淺談公路橋梁結構的選型

◎ 浙江省安吉縣交通設計室 鄭利娟 周 科 黃 洋

1、前 言

近年來，我國交通事業迅猛發展，橋梁建設出現了空前的繁榮，橋梁技術也突飛猛進，橋梁是隨著經濟發展帶來的交通需要和經濟與科學技術的可能而發展的，它從一個側面反映一個國家生產、經濟與科學技術的發展程度。

2、橋梁常見結構形式

（1）梁橋。梁式橋是最常見而又最基本的橋梁，其力量傳遞的主要特色是橋梁上部結構的荷載垂直的傳至支承，再由支承傳至下部結構，兩個支承之間的橋面必須承受很大的彎矩。目前應用最廣的是簡支梁結構形式的梁橋，這種結構形式簡單，施工方便，對地基承載的要求也不高，通常跨徑在25m以下的橋梁常被采用。

（2）拱橋。拱式橋將拱圈或拱肋作為主要承載結構。這種結構在豎向荷載下，橋墩或橋臺將承受水平推力。拱的彎矩和變形都比較小，主要承受壓力，故拱式橋用磚、石、混凝土和鋼筋混凝土材料建造的比較多。

（3）剛架橋。剛架橋是梁和柱(或豎墻)整體結合的橋梁結構。在豎向移動荷載作用下，梁部主要受彎，柱腳處有水平推力，受力狀態介于梁式橋和拱橋之間。剛架橋一般可采用T形剛架橋、連續剛架橋、斜腿剛架橋三種類型。對于同樣的跨徑，在相同的外力作用下，剛架橋的跨中正彎矩比一般梁式橋要小。根據這一特點，剛架橋跨中的建筑高度就可以做的較小。這在城市中當遇到線路立體交叉或需要跨越通航江河時，采用這種橋型能盡量降低線路標高以改善橋的縱坡，當橋面標高已確定時，它能增加橋下凈空。剛架橋，通常是采用預應力混凝土結構。

（4）斜拉橋。斜拉橋由主梁、塔柱和斜索三種基本構件組成。用高強鋼材制成的斜索將主梁多點吊起，將主梁承受的恒載和車輛荷載傳至塔柱，再由塔柱傳給基礎。它是一種橋面體系(加勁主梁)受壓，支承體系(斜拉索)受拉的結構。工程上通常為了減小梁的截面與自重，常用預應力混凝土代替普通鋼筋混凝土，即預應力混凝土斜拉橋。

斜拉橋根據跨度大小的要求以及經濟上的考慮，可以建成單塔式、雙塔式或多塔式的不同類型。通常的對稱斷面及橋下凈空要求較大時，多采用雙塔式斜拉橋。

3、橋梁的發展與選型

3.1 發展：我國橋梁的橋型具有強烈的時代特征，如50年代的木橋，60～70年代的拱橋，80年代的梁橋，90年代的斜拉橋，20世紀末的懸索橋、立交橋，每個時代橋型的發展均是橋梁結構技術進步的結果。近年來，我國橋梁上部結構，特別是大、中跨徑的橋梁發展很快，并且基本趨于成熟，所以在編制橋型方案時，可供選擇的余地比較大。目前，國內外橋梁主要有以下發展趨勢：（1）跨徑不斷增大。目前，鋼梁、鋼拱的最大跨徑已超過500m，鋼斜拉橋為890m，而鋼懸索橋達1990m。隨著跨江跨海的需要，鋼斜拉橋的跨徑將突破1000m，鋼懸索橋將超過3000m。至于混凝土橋，梁橋的最大跨徑為270m，拱橋已達420m，斜拉橋為530m。（2）橋型不斷豐富。本世紀50～60年代，橋梁技術經歷了一次飛躍：混凝土梁橋懸臂平衡施工法、頂推法和拱橋無支架方法的出現，極大地提高了混凝土橋梁的競爭能力；斜拉橋的涌現和崛起，展示了豐富多彩的內容和極大的生命力；懸索橋采用鋼箱加勁梁，技術上出現新的突破。所有這一切，使橋梁技術得到空前的發展。（3）結構不斷輕型化。懸索橋采用鋼箱加勁梁，斜拉橋在密索體系的基礎上采用開口截面甚至是板，使梁的高跨比大大減少，非常輕穎；拱橋采用少箱甚至拱肋或桁架體系；梁橋采用長懸臂、板件減薄等，這些都使橋梁上部結構越來越輕型化。

2.2 選型：目前，橋梁的選擇都具有強烈的時代特性，比如新結構、新材料、新工藝等，均表現出了時代特性。尤其是大橋、特大橋，常常從她的雄偉壯觀、千姿百態顯示出一個國家的先進技術和生產工藝，更反映出時代精神和當代人的創造力。橋梁設計不能盲目追求美學，首先是解決通行功能，然后才是在技術條件可行的基礎上進行美學優化，這是橋梁設計的基本要求。一個功能不齊全，或令人缺乏安全感的橋梁，當然沒有美感可言。因此，橋梁選型必須滿足橋梁最基本的安全、使用的要求，并在此基礎上對橋梁構成元素進行合理的美學設計。

4、工程案例

3.1 項目概況：湖南某公路橋梁工程，全長約3.5km，該大橋長約3052.66m，北岸接線長253.17m，南岸接線長194.17m。設計荷載：汽車—超20，掛車—120；設計風速56 m/s(百年一遇)；臨界風速105m/s；地震設防烈度為7度。

