基于工業化建造的支線上跨橋梁選型分析

許大晴， 林 露

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司；公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

對于高速公路跨線橋建設的相關評價研究，國外開展了有效的工作。作為高速公路重要組成部分的支線上跨，發達國家把支線上跨設計作為高速公路綜合最優化設計的重要組成部分，對其達到交通功能、生態環境保護、公眾利益保障的綜合最優有具體的規定和相關設計指南。

國內對支線上跨的研究仍處于起步階段，相關的研究成果還比較少。在高速公路上跨與下穿設計方案比選以及分離式立交設計方面已有大量研究[1]，但單獨針對支線上跨位置、方案的選擇等以及已建支線上跨的適用性方面的研究還很少涉及，有待進一步研究發展。胡克偉[2]在高速公路分離式立交設計中，通過對高速公路的感性認識結合自己的設計經驗，闡述了分離式立交設計的觀點，重點敘述了對上跨主線的分離式立交的設計構思，介紹了分離式立交的類型選擇、橋位布設、結構方案優化以及跨線橋的美學設計等。 張勁文[3]在開陽高速公路上跨天橋優化設計技術經濟分析中，從高速公路上跨天橋美學效應入手，分析了適用于高速公路上跨天橋的合理橋型，通過對開陽高速公路全線17座上跨天橋優化設計的技術經濟比較以及成功實施，說明了高速公路上跨天橋通過優化設計達到造型優美、安全可靠、造價合理的原則是完全可行的。

經過多年的橋梁工業的發展，跨線橋的橋型種類選擇多樣，根據不同需求選擇不同的結構形式，主要有鋼板組合梁、拱橋、小斜拉橋以及鋼管桁架梁等[4-7]。國內外對景觀要求均有嘗試，但是結合造價及結構性能，效果都不是很理想。結構形式傳統，較難從根本上解決問題。同時，工業化在支線上跨橋上的應用并未能有效推廣。支線上跨橋的建造不同于普通橋梁的建造，跨越公路或高速公路施工對橋下道路交通影響大，工業化建造能大大減少對交通的影響，但目前國內支線上跨橋的工業化建造在降低對交通的影響這一塊效果不好。綜上所述，對基于工業化建造的支線上跨橋選型的研究，尚有待進一步研究。

1 支線上跨橋工業化建造的要求

1.1 施工便利性要求

橋梁道路縱橫交錯，上跨橋的需求日益提高。由于支線上跨橋是跨越公路或高速公路，對于高速公路而言，一般架設上跨橋時不會封閉高速道路。上跨橋施工對交通的影響必須控制到最小化，這不同于一般橋梁的施工要求。因為上跨橋施工必須將其對交通的影響控制到最小化，也就意味著對施工速度的要求必須提高。縮短工期能夠有效降低對交通的影響，同時響應了當代橋梁建造快速化施工的要求，也能節約成本。

1.2 美學景觀功能要求

橋梁美學的客觀性是指橋梁美學是客觀存在的，其客觀基礎具體指其結構形態、材料、技術和功能要求等。跨線橋是高速路聯絡主線兩側空間的橋梁，和高速公路的關系極為緊密。高速公路如同流動的音樂，跨線橋則是密密麻麻的音符。因此，如何把支線上跨橋的物質功能和精神功能統一起來，使多樣的“彩虹”不僅方便高速公路兩側的交通，而且能美化道路景觀環境，帶給我們精神的愉悅和文化的享受。但有一段時間，橋梁景觀設計上出現一種“偽橋型”和片面追求結構怪異的現象。這種違背橋梁基本原則的設計方法是橋梁景觀設計上的一種誤區。在這種形勢下，對支線上跨橋適用性設計演進的脈絡進行一次系統的梳理，就顯得尤為必要了。

1.3 經濟性要求

隨著對可持續發展、低碳經濟和全壽命設計理念的重視，橋梁設計中遵循的“安全、適應、經濟、美觀、耐久、環保”六項原則已成為大家的共識。然而，隨著中國經濟的發展和國家投入的增加，經濟性原則在中國橋梁界似乎越來越被忽視。有些工程技術人員認為跨度的突破就是“創新”，并為此付出成倍的代價，甚至造成嚴重的比例失調。但是對于支線上跨橋梁而言，由于沿線數量巨大，如果不考慮其經濟性，則可能導致建造成本大幅提升。因此在支線上跨橋選型中必須將造價保持在一個合理的范圍內。

2 基于工業化建造的支線上跨橋梁選型方法

2.1 上跨橋選型原則

對于初步擬定的橋型方案，采用控制性原則進行遴選。對于滿足控制性原則的橋型，繼續采用關鍵參數進行篩選；對于不滿足控制性原則的方案，進行調整，經調整后滿足要求，繼續采用關鍵參數進行篩選；經調整后仍不能滿足控制性原則的要求，則排除該橋型方案。

對于橋型自身特點影響的控制性原則為半強制性原則。對于各橋型的合理跨徑，本文采用經驗值與目前國內、國際的跨徑紀錄相結合的方式給出。對于合理墩跨比(矢跨比)，以經驗值給出。

對于各橋型的合理跨徑，一般要求初步擬定橋型方案的跨徑不得超出合理跨徑范圍，對于特殊情況，超出合理跨徑范圍的橋型方案，應設立專門的研究進行專題研究。對于各橋型的合理墩跨比(矢跨比)，一般要求不得超出合理范圍上限，對于超出合理范圍上限的需要進行專題研究。

