公路跨線橋全壽命周期設計方案研究

周 丹

（遼寧省交通規劃設計院有限公司，遼寧 沈陽 110166）

0 引言

跨線橋一般上跨鐵路、公路和高速公路等運營線路，一旦發生事故，勢必造成重大損失，且社會影響巨大。跨線橋由于其所在位置的特殊性，施工架設、養護維修都受到下穿運營線路的影響。如何在保證跨線橋全壽命周期內安全的前提下，盡可能地減小對運營線路的影響，實現快速建造、高效管養是我們需要解決的問題。因此，在設計方案階段就要考慮到橋梁的建設、運營、管理和養護等全壽命周期內各個環節的影響因素。從橋梁的規劃、設計、施工、使用期管理，直到拆除和材料回收再利用的各個環節來尋求恰當的方法和措施，以滿足橋梁全壽命周期的總體性能最優的設計理念和方法，即全壽命周期設計[1-3]。本文從全壽命周期考慮跨線橋各個生命環節，在設計方案階段考慮后期建造、管養等相關階段的安全、快速、經濟。

1 設計原則和設計目標

本設計方案以全壽命周期設計為指導，綜合考慮全壽命周期內各個環節的工作需求。

1.1 建造階段

設計目標是安全可靠、快速保通。實現方法是研究跨線橋梁常用施工方法，結合項目實際情況、施工條件、周邊環境等綜合選擇。

1.2 管養階段

定期監測設計目標是達到非接觸檢測。實現方法是建造期在梁體上預先設置永久的病害檢測控制網，后期可通過高精度數碼相機進行遠程圖像采集，并以中心現有中小跨徑橋梁數據信息為基礎，進行圖像智能識別。

養護維修設計目標是預防性養護。實現方法為：鋼結構用鋼和螺栓可采用耐候鋼材，養護便利、環保、全壽命周期成本低。結構設計合理，梁體各部分可通可達。

健康監測設計目標是達到基于4G 網絡的無線傳輸。實現方法為：建造期在梁體內預先設置傳感器系統，信息通過采集裝置集成并通過4G 網絡無線傳輸，完成橋梁遠程健康監測。

1.3 回收利用階段

回收利用設計目標是達到可回收利用、方便拆除。

2 橋梁方案比選

2.1 鋼-混組合梁橋分箱預制吊裝方案

2.1.1 設計方案

上部結構采用30 m 簡支鋼-混組合梁（見圖1）。標準斷面為雙箱等截面鋼-混組合梁。梁高2.0 m，橋面寬13.0 m。橋面板為鋼筋混凝土結構，標準厚度為280 mm，鋼梁上翼緣板處厚度為400 mm。鋼梁為頂開口箱形斷面，底面完全封閉，翼緣板厚度為20 mm，腹板厚度為12～16 mm，底板厚度為20 mm。

圖1 鋼-混組合梁橋

2.1.2 施工方案

施工方法采取分箱預制吊裝施工方法。

組合梁鋼箱部分每個鋼箱工廠分三段預制，每段長度約10 m，寬度為4.1 m。運輸到現場后，每個鋼箱采用高強螺栓連接成整體。

吊裝方案一：若現場具有較大噸位吊裝能力，可以在吊裝前分箱將混凝土橋面板預制安裝或者現場澆筑成整體，防撞墻澆筑完成，兩個單箱組合梁分別吊裝，每個單箱組合梁（含防撞墻）約169 t。預計使用2 臺400 t 汽車吊車，吊點半徑為12.0 m。吊鉤高度為15.5 m 時，每臺汽車起重機吊裝重量為102 t。每個單箱組合梁吊裝時間為1～2 h。

吊裝方案二：若現場不具有較大噸位吊裝能力，可以將鋼箱上混凝土底膜做成鋼模板，兩端翼緣側板延伸至防撞墻高度；鋼箱梁部分分箱吊裝完成后，混凝土底膜與防撞墻外圍擋板形成封閉空間（見圖2），做好安全防護措施，在不影響橋下線路運營條件下，預制安裝或澆筑橋面板和防撞墻。每個單箱鋼箱梁約76 t。預計使用2 臺200 t 汽車吊車，吊點半徑為12.0 m。吊鉤高度為17.6 m 時，每臺汽車起重機吊裝重量為52 t。每個單箱鋼箱梁吊裝時間為1～2 h。

圖2 鋼底膜封閉空間斷面圖

2.1.3 細部設計

結構的細部設計方案會直接影響橋梁架設施工的可行性和后期的耐久性。本文從后澆段設計和耐候鋼設計要點兩個方面來闡述。

每個單梁分別吊裝完成后，如何能快速、準確地連接，且不影響鐵路運營的安全，成為后澆段設計的關鍵。本文采用連接端翼緣懸臂底板帶螺栓拼接板方法。先吊裝的梁體在連接端翼緣懸臂底板預留鋼板和拼接板，兩板栓接。拼接板預留螺栓孔，待第二片梁吊裝就位后，將拼接板與翼緣懸臂底板栓接，形成封閉空間，然后澆筑混凝土。此方法對安裝精度要求比較高，設計時需要在蓋梁或者梁體內預先安裝定位裝置，保證架設的精度。

