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未來的橋梁和立交橋會是循環(huán)設計的。為了加速實現(xiàn)這個目標，需要在施工方面進行許多創(chuàng)新。其中第一步就是改變現(xiàn)有的線性施工順序。對新建的立交橋和橋梁重新使用舊有的預制混凝土梁，不失為一種在循環(huán)經濟方面的創(chuàng)新舉措。

為了驗證這一想法，研究團隊對一座立交橋進行了解構，將已有40年歷史的預制混凝土梁拆開并運送到一個臨時搭建的倉庫里。但需要注意的是，這里并不是將梁體直接粉碎成骨料。之后，又對這些梁體構件進行檢查、修復和改造。最終評估得出的結論是，它們適合在未來的新結構中繼續(xù)使用。重新使用預制梁在技術和經濟上是可行的，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，不同的利益相關者沒有意識到重新使用這些高質量的混凝土梁是可行的，甚至這些梁和柱構件可以在下個世紀繼續(xù)發(fā)揮作用。

據(jù)荷蘭基礎設施和環(huán)境部的統(tǒng)計，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)產生了高達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材料。然而，由于道路工程的減少，對基礎材料的需求也正在減少，預計減少40%。另一方面，預計會產生更多的建筑垃圾，因為越來越多的結構達到其使用壽命的終點。從碾碎的混凝土中回收的骨料也可以用于新混凝土。但是，對于再生骨料混凝土來說，仍然會消耗大量的能源，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)議中設定的目標，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，所有的政府招標都將循環(huán)設計作為主要的原則。荷蘭公共工程機構公布了8個建筑環(huán)境的循環(huán)設計原則（如圖1）。這些原則之間也存在著一個層次結構。

圖1 建筑環(huán)境的循環(huán)設計原則

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%。雖然它們在技術層面上還能再使用幾十年，但由于道路布局的變化，它們已經過時了。當建筑元素在新建筑中被重復使用而不是使用回收骨料時，循環(huán)性可以被提升到一個更高的水平。

荷蘭高速公路網絡平均每年要建造45座新橋梁和立交橋。另一方面，這個網絡中大約有15個現(xiàn)有結構正在被拆除。事實證明，這些被拆除的結構中大約有一半是由預制混凝土梁組成的。這些主梁結構在拆除時的平均年限只有40年，而這些結構的設計年限至少為100年。截至2020年底，高速公路網中共有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)量與建造年份的關系

可以看出，隨著時間的推移，已經發(fā)生了從板式橋到梁式橋的轉變。這是由于現(xiàn)在常見的設計和施工合同中高度重視快速施工，減少對交通阻礙的結果。

據(jù)估計，大約55%的主梁結構是在現(xiàn)場澆筑的倒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

研究團隊認為，重新使用預制預應力混凝土梁在技術和經濟上是可行的，也是可持續(xù)的。然而，沒有證據(jù)表明預制混凝土梁的再利用會降低對環(huán)境的影響和降低客戶的成本。還需確定的原因是，可重復使用的部件并沒有用在新建筑中。

“現(xiàn)有結構不能解構”“剩余的使用壽命無法證明”“結構安全性不夠”等諸多觀點都阻礙著這種循環(huán)設計在土建行業(yè)中的應用。

對于圖3中的三種類型的梁橋，需要采取不同的拆解方案。例如，對于帶有現(xiàn)場澆筑橋面板的倒T形梁，通常這些梁在每個支撐處都由現(xiàn)場澆筑的橫隔梁連接。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)，運輸?shù)酱鎯^(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，一個帶有現(xiàn)澆混凝土橋面板和橫隔梁剩余部分的預制倒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技術示意圖

對于其他類型的橋梁，也采用了同樣的技術方案。在倉庫中，現(xiàn)澆部分從預制梁上分離出來。拆除橋面板時有幾種選擇。最具循環(huán)性的做法是用液壓和氣動破碎機拆除混凝土。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，最快和最經濟的做法是從梁的頂部直接鋸開。當然，這樣一來，所有接口處的鋼筋都會損壞，必須在事后通過鉆孔進行加固。作為一種替代方案，可以采用水力拆除法。這種方法的缺點是，碎片很難回收。為了選擇最佳方案，研究團隊建議進行試點。

根據(jù)歐洲規(guī)范，新結構的設計使用年限是100年。而在以前的設計規(guī)范中,并沒有明確的設計使用壽命規(guī)定?；跉W洲規(guī)范與前荷蘭規(guī)范，設計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，因為必須考慮主梁原有的年齡。另一方面,規(guī)定的混凝土保護層厚度是基于正常強度的現(xiàn)澆混凝土，而不是基于高強度(即大于C55/67)的工廠生產的混凝土。

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

根據(jù)歐洲規(guī)范，高速公路網中新建橋梁的可靠度等級為RC3，β=4,3。前荷蘭規(guī)范中最高的可靠度等級要求β=3,6。這與歐洲規(guī)范的可靠度等級RC2相當，后者要求β=3,8。對于現(xiàn)有結構，荷蘭NEN 8700規(guī)范中增加了附加條文。對于超過15年以上的現(xiàn)有結構的重建，可靠度等級RC3要求β=3,6。對于較新的結構，β=3,8。這相當于以前的規(guī)范和RC2的新設計等級。