2.2 上跨橋選型比較方法

假設法初擬方案。根據橋梁建設條件、橋位處初步確定的平面及立面參數，假設在該橋位修建A橋型，根據A橋型自身的關鍵參數，初步擬定大致符合該橋位條件的橋型方案。對多種能夠大致滿足該橋建設條件及平面立面參數的橋型，分別采用假設法初擬橋型方案。采用假設法初擬橋型方案，首先需要明確橋梁建設條件及建橋的平面、立面參數。以平面、立面參數指導，假設橋型，進行方案擬定，具體技術流程如圖1所示。

圖1 假設法擬定初選方案技術流程

篩選法是對初擬的多個橋型方案采用控制性條件、關鍵參數以及控制性原則進行篩選，從而最終確定比選方案的方法。采用假設法與篩選法相組合的方法提出橋型比選方案的技術流程，可按如圖2所示進行。對于假設初擬的橋型方案，首先采用控制性原則進行篩選，若不滿足控制性原則，通過調整，在滿足控制性條件篩選及假設初擬方案的基本要求的前提下，能夠滿足控制性原則的要求，則繼續進行關鍵參數篩選。若無法對其進行調整或調整后仍不能滿足控制性原則的要求，則篩除該方案。

圖2 假設法與篩選法組合比選流程

3 適宜工業化建造上跨橋典型形式

3.1 異型跨線拱橋

異形拱橋造型獨特，因此一些在普通拱橋設計中不需要考慮的特殊設計參數，對于特定的異形拱橋來說卻十分重要，比如外傾式拱橋的拱肋外傾角度、斜跨拱橋的矢跨比等。確定異形拱橋特殊設計參數取用的科學方法是十分緊迫的問題。比如，異形拱橋的矢跨比的選取就與普通拱橋有所不同。矢跨比將影響拱橋主拱圈與系梁的內力和拱橋施工方法的選擇，同時還對拱橋的外形能否與周圍的景物相協調也有很大關系。拱的荷載水平推力與垂直反力之比，隨矢跨比的減小而增大。從結構考慮，剛性系梁剛性拱矢跨比一般為1/4～1/2。從美觀方面計，異形拱橋的矢跨比最好在l/3～1/6。如合肥機場高速的支線上跨異型拱橋，如圖3所示。

圖3 上跨合肥機場高速拱橋

3.2 全拼裝式低高度桁架梁橋

蕪湖二橋引橋及接線橋梁跨線橋梁采用了全拼裝式低高度桁架梁橋。桁架梁下弦桿及橫梁均采用鋼結構，橋面系采用正交異性橋面板，上設10 cm混凝土鋪裝+10 cm瀝青混凝土，如圖4所示。所有組件均可在工廠加工好之后現場拼裝連接，進一步縮短施工周期。采用鋼管桁架梁跨線橋提高了施工速度，體現了工廠化制造、裝配化施工。

圖4 低高度鋼管桁架梁跨線橋

低高度桁架梁在跨線橋上的應用，在景觀及功能方面的優勢不夠明顯，行車壓抑感強，景觀效果較差。并且用鋼量大導致造價偏高。由于連接部件較多，施工工期相對鋼板組合梁更長，但相對于鋼混組合桁架梁則施工時間較短，對主線影響較小。

3.3 鋼板組合梁橋

合寧高速擴建，需要增設或改建上跨橋，合寧高速非常繁忙，改擴建要求保持4車道通行，應盡量減少上跨橋現場施工時間，以減少對行車的干擾，增加施工安全，圖5所示。施工順序是首先施工主梁，接著架設鋼橋面板，現澆混凝土，最后施工護欄及橋面部分。采用鋼板組合梁方案的優點是施工速度快周期短、減少施工對行車干擾；結構自穩，自架設，自防護，盡快能減少輔助施工措施。

支線上跨鋼板組合梁橋在造價方面優勢明顯，在目前國內工業化建造中標準化程度最高。因為上跨橋施工必須將其對交通的影響控制到最小化，也就意味著對施工速度的要求必須提高。縮短工期能夠有效降低對交通的影響，同時響應了當代橋梁建造快速化施工的要求，也能節約成本。而鋼板組合梁橋的節段拼裝速度快，正符合支線上跨橋的設計及施工要求。

4 結束語

由于支線上跨橋是跨越公路或高速公路的橋梁，其建造要求具有一定的特殊性。基于工業化建造支線上跨橋梁概念設計與選型應綜合考慮所選橋型的適用功能性、美學景觀功能性、經濟性、標準化程度和施工速度以及對主線交通的影響等幾個因素。

本文通過對工業化支線上跨橋建造的調研，提出幾種潛在可供選擇的橋型，分別是異形拱橋、索輔式拱橋、低高度鋼管桁架梁和鋼板組合梁橋。其中異形拱橋和索輔式拱橋能較好發揮梁索受力優勢，造型多變美觀，對景觀環境適應性強。低高度鋼管桁架梁，架設方便快捷，也是支線上跨橋較好的橋型選擇。鋼板梁工業化制造標準，造價低，節段拼裝施工快速化，受力性能良好，同樣是支線上跨橋的優選方案。