支線上跨梁橋合理結構形式研究

梅 容， 汪 蓮

(合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230000)

合寧高速公路隴西至周莊改擴建工程為原合寧高速公路的一部分，原合寧高速公路為雙向4車道，改擴建為8車道的過程中，沿線的34座支線上跨橋面臨改造。本文通過研究T形梁、小箱梁、鋼板組合梁3種方案的特點，尋求高速公路支線上跨這種條件下的最合適結構形式。

1 比選方案及主要參數

高速公路主線是雙向8車道，路基寬42m，立面采用2×30m的兩跨連續梁結構形式，支線多為雙向2車道二級公路，支線上跨橋橋寬為12m。結合現階段我國30m跨徑常用裝配式梁橋形式，擬在T形梁、小箱梁、鋼板組合梁3種結構方案中展開研究。3種結構形式橫斷面分布示意圖如圖1所示。

圖1 3種結構形式斷面圖

T形梁高2m,斷面含5片T梁，中梁預制寬度1.7m，邊梁預制寬1.9m，馬蹄底寬0.5m，每跨5道隔梁。小箱梁高1.6m，肋間距2.9m,中梁預制寬度2.4m，邊梁預制寬度3.05m,每跨3道橫隔梁。鋼板組合梁下部為工字型鋼梁高1.1m,下翼緣寬度1m，上翼緣寬度0.8m，腹板與翼緣板變寬，每跨設置3道橫梁，橋面板為現澆。

2 方案比較

2.1 截面特性

結構的截面特性中的幾個主要指標：截面積、抗彎慣性矩、橫彎慣性矩、抗扭慣性矩。截面積和吊裝質量能直接影響到預制安裝的運輸、起吊過程，截面積越大，吊裝的穩定性會下降。抗彎慣性矩與截面抗彎系數是梁橋最主要的截面參數，反應了主梁承受彎矩的能力。橫彎慣性矩反應了結構承受橫向彎矩的能力，橫彎慣性矩過小，則在梁體搬運、安裝時對梁的狀態要求更高，以方式橫向應力導致的破壞。考慮到各主梁間是通過濕接縫、橫梁或現澆橋面板連接，橫向剛度有限，故不能用整個截面計算特征值，3種形式的每片梁截面特征值如表1所列。

表1 3種截面中梁特征值

由表1可見T梁抗彎能力最強，鋼板組合梁起吊重量最小，箱梁抗扭慣性矩最大，安裝成橋的穩定性最好。從施工角度來說，鋼板組合梁優勢最大；T梁的吊裝穩定性最差。

2.2 外觀美學分析

在橋梁美學中，橋梁與環境的融合程度占很大比重[2]，作為高速公路的上跨橋，外觀主要是相對主線而言，主線上行車人的第一直觀感受決定著美學優劣。3種橋型中，T梁梁高2m、箱梁梁高1.6m、鋼板組合梁梁高1.4m,在空間上T梁會顯得笨重、壓抑，鋼板組合梁則更輕盈、柔美。混凝土橋會因顏色的單一，而讓人感到乏味，增加了行車疲勞感，鋼板組合梁橋中，下部型鋼部分有1.1m高，占立面上的大部分空間，因為是型鋼可以按環境要求有色涂裝，與環境能更好的融合。

在主梁數量上，T梁有5道主梁，小箱梁有4道主梁，鋼板組合梁有3道主梁；在橫梁數量上，每跨T梁有5道橫隔梁，小箱梁有3道橫隔梁，鋼板組合梁有3道橫梁，而且中橫梁尺寸比端橫梁小得多。經過上跨橋下部時，T梁會因為橫梁、縱梁數目眾多而讓人覺得雜亂，鋼板組合梁著簡約明了的多。相比混凝土橋的下部受力局限性，鋼板組合梁可以將外邊兩道主梁橫橋方向設計為懸挑，支座通過加勁肋設置在橫梁上，進一步減小中墩尺寸，增加空間上的通透感。

2.3 剛度

橋梁剛度在一定程度上反應了結構的抗變形能力，剛度過小，意味著在活載情況下，橋梁的變形范圍很大，會增大動荷載因素，同時也對橋梁的耐久、橋面的鋪裝和行車的舒適程度造成不利影響。表2是各橋型在移動荷載下(橋面為雙向兩車道)的跨中下撓值。