根據橋址區的地形、地貌、河勢、水文、地質以及航運等條件，對該橋橋型方案進行橋跨總體布置，并作同等深度的比較。橋型方案的研究重點是主橋主孔的橋型、孔跨大小及布置。引橋基本上為一般中等跨經濟梁。橋型方案是在考慮橋址處航道要求、河床地質、河道水文以及建筑造型等綜合因素后提出的。主橋主孔分別采用獨塔混凝土斜拉橋、雙塔混合梁斜拉橋、中承式系桿拱橋、連續梁橋四種橋型進行比選。

3.1 獨塔混凝土斜拉橋方案：橋跨布置為(5×30)+(10×40)+(4×40+30）m簡支轉連續箱梁+（25+25+25）m預應力混凝土連續箱梁+4×40m簡支轉連續箱梁+（260+200）m混凝土斜拉橋+30×40m簡支轉連續箱梁+（53+70+53）m變截面連續箱梁+6×40m簡支轉連續箱梁，橋梁全長3052.66 m。主跨260+200 m，能滿足三級航道設置一主兩副通航孔的要求；主塔布置在淺水區，有一個過渡墩在較深水區，能滿足通航要求。比混合梁斜拉橋少一個主塔，大跨主孔長度短，從造價上看較經濟、合理。

3.2 雙塔混合梁斜拉橋方案：橋跨布置為(5×30)m簡支轉連續箱梁+(10×40)+ (4×40+30）m預應力簡支轉連續箱梁+（25+25+25）m 預應力混凝土連續箱梁+(125+410+125)m混合梁斜拉橋+(29×40)m簡支轉連續箱梁+(53+70+53)m變截面連續箱梁+(6×40)m簡支轉連續箱梁，橋梁全長3052.66 m。主跨一跨過江，410m主跨能滿足三級航道設置一主兩副通航孔的要求；一個塔布置在淺水區，另一個布置在河灘上，避免了深水基礎施工，減少了船舶及流冰的防撞設施；邊跨不通航，從經濟性、實用性角度考慮，采用混合梁方案較適宜。主孔主梁采用鋼梁，邊跨主梁采用混凝土梁；鋼梁和混凝土梁接頭處的結構特性突變，容易形成結構的弱點，處理不當極易出現問題，混凝土梁段受力性能不好。

3.3 中承式系桿拱方案：橋跨布置為(5×30)+(10×40)+ (4×40+30）m預應力簡支轉連續箱梁+（25+25+25）m預應力混凝土連續箱梁+(80+340+80)m中承式系桿拱+33×40m簡支轉連續箱梁+(53+70+53)m連續梁+6×40m簡支轉連續箱梁。橋梁全長3052.66 m。橋跨配合恰當，造型美觀，能滿足三級航道設置一主兩副通航孔的要求，主拱墩設置在淺水區內，既避免了深水基礎施工，又減少了船舶及流冰的防撞設施。主拱肋及主拱行車道系工廠化預制量較大，可大大縮短工期。水平系桿的設置使得拱腳水平力降低，主孔下部工程量相應降低。拱肋施工完畢后，拱上建筑部分的建安工作可借助拱肋吊桿完成。拱肋及橫梁鋼結構構件數量大，加工精度要求高，運輸不方便。

3.4 連續梁方案：橋跨布置為(5×3 0)+(1 0×4 0)+ (4×40+30）m預應力簡支轉連續箱梁+（25+25+25）m預應力混凝土連續箱梁+(97+130+166+130+97)m變截面連續梁+30×40m簡支轉連續箱梁+(53+70+53)m連續梁+6×40m簡支轉連續箱梁。橋梁全長3052.66 m。橋跨配孔比例協調，上下部結構尺寸配合得當，樸實簡潔，橋型均衡勻稱，主跨(130+166+130)m，可滿足通航孔布設要求。橋梁結構動力性能良好，震動小，橋面鋪裝耐久可靠。上部懸臂施工工藝簡單，并可多個橋墩同步開展上部施工，施工工期較短，施工工藝成熟簡單。位于深水江槽的主橋橋墩基礎施工難度較大。

3.5 結論：綜合考慮，連續梁方案雖然造價最低，但存在多個橋墩基礎處于深水中，對通航、排凌和防撞均不利，施工難度也大，且由于連續梁跨徑較大，大噸位支座設計和制造有難度，橋型也缺乏美觀性，不宜采用；系桿拱方案雖然主跨跨徑較大，對通航影響較小，但本項目區域地質條件較差，不太適宜建設拱橋，且該方案施工工序多、技術復雜，工期長，造價高，也不宜采用。斜拉橋方案對通航和排凌有利，其中獨塔斜拉橋方案造價較低。另外，根據湖南省越江通道一橋一景的總體設想，本項目應優先考慮獨塔混凝土斜拉橋方案，因此，獨塔混凝土斜拉橋無論在使用功能、景觀設計、施工條件、施工工期以及工程造價等方面，均有一定優勢，故推薦主孔（260+200）m獨塔混凝土斜拉橋方案。

5、結 語

橋梁設計應考慮橋梁下部結構的安全耐久、滿足使用的要求，兼顧造價。維修養護方便，與周圍景觀相協調等原則。優秀的橋梁建筑總是把橋梁的品質和體現橋梁的美學價值相統一，故，橋梁設計師在考慮橋梁結構的可靠性和經濟要求的同時，也應十分注重橋梁美學價值的提高，以期設計和建設出既滿足強度、剛度、穩定性和經濟性要求，又能滿足人們的審美需要。并與周圍環境和諧統一。