內河航道鋼結構橋梁應用現狀和建議

李志峰　金國強　趙眈崴　楊揚　劉舟

摘 要：對浙江省航道橋梁、國內外鋼橋使用現狀進行了調研，通過與各種常規橋型安全性、耐久性、全壽命周期經濟性的比較，總結出鋼橋在跨航橋梁使用過程中的優缺點和存在問題，并對鋼橋橋型的選擇、耐候鋼的應用、鋼橋的養護等提出了建議。

關鍵詞：航道橋梁；鋼橋；橋型；耐久性；全壽命周期；經濟性；耐候鋼；養護

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）7-0054-03

1航道橋梁建設現狀

根據對我省擬建集裝箱運輸主通道12條主干航道507座橋梁的調查分類統計顯示：

（1）杭甬運河、京杭運河、杭平申線橋梁數量居多，數量分別占比29.8、16.2、16.6%；

（2）橋梁等級多樣化；

（3）通航等級應各條航道建成年代不一，種類較多，其中，對于在建橋梁均按設計改建后的情況進行統計；

（4）主橋橋型以混凝土結構為主，占比96.4%；鋼結構橋梁共18座，占比僅3.6%。

2國內外鋼橋使用現狀

2.1國內現狀

我國鋼橋發展已有100多年歷史，但建設的鋼橋相對較少。截至2015年，共有公路橋梁75.71萬座、4257.89萬米，鋼結構和鋼—混組合結構橋梁分別只有584、1293座，數量占比僅為0.08%、0.17%，鋼材消耗占比僅為1.17%和1.55%，遠遠少于鋼筋混凝土橋梁。另外，建成的公路鋼橋基本都是特大跨徑橋梁（斜拉橋、懸索橋等），量大面廣的常規中、小跨徑鋼（組合）結構橋梁數量嚴重偏少。

2.2國外現狀

在發達國家，鋼橋應用較為普遍。美國60萬座橋梁中，鋼橋的座數和面積占比分別為34.7%、43.3%；日本13萬座橋梁中，鋼橋占41%；法國占比達85%。美國鋼橋中使用率較高的橋型有縱梁/多主梁、桁梁、縱橫梁格體系；在橋梁規模較大時，多采用鋼連續—縱梁/多主梁體系，規模較小時，一般選擇鋼簡支縱梁/多主梁體系。但鋼橋在“結構缺陷”橋梁中占比較高，需經常進行檢測和相應的維護、養護工作。

3跨航鋼橋設計選型及經濟性比較

3.1主要推廣橋型

3.1.1鋼桁梁

該橋型桁段均在工廠制作后進行現場拼接，施工進度快，結構高度低，自重較輕，施工拼接處理簡便，非常適用于頂推施工，能很好地滿足施工期通航要求，適用于主橋50～120m跨徑。

但是由于桿件多且雜，通透性較差，有一定的壓抑感，抗撞性能較差，后期須進行鋼結構專業養護。

3.1.2鋼系桿拱

該橋型優點同鋼桁梁，外形同混凝土系桿拱，視線通透，外觀輕巧、優美，拱肋為二次拋物線，線型美觀，易于與周邊景觀協調搭配，通透性優于鋼桁梁。除鋼結構定期養護外，吊桿存在一定的使用年限，須定期更換。

3.1.3鋼箱梁

該橋型具有很大的抗扭剛度，整體穩定性、抗撞性能好，可采用現場整體吊裝或頂推施工，施工周期短，橋梁結構在橋面下方，接觸雨水可能性小，適用于中等跨徑。

正交異性鋼橋面板易出現疲勞損傷，橋面鋪裝耐久性成為難點。高跨比為1/20～30，與前面兩種橋型相比結構高度不具備優勢。

3.1.4鋼板組合梁

該橋型具有結構輕、架設快、現場施工環境簡單，對周圍環境影響小等特點，通常采用吊裝鋼梁法和頂推鋼梁法施工。當橋寬較小時，可采用雙主梁形式；橋寬較大時，采用多主梁形式。

跨越能力較小，通常只適用于30～60m中小跨徑。梁高在跨徑的1/20左右，結構高度不占優，可在部分引橋中使用。

3.1.5斜拉橋、懸索橋

這兩種橋型跨越能力大，但橋型造價較高，經濟性差，拉索得定期更換，養護費用高，主要適用于有較大跨越要求或者特殊景觀要求的橋梁，不作為我省內河航道常用鋼結構推薦橋型。

3.2橋型經濟性比選

選取跨徑80米，寬10米鋼桁梁、鋼系桿拱、預應力砼連續梁、砼系桿拱進行經濟性比選，引橋均采用20m矮T梁，見表1（以2017年10月嘉興市價格為標準，螺紋鋼3500元/噸，砂石160元/m3）。主引橋工程費用（不包括養護費用、臨時費用等其他費用，下同）：砼系桿拱（2793萬元）<鋼系桿拱（2934萬元）<鋼桁梁（3132萬元）<砼連續梁（3304萬元）。以100年設計使用年限計，考慮養護費用后，鋼桁梁和鋼系桿拱的工程費用分別為4032、4534萬元，比最低的砼連續梁（3404萬元）高出628、1130萬元，比砼系桿拱（3593萬元）要高439、941萬元。

