綠色設計理念在公路橋梁設計中的運用

摘要 公路橋梁在施工的過程中，通常施工周期都比較長，容易對環境產生影響，且在施工的過程中還會造成資源浪費，不符合綠色發展的要求，因此在當前的技術應用中，綠色設計理念成為項目關注的焦點。文章在研究公路橋梁設計的過程中融入綠色設計理念，采用預制裝配化綠色建造技術、懸索橋的組合橋面板技術等新型技術，在縮短工期、減少環境的污染、降低建設成本以及優化公路橋梁結構等方面具有重要作用，滿足公路橋梁綠色設計需求。

關鍵詞 綠色施工;公路橋梁工程;施工技術

中圖分類號 U442.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0150-03

引言

綠色設計理念在公路橋梁設計中具有重要作用，能夠降低對環境的污染和節約設計成本的同時，還能滿足公路橋梁設計綠色發展要求[1]。而在公路橋梁設計中，實施預制裝配化綠色建造技術、懸索橋的組合橋面板技術等新型技術能夠滿足設計創新需求，符合當前社會綠色發展的行業建設要求，在公路橋梁設計中應用綠色設計理念具有重要意義。

1 預制裝配式橋梁特點

在當前的公路橋梁設計中，在條件允許的情況下都會采用原位現澆法施工，在公路橋梁設計中現澆法施工能夠發揮重要的作用，但由于工地普遍存在臟亂現象，而且出現了材料浪費和環境污染等，對城市交通設施和景觀等帶來不必要的制約因素[2]。在國內預制裝配式橋梁構件中，主要分為上下部兩個結構，在上部結構中，主要涉及預制小箱梁、鋼箱梁以及預制節段箱梁等，而下部結構主要涉及預制蓋梁以及預制橋墩等，如圖1所示。

上下部結構應用工廠預制、現場拼裝等措施，這種橋梁稱之為“預制裝配式橋梁”。研究橋梁跨度需要結合跨徑、道路平曲線形科學選擇上部結構裝配式構件，而構件適用范圍主要見表1。下部結構裝配式構件分類如表2所示。

預制裝配式橋梁施工相比于傳統施工，具有綠色可持續發展特點，體現在以下方面：一是工廠化預制構件質量及外觀都較優異;二是材料和機械周轉投入中能減少80%，降低70%建筑垃圾;三是節省25%～30%工期，節約70%人工投入和50%施工用地;四是降低粉塵、噪聲、施工安全等影響，滿足市政交通正常運行需求。在公路橋梁設計中有較大發展空間，采用標準化、工廠化、裝配化、信息化、一體化以及智能化設計和生產措施可促進預制裝配式橋梁在發展中有效應用。

2 預制裝配化建造技術

2.1 預制裝配式橋梁上部結構

在節段拼裝箱梁斷面的選擇中，需要全面分析節段梁榀數、運輸以及工廠預制等。在當前的節段拼裝箱梁的斷面形式中，比較常用的是單箱單室，針對變寬的上部結構而言，需要綜合分析箱梁的標準化程度、結構受力等。

2.1.1 節段分塊

預制節段需要滿足流水線、工廠化和模塊化的設計要求，遵守結構尺寸標準化、模數化和對稱性原則，進而設置劃分節段和接縫位置，減少梁段種類。研究國外橋梁建設經驗，當橋梁的箱梁跨徑為32 m或者40 m時，單個箱梁的節段長度建議保持在2.5～4 m之間，節段最大預制重量不能過大，通常保持100～150 t即可。若使用短線法預制，構造設計需滿足施工標準[3]。梁節段曲線半徑較小，縱向長度過長，模板很難應用，節段長度需適當減小。

