇部分从预制梁上分离出来。拆除桥面板时有几种选择。最具循环性的做法是用液压和气动破碎机拆除混凝土。较大的混凝土碎块可以作为再生骨料用于新的桥面板，但这有可能损坏纵梁接口处的钢筋。然而，最快和最经济的做法是从梁的顶部直接锯开。当然，这样一来，所有接口处的钢筋都会损坏，必须在事后通过钻孔进行加固。作为一种替代方案，可以采用水力拆除法。这种方法的缺点是，碎片很难回收。为了选择最佳方案，研究团队建议进行试点。
如何证明剩余使用寿命
根据欧洲规范，新结构的设计使用年限是100年。而在以前的设计规范中,并没有明确的设计使用寿命规定。基于欧洲规范与前荷兰规范，设计使用寿命可以假定为80～100年。但这并不意味着现有被拆解出来的主梁仍有100年的剩余使用寿命，因为必须考虑主梁原有的年龄。另一方面,规定的混凝土保护层厚度是基于正常强度的现浇混凝土，而不是基于高强度(即大于C55/67)的工厂生产的混凝土。
为了评估剩余的使用寿命，研究了不同的钢筋混凝土恶化机理。根据对不同龄期、不同类型的主梁进行试验，预估腐蚀起始期为1000年左右。换句话说，几乎没有腐蚀发生。
重建后的结构安全性是否足够
根据欧洲规范，高速公路网中新建桥梁的可靠度等级为RC3，β=4,3。前荷兰规范中最高的可靠度等级要求β=3,6。这与欧洲规范的可靠度等级RC2相当，后者要求β=3,8。对于现有结构，荷兰NEN 8700规范中增加了附加条文。对于超过15年以上的现有结构的重建，可靠度等级RC3要求β=3,6。对于较新的结构，β=3,8。这相当于以前的规范和RC2的新设计等级。
对于极限状态设计，作用的部分系数相应改变。除了极限状态外，结构还必须满足疲劳和使用极限状态。在这些极限状态下，每个可靠度等级的部分系数都是相同的。在新的设计中，使用极限状态和裂缝宽度的要求是普遍适用的。现有的预应力混凝土梁是按照无张力设计的，以满足使用极限状态下的弯曲。因此，所有的预应力混凝土梁都会满足当前的裂缝宽度和疲劳要求。
在过去的几十年里，抗剪承载力的计算公式已经发生了变化。但是对于单跨预应力构件来说，在弯曲时未开裂区域的抗剪能力（其中弯曲拉应力小于设计抗拉强度），应受混凝土抗拉强度的限制。这个所谓的抗剪抗拉能力的确定仍然与最早的预应力混凝土设计规范中的莫尔圆计算方法相同。
混凝土强度随时间的增加对抗剪能力是有利的。基于Rijkswaterstaat进行的100多次快速剪切扫描，得出的结论是1976年以前设计的所有预制预应力混凝土单跨倒T形梁桥都有足够的抗剪能力。
在1976年之后，梁的最小剪切配筋率被写入规范中。假设这些结构也有足够的抗剪能力。这一点在对这些结构进行的各种结构评估中得到了证实。结论是大多数现有的预制混凝土梁具有足够的结构安全性，至少可以满足可靠度等级RC3的重建要求。在某些情况下，甚至可以满足RC3对新结构的可靠性水平。除此之外，还研究了梁的跨度是否可以缩短。对于梁的结构安全来说，这被证明是有益的，因为随着跨度的减小，荷载效应也会减少。如果梁的长度被对称地缩短，则抗裂钢筋的作用将会消失。由于混凝土的抗拉强度增加，以及由于收缩、蠕变和松弛造成的预应力损失，裂缝不会发生。
需面对及解决的其他课题
经济效益待验证