對主要材料（鋼材、砂石）的單價敏感性進行分析：①將螺紋鋼按2500、3000、3500、4000、4500元/噸計價，其余鋼材做相應調整。②將砂石按160、210、260元/m3計價。

圖1數據顯示，螺紋鋼在2500～4500元/噸范圍內變化，主引橋工程費用始終為：砼系桿拱<鋼系桿拱<鋼桁梁<砼連續梁。隨著鋼材單價下降，鋼系桿拱、鋼桁梁與砼系桿拱總造價差距逐步減少。鋼桁梁和鋼系桿拱對鋼材單價變化的敏感性強，單價每增加500元/噸，主橋造價平均增加0.875萬元/m2，而砼連續梁和砼系桿拱僅為0.625、0.563萬元/m2。

圖2數據顯示，砂石在160～260元/m3范圍內變化，主引橋工程費用始終為：砼系桿拱<鋼系桿拱<鋼桁梁<砼連續梁。隨著砂石單價上漲，砼連續梁和砼系桿拱上漲明顯，鋼系桿拱、鋼桁梁與砼系桿拱總造價差距逐步減少。鋼桁梁和鋼系桿拱對砂石單價變化的敏感性較低，單價每增加50元/m3，主橋造價平均增加0.25萬元/m2，而砼連續梁為0.75萬元/m2。

4鋼橋的特點及應用建議

4.1鋼橋使用優點

4.1.1降低結構高度，方便接線

鋼結構跨航橋梁結構高度低，可以在保證橋下通航凈空的同時有效降低橋面高程，縮短兩側引橋及接線長度，降低總體造價，適用于接線長度受限的橋梁。以省交通設計院設計的杭平申線桐鄉段山門街大橋為例：原設計方案主橋采用82m下承式鋼筋混凝土系桿拱，結構高度1.5m，改用鋼結構系桿拱后，結構高度降為0.77m，原橋面設計高程下降了0.73m，大大縮短了引橋及接線長度，降低了總造價。

4.1.2采用工廠化生產，提高質量

鋼結構橋梁采用工廠化生產，鋼構件可在工廠集中批量生產，通過原材料→下料、加工→構件組焊→修整→試拼裝→涂裝等步驟，實現了機械化、自動化、標準化，生產效率和產品質量大幅提高，質量易控制，可靠性高。

4.1.3縮短施工工期

鋼結構橋梁各構件在工廠制造，下部結構可同時施工，極大的縮短施工工期。

4.1.4方便通航施工

鋼結構橋梁各構件、節段在工廠制作后運至現場，可在少支架上進行整體拼接；或者在引橋上逐段拼接后設置臨時墩、導梁和頂推滑道，進行頂推施工；場地條件允許的情況下也可以進行整體吊裝。施工方便快速，對交通和通航的影響小。

4.2主要存在問題

鋼結構橋梁推廣應用中面臨以下幾個問題：

（1）結構上，存在鋼材腐蝕、結構損傷、疲勞破壞等一系列病害，穩定性和防撞、防火性能較差；

（2）標準上，長期以來設計、施工、養護、檢測等各環節是圍繞混凝土結構為主而制訂的，對于鋼結構所特有的設備配置、構件加工、運輸安裝、施工、養護、檢測等環節的標準研究少、儲備不足；

（3）管理上，對鋼結構從業單位的資質、專業分包和信用評價等內容較少，鋼結構橋梁后期養護的單位較少。

4.3建議

4.3.1鋼橋選型

針對航道建設和養護管理的特點，對于有結構高度和接坡限制的橋梁，可優先選用鋼桁梁、鋼系桿拱等橋型；對于具有明確管養單位和良好養護條件的城市道路、等級公路可采用鋼橋；對于車流量很大的高速公路和管養力量薄弱的農村公路，考慮到養護原因，謹慎選用鋼橋。

4.3.2應用耐候鋼

與普通鋼材相比，耐候鋼在使用過程中可以省掉對環境造成污染的酸洗、鍍鋅、涂裝等工序，減少環境危害，實現綠色生產；后期運營過程中免涂裝維護，從全壽命周期來看具有較好的經濟效果。

國外已將耐候鋼當作一種普通橋梁用鋼來廣泛使用。美國和日本耐候鋼橋梁在鋼橋中比例已分別達到40%和50%。我國耐候鋼橋數量還很少，有巨大的發展前景。在交通運輸部大力推進鋼橋，鼓勵應用高性能鋼的背景下，耐候鋼發展正逢其時，建議進行耐候鋼的推廣和研究。

4.3.3鋼橋養護

促進防腐新技術的開發和運用，減少銹蝕；后續運營期建立鋼橋檢測評估技術體系；注重鋼橋養護技術的研發和養護隊伍的培養，建立完善的鋼橋養護規范體系，針對具體的橋梁形成針對性強的養護手冊。

參考文獻：

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