2.1.2 體外預應力

施工工藝具有差異性，節段拼裝預應力體系逐跨拼裝中，須應用體外預應力;懸臂拼裝采用混合束以體內預應力為主。橋梁建設中融合體外預應力和節段施工技術的項目較多，比如蕪湖長江公路二橋引橋、福建洪塘大橋引橋等，國內預應力混合技術應用將該技術和橋梁節段梁體外、內預應力融合的項目也多，如嘉紹大橋引橋、樂清灣1、2號橋引橋以及崇啟長江大橋引橋等，相關統計如表3所示。

2.1.3 節段剪力鍵連接技術

連接技術滿足預制節段高效傳遞剪力和固定節段相互位置，保障其整體性，需要在預制拼裝橋梁節段中設置好齒塊式剪力鍵。單齒鍵和多齒鍵受力都有優越性，當前以密鍵形式的剪力鍵為主。剪力鍵設置需關注美觀、受力以及施工因素，布置須遵循以下原則：

（1）布置均勻，梯形截面需保持45°傾角，采用的高度和混凝土最大粗骨粒徑相比需大于2倍。

（2）將密鍵形式應用到腹板中，需要對腹板全高度布置，保持梁高的75%，采用的剪力鍵橫向寬度至少需要保持腹板寬度的75%。

（3）在頂、底板剪力鍵的設置中，需要應用比較大的疏鍵。

（4）預制節段體內預應力孔道巖及剪力鍵沖突需要科學處理，節段厚板較薄可適當取消沖突剪力鍵，反之，可以保留，且采用局部減小措施來減小剪力鍵。如圖2所示。

2.2 預制裝配式橋梁下部結構

2.2.1 下部結構預制分類

分析橋梁下部結構，由立柱、蓋梁以及承臺和樁基組成。中小跨徑橋墩涉及的混凝土橋墩有單柱、雙柱以及多柱橋墩，為滿足預制墩柱運輸、安裝便利性，采用的預制立柱須保持在12～17 m之間，立柱重量小于150 t，比如，上海S7公路和鳳翔北路高架橋等項目，低墩都采用整體預制式的立柱。預制蓋梁涉及整體、部分、節段和分段預制蓋梁[4]。在運輸、制作、安裝和質量控制等環節效率比較高，應用廣泛，能夠在設置4車道以下的橋面中應用，但橋梁高度小于15 m，重量小于200 t。

2.2.2 下部結構連接技術

通過分析節段拼裝橋墩連接，發現主要的連接方式有灌漿波紋鋼管、灌漿套筒、普通混凝土濕接縫以及預應力鋼筋連接等方式，通過對這些方式的應用能夠滿足預制橋墩節段、墩身、蓋梁與承臺之間的高效連接，而在拼裝環節中，有效應用環氧膠或砂墊層進行接縫。

3 懸索橋技術結構設計

3.1 懸索橋組合橋面板技術

采用新型技術和材料是橋梁綠色設計的重要表現，有效應用組合橋面板技術、懸索橋主纜防腐成套技術以及樁基重力式復合基礎等新型技術和新材料能夠滿足橋梁綠色設計需求[5]。需要研究鋼橋面鋪裝以及組合橋梁面板基于解決鋼橋板面疲勞的耐久性問題，提高主橋和橋面鋪裝的壽命，借助縱向全應力混凝土橋板面方案，并將該板面和鋼主梁剛性連接來協調受力，增加橋面剛度，改善瀝青混凝土橋面鋪裝和主梁連接整體性，須解決以下問題：

（1）鋼梁和混凝土板連接。懸索橋的主梁主要以彎矩受力為主，和斜拉橋主梁有較大差別，為降低主梁重量和鋼材用量，橋面板厚度以18～20 cm為主，參考斜拉橋組合梁構造。剪力釘設置中應用鋼梁橫隔板，將混凝土板和剪力釘連接起來。

（2）混凝土橋面板與主梁安裝。綠色設計須減少施工時間，橋面板須分塊預制，加工廠須將鋼梁和混凝土板連接[6]。結合纜載吊機吊裝能力，初步設置12 m主梁節段，主梁節段內混凝土橋面板分為8塊預制，采用濕接縫使鋼梁橫隔板連接成整體。