通过上述的论证，这种循环使用在技术层面上是可行的，但要实现循环经济性，建设成本必须与新梁相似，或最好低于新梁。在目前的施工合同中，现有桥梁的混凝土并没有任何价值。承包商必须支付拆除的费用。但混凝土碎块仍然可以作为基础材料使用。钢筋和预应力钢筋被回收制成新的铁或钢。如果一个结构没有被拆除，而是被重新利用，至少承包商必须为此得到补偿。如上所述，解构一个现有的带现浇桥面板的倒T形梁，要比用常规的方式拆除花费更多的时间。大部分额外的时间被用来钻芯，以拆除纵梁支撑处的横隔板或横隔梁。一般来说，这可以在不妨碍交通的情况下进行，但需要几天时间。吊起纵梁并把它们放在卡车上也需要一些额外的时间。与拆除相比，需要多出一倍的时间。这些额外的时间对交通造成了影响，因为在吊装过程中，下面的交通会被终止。从工地现场到储存区需要额外的运输时间。在储存区，原有的梁柱部分必须被移除，从而进行常规检查和无损检查，以及小修，并对新结构进行计算和绘图。当然，储存区也不是免费的。此时此刻，这些额外产生的费用还是比生产新梁的费用要少。然而，如果主梁在仓库里存放多年，这种差异就会变小。如果现有的主梁被一笔勾销，没有价值了，则上述情况成立。这是目前的情况，但如果重新使用主梁成为常态，情况还会是这样吗？
对环境的积极影响
就目前的情况而言，再利用现有的主梁应该对环境有积极的影响。在荷兰的招标文件中，通常会奖励经济上最有利的投标。这意味着除了建设成本外，还要考虑其他标准。为此，需要计算一个虚构的价格。考虑的标准之一是用DuBoCalc（可持续建设计算器的缩写）方法计算环境成本。DuboCalc计算材料和能源从摇篮到坟墓，或者从提取到拆除和回收阶段的所有影响。环境成本并不是本研究中考虑的唯一标准。还计算了以千克二氧化碳当量为单位的温室气体排放和以Sb当量为单位的非生物消耗潜能值。如果现浇桥面的混凝土是由再生骨料和高二级黏结剂含量构成的，则有可能获得额外的利润。
实例验证技术的可行性
为了证明拆卸预制混凝土梁是可行的，在阿姆斯特丹南部的A9高速公路上，一座废弃的过街天桥被拆除。该天桥为一个单跨结构，由13根原始纵梁和7根临时用于加宽的梁组成，下方有轻轨穿行。原有的梁已经有40年的历史，加宽的部分只使用了5年，主要是为了临时绕行而增加的。由于高速公路的路线调整，该结构已经废弃多年了。有40年历史的预制预应力倒T形梁中，只有6根被保存下来免于拆除，并被运送到储存区。其余的主梁包括只使用了5年的临时加宽梁都被压成了骨料。在仓库中，通过拆除原始的受压翼缘和端部横隔梁，对梁体进行了改造。经过检查和测试后，这些主梁仍然适合继续在新结构中使用。
目前正在研究的是如何将这些主梁以最佳的方式匹配到新结构中。有三个可能适合的新结构，其中一个是在原址几公里外的同一条高速公路上，拓宽一座已有40年历史的大桥。从案例研究中得出的结论是，这些主梁是可以拆卸的，而且结构的安全性足以满足新的位置。
尚待商榷的问题
拆除主梁支撑位置处的横隔板梁是一项费时费钱的工程。因此，对这些横隔板梁为什么要浇筑进行了研究。事实证明，这种横隔板梁的大部分功能都可以被其他构件所取代。建议在再利用的结构和新结构中省去这种现浇的横隔板梁。这就是前面提到的最高水平的循环设计建造中的“重新思考需求”，找到非材料的解决方案。因此，新结构的建造和拆解变得更容易、更快、成本更低。
为了把目前的线性施工流程变成一个更加可循环的方式，重复使用应该变得更加常见。当预制梁的功能过时，可以在合同中增加一项要求，即这些主梁不应该被碾压成骨料。
环境成本、温室气体排放和非生物损耗都应被纳入新建桥梁的招标中。如果这样做了，预制梁的再利用就会更加普遍。
在新桥的设计阶段，就应该考虑对现有梁柱的再利用。因为在这个阶段，跨度是固定的。通过改变储存区可用主梁的跨度，可以将时间和成本降到最低。
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