表2 各形式橋梁移動荷載下的跨中下撓值

由表2可知，T梁橋跨中下撓范圍最小，鋼板組合梁下撓范圍最大，反應出，T梁橋整體剛度最大，鋼板組合梁剛度最小。

2.4 支反力與承載力

對比3種橋梁在10年徐變的施工狀態下的豎向反力值，將邊支座與中支座各反力進行合并，如表3所列。

表3 各形式橋梁反力值 kN

由表3可知，T梁邊支座反力約為鋼板組合梁2倍；小箱梁支座反力為鋼板組合梁1.5倍，中支座中反力相差不大，T梁最小，鋼板組合梁最大；從反力分布看出，鋼板組合梁的豎向受力中中墩的所占比例最大，T梁最小，所以在設計相應墩臺時，鋼板組合梁中墩的強度要求高于橋臺。對比豎向總反力，T梁顯得冗重，而鋼板組合梁輕質的特點得到顯現。

利用Midas civil有限元模型，計算出3種橋型在均布外荷載下的恒載工況構件關鍵部位應力。對于T梁橋與小箱梁橋，以混凝土下翼緣出現受拉區(出現拉應力)或混凝土收壓區達到強度設計值(23.1Mpa)作為極限狀態；對于鋼板組合梁，因為是無預應力構件，以鋼梁拉應力達到強度設計值或橋面板混凝土達到抗壓強度設計值(310Mpa)作為衡量標準。發現單幅橋T梁承載力約為980t,小箱梁約為480t，鋼板組合梁為500t。

因此3種結構形式中T梁承載力最高、鋼板組合梁與小箱梁差不多，3種橋梁均能通過承載力驗算，T梁承載力富余度最大。

圖2 3種橋型承載力圖

2.5 經濟性

橋梁生命周期包括施工期、服役期和老化期3個階段。橋梁的全壽命周期成本即是在其生命周期內產生的一切費用的總和。基于橋梁的全壽命周期成本，橋梁工程費用可分為3部分：建設期成本、營運期成本和拆除成本。顯然，全壽命周期成本越低，能取得最好的經濟效益。本文通過對建設期材料成本、營運期成本和拆除回收成本與收益3方面進行分析，以判斷出個橋型的經濟性特點。

(1)建設期成本。通過匯總道路橋涵標準圖集中2×30m的連續梁橋中的工程數量表，考慮上下部結構的造價，3種橋型的造價如表4所列，由表4可知T梁造價最高，鋼板組合梁雖然在上部結構上造價更大名單下部結構造價低不少，綜合來看，鋼板組合梁具有較好的建設成本。

表4 不同橋型造價表

(2)運營期成本。對于支線上跨橋這種小跨徑橋梁，后期的維護所占費用比例是很小的，T梁橋和小箱梁橋主要是鋪裝層的修補、欄桿的維護、排水管道的更換、支座的更換。鋼板組合梁除有這些方面之外，因為鋼主梁是直接暴露在外，防腐措施要求更高，會有涂裝的額外維護費用。

(3) 拆除回收成本與收益。目前國內橋梁的拆除有2種方式:橋梁拆毀與橋梁拆解，拆解的成本相對拆毀會高一些，但用拆解的方式能回收其中的有效材料，從而帶來收益，減小成本。橋梁的拆除回收中主要回收的材料是鋼材，橋面板與結構層中的鋼筋可以通過特定拆除工具完成回收，但因為鋼筋所在位置的不可見，部分鋼筋銹蝕，鋼筋的回收效率并不高，調查表明，鋼筋的回收率約為50%；相較之下，鋼板組合梁的鋼主梁由于與混凝土分離，且有涂裝層的防腐措施，型鋼的回收率可以達到90% 。混凝土則沒有回收的意義，其價格比較低，而且回收成本過大，往往會變成建筑垃圾，因此鋼板組合梁相對另外兩種橋梁具有更好的環境親和力，更符合綠色發展的時代背景。

3 結束語

綜合上述成本結論，新型的鋼板組合梁形式相比傳統形式，具有輕盈美觀的特點，承載能力合格，裝配化更高，同時橋面板現澆導致整體性更好。在考慮全生命周期后，鋼板組合梁綜合經濟性良好，對環境得污染小，因此這種橋型很適合用于支線上跨橋的改造工程。

[參 考 文 獻]

[1] 陶露露，石利群.淺談高速公路支線上跨景觀設計方法[J].現代交通技術,2010，(10)：26-30.

[2]周興順，張松.支線上跨橋系列設計新理念[J].公路交通科技,2006，(10)：141-145.

[3] 項貽強，周暢. 基于橋梁全壽命的養護費用預測分析[C].第四屆華東公路發展研討會論文集,2009.

[4] 李雪梅.中小跨徑梁橋經濟比較[D].長安大學，2010