（3）混凝土橋面板的耐久性。設置中雖然可采用縱向全預應力構件，但橫向也存在拉應力，混凝土橋面板并不厚，施工產生的誤差以及材料使用也會導致橋面板應力和所計算的值有誤差，需要采取措施來保障橋梁的使用功能。研究發現可以應用高強度混凝土強化抗拉能力，但須更換混凝土橋面板方案，發生問題及時更換。

3.2 樁基重力式復合基礎設計

以強風化、中風化的頁巖、砂巖等基巖為例，巖石承載力較低，基礎形式可選用地下連續墻，承載能力較好、剛度較大、安全儲備高。這種基礎施工條件差，導致施工工期長，對環保產生影響，造價也比較高。因此，采用樁基重力式復合基礎設計能解決水平抗滑能力不足問題，借助地基和樁基共同體的承載方式能夠強化主纜荷載水平，降低基礎混凝土的使用，且開挖深度也較小，基地以下為鉆孔樁，能降低工程風險。

3.3 懸索橋主纜耐久性分析

3.3.1 主纜鋼絲

當前國內懸索橋主纜鋼絲強度最大值為1 770 MPa，比如南京長江第四大橋、虎門二橋和馬鞍山長江大橋等，而在國外超過該強度值，如蔚山哈伯大橋達到1 960 MPa，墨西拿海峽大橋和韓國光陽大橋都是1 860 MPa。懸索橋主纜鋼絲采用強度為1 770 MPa，能夠強化鋼絲的承載效率，降低材料用量和縮短項目工期，滿足綠色設計需求。近年來國外研究出鋅鋁合金鍍層，由于耐腐蝕性強于傳統熱鍍鋅鍍層的5倍，在國內外橋梁建設中都有所應用，應用該材料增加成本比較小，但可以降低后期維護成本，能夠體現環保、經濟、綠色和節能的優點。

3.3.2 主纜防護系統

公路橋梁設計中，可以應用“S型鋼絲+干燥空氣除濕”防護方案，在主纜鋼絲外部纏繞S型鋼絲，纏絲外部應用橡膠纏包帶，在鋼絲內部送入干燥空氣[6]。這種方式除了能提高主纜防護體系密封性之外，還能保護S型鋼絲，還具有美化橋梁景觀作用。這種方案能去除主纜內部水分，保障主纜內部空氣濕度，防腐防銹，提高主纜耐久性，提高公路橋梁的壽命。

4 結語

在公路橋梁設計中融入綠色設計理念，項目建設中需要綜合分析施工成本、項目質量和環保問題，針對性實施綠色設計施工技術。在研究的過程中有效分析預制裝配化建造技術和懸索橋技術結構設計帶來的綠色設計效果，進而提高公路橋梁設計水平，能夠滿足新時代項目綠色建設需求。

參考文獻

[1]鄢芳華， 曹海順. 下部結構預制拼裝技術在平原區高速公路橋梁中的運用[J]. 公路， 2020（9）： 137-140.

[2]季文超. 綠色施工背景下的公路橋梁施工技術[J]. 價值工程， 2019（29）： 241-242.

[3]唐歡， 鮑學英， 王起才， 等. 西北寒旱地區鐵路橋梁綠色施工環境影響的區間分析[J]. 鐵道標準設計， 2018（9）： 72-78.

[4]廖世儼， 魯東福， 李宇航. 公路橋梁設計BIM軟件體系與解決方案評價[J]. 建筑機械， 2021（9）： 73-76.

[5]周敉， 趙威， 劉陽， 等. 公路橋梁地震設計狀況荷載組合分項系數研究[J]. 中國公路學報， 2021（2）： 317-330.

[6]蘇利洪. 公路橋梁工程設計中樁基沉降簡析[J]. 價值工程， 2021（27）： 92-94.

收稿日期：2022-01-25

作者簡介：吳世剛（1963—），男，本科，高級工程師，研究方向：公路橋梁設計。