耐候鋼具有良好的耐腐蝕性，尤其是免涂裝耐候鋼材，省去了涂裝工藝，極大地節省了建造成本和建造時間，而且非常有利于環境保護。在實際使用中，設計基準期內不用進行大量重復的涂裝養護工作，極大地降低了運營和維護成本[4]。

但是耐候鋼對環境中的鹽分比較敏感，并且對結構的排水和通風的要求很高。在設計耐候鋼橋時,必須充分考慮架橋地點的位置,確保能夠處在通風條件好且干濕交替變化的環境中[5]。在構造上采取排水措施，防止含有防凍劑鹽分的路面水流到鋼材上。橋面板設置高性能的防水層，伸縮裝置采用非排水型伸縮縫，排水系統設計將排水管口伸到鋼梁下翼緣以下。

2.1.4 施工工期

本方案施工工期約為：1.5～2 個月。

（1）鋼箱部分預制30 d。

（2）鋼箱梁運輸和吊裝前準備10 d。

（3）現場安裝（澆筑）混凝土橋面板2（10）d。

（4）現場安裝（澆筑）防撞墻2（5）d。

（5）鋼箱梁吊裝和橋面懸臂連接2 d。

（6）橋面鋪裝和其他附屬設施10 d。

2.1.5 全壽命周期成本

全壽命周期成本（LCCA）是指在設計階段確定橋梁從建成到壽命終結時的總成本。在進行設計方案比選時，不僅考慮初始建造成本、設計成本，還考慮服役期間橋梁檢查、養護、維護等各種成本，將未來成本折現為凈現值 (Net Present Value，NPV)，才可用于對設計方案的評估[6]。本方案全壽命周期成本見表1。

表1 全壽命周期成本

其中，用戶成本為由于橋面鋪裝等維修中進行合理的橋上保通方案成本。此項成本根據壽命周期內橋面鋪裝預估的次數，計算橋上保通方案所支出的成本。環境成本為橋梁營運、維修、養護和拆除中的噪聲、土地臨時占用、空氣污染等而發生的成本。拆除成本為拆除既有構件所需要的費用。剩余價值為拆除結構構件可回收的成本。

2.2 鋼箱梁分箱預制吊裝方案

2.2.1 設計方案

上部結構采用30 m 簡支鋼箱梁方案。標準斷面為三箱等截面鋼箱梁（見圖3）。梁高2.0 m，橋面寬13.0 m。鋼箱主要板件厚度設置如下：頂底板厚度均為16 mm，腹板厚度為12 mm，支點處橫隔板厚度為16 mm，其余橫隔板厚度為10 mm。

圖3 鋼箱梁橋

2.2.2 施工方案

施工方案采取分箱預制吊裝施工方法。

鋼箱梁每個鋼箱工廠分三段預制，每段長度約10 m，寬度為4.25 m。運輸到現場后，每個鋼箱采用高強螺栓連接成整體。吊裝前，現場安裝防撞墻。

兩個單箱鋼箱梁分別吊裝，邊箱梁體重量約為85 t（含防撞墻），中箱梁體重量為71.5 t 。預計使用2 臺200 t 汽車吊車，吊點半徑為12.0 m。吊鉤高度為17.6 m 時，每臺汽車起重機吊裝重量為52 t。每個單箱組合梁吊裝時間為1～2 h。

2.2.3 細部設計

鋼箱梁后澆段的連接方式與鋼-混組合梁方式基本相同。先吊裝的梁體在連接端翼緣懸臂底板預留鋼板和拼接板，兩板栓接。拼接板預留螺栓孔，待第二片梁吊裝就位后，將拼接板與翼緣懸臂底板栓接，形成封閉空間。懸臂處橫隔板留出預接長度，吊裝就位后螺栓連接。最后焊接連接段頂板，V 型坡口與鋼梁翼緣頂板焊接。鋼箱梁排水設計原則同鋼-混組合梁。

2.2.4 施工工期及全壽命周期成本

施工工期約為2 個月

（1）鋼箱梁預制30 d。

（2）鋼箱梁運輸和吊裝前準備5 d。

（3）現場安裝（澆筑）防撞墻2（10）d。

（4）鋼箱梁吊裝和橋面懸臂連接3 d 。

（5）橋面鋪裝和其他附屬設施10 d。

2.2.5 全壽命周期成本

本方案全壽命周期成本見表2。

表2 全壽命周期成本

2.3 預應力混凝土T 構轉體施工方案

2.3.1 設計方案

跨線橋上部結構采用（50+50）m 預應力混凝土T 構方案（見圖4）。上部結構為單箱變截面預應力混凝土箱梁。支點梁高5.0 m，跨中梁高為2.8 m，橋面寬13.0 m。