對于極限狀態(tài)設計，作用的部分系數(shù)相應改變。除了極限狀態(tài)外，結構還必須滿足疲勞和使用極限狀態(tài)。在這些極限狀態(tài)下，每個可靠度等級的部分系數(shù)都是相同的。在新的設計中，使用極限狀態(tài)和裂縫寬度的要求是普遍適用的?，F(xiàn)有的預應力混凝土梁是按照無張力設計的，以滿足使用極限狀態(tài)下的彎曲。因此，所有的預應力混凝土梁都會滿足當前的裂縫寬度和疲勞要求。

在過去的幾十年里，抗剪承載力的計算公式已經發(fā)生了變化。但是對于單跨預應力構件來說，在彎曲時未開裂區(qū)域的抗剪能力（其中彎曲拉應力小于設計抗拉強度），應受混凝土抗拉強度的限制。這個所謂的抗剪抗拉能力的確定仍然與最早的預應力混凝土設計規(guī)范中的莫爾圓計算方法相同。

混凝土強度隨時間的增加對抗剪能力是有利的?；赗ijkswaterstaat進行的100多次快速剪切掃描，得出的結論是1976年以前設計的所有預制預應力混凝土單跨倒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。假設這些結構也有足夠的抗剪能力。這一點在對這些結構進行的各種結構評估中得到了證實。結論是大多數(shù)現(xiàn)有的預制混凝土梁具有足夠的結構安全性，至少可以滿足可靠度等級RC3的重建要求。在某些情況下，甚至可以滿足RC3對新結構的可靠性水平。除此之外，還研究了梁的跨度是否可以縮短。對于梁的結構安全來說，這被證明是有益的，因為隨著跨度的減小，荷載效應也會減少。如果梁的長度被對稱地縮短，則抗裂鋼筋的作用將會消失。由于混凝土的抗拉強度增加，以及由于收縮、蠕變和松弛造成的預應力損失，裂縫不會發(fā)生。

通過上述的論證，這種循環(huán)使用在技術層面上是可行的，但要實現(xiàn)循環(huán)經濟性，建設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值。承包商必須支付拆除的費用。但混凝土碎塊仍然可以作為基礎材料使用。鋼筋和預應力鋼筋被回收制成新的鐵或鋼。如果一個結構沒有被拆除，而是被重新利用，至少承包商必須為此得到補償。如上所述，解構一個現(xiàn)有的帶現(xiàn)澆橋面板的倒T形梁，要比用常規(guī)的方式拆除花費更多的時間。大部分額外的時間被用來鉆芯，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行，但需要幾天時間。吊起縱梁并把它們放在卡車上也需要一些額外的時間。與拆除相比，需要多出一倍的時間。這些額外的時間對交通造成了影響，因為在吊裝過程中，下面的交通會被終止。從工地現(xiàn)場到儲存區(qū)需要額外的運輸時間。在儲存區(qū)，原有的梁柱部分必須被移除，從而進行常規(guī)檢查和無損檢查，以及小修，并對新結構進行計算和繪圖。當然，儲存區(qū)也不是免費的。此時此刻，這些額外產生的費用還是比生產新梁的費用要少。然而，如果主梁在倉庫里存放多年，這種差異就會變小。如果現(xiàn)有的主梁被一筆勾銷，沒有價值了，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)，情況還會是這樣嗎？

就目前的情況而言，再利用現(xiàn)有的主梁應該對環(huán)境有積極的影響。在荷蘭的招標文件中，通常會獎勵經濟上最有利的投標。這意味著除了建設成本外，還要考慮其他標準。為此，需要計算一個虛構的價格。考慮的標準之一是用DuBoCalc（可持續(xù)建設計算器的縮寫）方法計算環(huán)境成本。DuboCalc計算材料和能源從搖籃到墳墓，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準。還計算了以千克二氧化碳當量為單位的溫室氣體排放和以Sb當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黏結劑含量構成的，則有可能獲得額外的利潤。

為了證明拆卸預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。該天橋為一個單跨結構，由13根原始縱梁和7根臨時用于加寬的梁組成，下方有輕軌穿行。原有的梁已經有40年的歷史，加寬的部分只使用了5年，主要是為了臨時繞行而增加的。由于高速公路的路線調整，該結構已經廢棄多年了。有40年歷史的預制預應力倒T形梁中，只有6根被保存下來免于拆除，并被運送到儲存區(qū)。其余的主梁包括只使用了5年的臨時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，對梁體進行了改造。經過檢查和測試后，這些主梁仍然適合繼續(xù)在新結構中使用。

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構中。有三個可能適合的新結構，其中一個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論是，這些主梁是可以拆卸的，而且結構的安全性足以滿足新的位置。

拆除主梁支撐位置處的橫隔板梁是一項費時費錢的工程。因此，對這些橫隔板梁為什么要澆筑進行了研究。事實證明，這種橫隔板梁的大部分功能都可以被其他構件所取代。建議在再利用的結構和新結構中省去這種現(xiàn)澆的橫隔板梁。這就是前面提到的最高水平的循環(huán)設計建造中的“重新思考需求”，找到非材料的解決方案。因此，新結構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更加可循環(huán)的方式，重復使用應該變得更加常見。當預制梁的功能過時，可以在合同中增加一項要求，即這些主梁不應該被碾壓成骨料。

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

在新橋的設計階段，就應該考慮對現(xiàn)有梁柱的再利用。因為在這個階段，跨度是固定的。通過改變儲存區(qū)可用主梁的跨度，可以將時間和成本降到最低。