圖4 預應力混凝土T 構立面圖（單位：m）

2.3.2 施工方案

施工方案采取轉體施工方法。

先沿下穿線路方向清理出梁體現澆施工場地，臨時封閉地面交通，在道路中線處施工轉體用橋墩下部基礎、轉盤和橋墩。再沿與下穿線路平行的方向搭設滿堂支架，現澆施工梁體，同時在下穿線路上方搭設防護棚架。待梁體達到設計強度時，將橋墩和梁體實施轉體。全橋合龍后，拆除墩梁臨時固結，恢復地面交通，最后施工橋面系和附屬結構。轉體噸位約為4 700 t，轉體時間為1～1.5 h。

2.3.3 施工工期

（1）封閉道路交通，拆遷梁體預制場地內構筑物，線路路基邊坡防護20 d。

（2）基礎、承臺和轉體體系施工40 d。

（3）橋墩和變截面箱梁施工120 d。

（4）轉體架設和固定轉體體系2 d。

（5）橋面鋪裝和其他附屬設施30 d。

2.3.4 全壽命周期成本

本方案全壽命周期成本見表3。

表3 全壽命周期成本

3 橋梁方案分析與建議

3.1 方案分析

3.1.1 方案一兩種吊裝方案對比

方案一（鋼-混組合梁結構）提供兩種不同的吊裝方案。兩種吊裝方案的主要區別在于吊裝的重量。如果在施工過程能提供有效吊裝機具的情況下，吊裝方案可以在線路限界之外完成橋面結構的預制安裝，達到整體吊裝，對橋下干擾小。吊裝方案二的優點是吊裝重量較輕，但是架設完成后需要在橋上繼續施工。從受力上來說，吊裝方案一在架設前便實現了組合梁的整體受力。吊裝方案二則是鋼梁先承擔了本身自重和混凝土板的重量，待混凝土板達到強度后方能整體發揮效力。

3.1.2 方案一與方案二對比

方案一（鋼-混組合梁結構）和方案二（鋼箱梁結構）都采用吊裝的施工方法，方案一充分發揮混凝土受壓、鋼梁受拉的特性；方案二的預制程度更高，施工工期更短，重量更輕。方案二的三箱鋼箱梁需要在3 個天窗窗口期架設完成，且工程造價較高。

3.1.3 方案一、方案二與方案三對比

方案一、方案二采用吊裝施工方法，方案三采用轉體施工方法。方案三適合跨越線路跨徑較大、天窗時間較短的架設情況。方案三工期較長、施工工序較復雜。當跨越高速線路、電力系統對構筑物要求較高時，宜采用鋼筋混凝土結構。

3.2 方案建議

方案一：鋼-混組合梁結構。優點是架設安全快速，施工工期短，工藝成熟，全壽命周期成本低。缺點是耐候鋼材避開濱海公路等鹽分較高環境。當跨越線路跨徑為30～40 m 時，推薦使用本方案。

方案二：鋼箱梁結構。優點是預制程度高，架設安全快速，施工工期短，工藝成熟，全壽命周期成本低。缺點是耐候鋼材避開濱海公路等鹽分較高環境。當跨越線路跨徑為30～40 m 時，要求工期更短的情況，推薦使用本方案。

方案三：預應力混凝土T 構。優點是架設快速，工藝成熟。缺點是工期較長，工藝復雜。當跨越線路跨徑較大，或者電力系統對構筑物要求較高，不宜使用鋼結構時，推薦使用本方案。

4 結語

本文從橋梁全壽命周期考慮，提出針對中小跨徑公路跨線橋的全壽命周期設計方案。在設計階段充分考慮了橋梁全壽命周期內各個環節的關鍵設計要素，力求在前期設計階段就為各個階段的實施做好充分的準備。

本文從結構形式上提出了3 種設計方案。針對不同的施工條件、周邊環境，3 種方案各有其不同的適用條件。從材料選擇上免涂裝耐候鋼，力求減少后期的養護對運營線路造成的影響，同時能減少管養費用。同時，考慮到耐候鋼本身的材料性能特性，在設計細節上避開對其不利設計。

本文從全壽命周期角度考慮了各個設計方案全壽命周期成本。全壽命周期成本目前國內研究不多，且受外部環境影響較大，希望本文能為全壽命相關研究提供依據。

全壽命周期設計需要獲取大量已建工程的病害信息、后期管養維護信息。這方面國內應積極借鑒國外研究經驗，在智能養護的基礎上建立完善的橋梁全壽命周期數據庫，為全壽命周期研究提供更多的參考依據。