工業化建造山區中小跨徑橋梁上部結構研究

摘要 隨著高速公路建設的不斷推進，山區橋梁的建造越來越多，如何采用工業化的方式完成山區橋梁又快又好地建設是橋梁建造中需要解決的重要問題。為了對工業化建造山區中小跨徑橋梁的合理上部結構進行分析與研究，文章以蕪黃高速公路為依托，開展了基于工業化的上部結構選型研究，分析了山區橋梁工業化建造的合理上部結構形式，提出了山區中小跨徑橋梁的選型原則，本著工業化建造的理念對常見中小跨徑橋梁上部結構形式進行了分析比較，從耐久、經濟及合理且施工便利的角度分析對應的結構形式和建造方法。

關鍵詞 工業化建造；中小跨徑；上部結構；鋼板組合梁；短線法

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0057-03

0 引言

目前我國交通基礎設施建設正積極向著實現工業化建造的目標邁進，公路工程建設正處于轉型的關鍵時刻，但山區高速公路工程作為我國公路工程的重要組成部分，尚未形成系統的工業化建造技術體系。

工業化建造的理念最早起源于建筑行業。在西方國家，預制裝配式建筑發展很久，工業化建造體系相對成熟。荷蘭在SAR理論的實踐過程中，采用標準化的支撐體形成住宅結構的骨架，推動了標準化結構設計的發展。面對國家的工業化建設重任，我國原建工部提出了推進建筑工業化的要求，并推行了一系列措施[1-2]。

橋梁工業化的目的在于將現代化的設計、制造、運輸、安裝、管理等方式引入傳統的橋梁建設中，改善長期以來繁重、分散、低效、低水平的橋梁建造方式[3-5]。然而，山區高速公路橋梁往往存在地質條件復雜、地勢高低起伏較大等問題，為裝配式下部結構的應用提出了新挑戰。

橋梁的工業化建造是我國橋梁工程發展的必然趨勢之一。然而，工業化建造在我國山區高速公路工程中的發展仍舊較為有限，尚未形成完整的山區公路橋梁工業化建造技術體系。該文將詳細分析橋梁上部結構，并形成合理的結構形式，提出科學的建造方法。

受限于山區建設環境，山區高速公路橋梁建設中往往有大量的中小跨徑橋梁建設需求。據相關測算，單跨超過150 m的特大橋在山區高速公路橋梁中占比在10%～15%左右，而常規中小跨徑橋梁則占橋梁總數的85%～90%以上，因此山區中小跨徑橋梁成為控制工期及投資的關鍵因素之一。綜合上述分析，山區中小跨徑橋梁的選型在遵循技術先進、安全可靠、耐久適用、經濟合理的總體原則的同時，尤其應該體現以下原則和理念：

（1）以安全和耐久作為設計標準。

（2）將環保因素作為橋型方案的重要衡量指標。

（3）考慮全壽命周期的經濟效益成本。

（4）充分體現工業化建造理念。

1 工程概況

該項目依托工程為S11蕪湖至黃山高速公路項目?；谏絽^高速公路橋梁建設的復雜環境，從工業化角度出發，對山區橋梁的結構形式與施工方法進行創新，探索系統的山區高速公路橋梁工業化建造技術，可直接支撐山區高速公路橋梁工業化建造的發展。該項目的研究成果將為我國山區公路橋梁工程建設提供重要的實踐經驗，有效助推我國橋梁工業化建造的發展，應用前景廣闊，未來市場需求廣泛。

2 山區中小跨徑橋梁建造特點及選型原則

該文將分析山區高速公路橋梁的建造特點、山區中小跨徑橋梁的選型原則；提出山區中小跨徑橋梁建設應重視結構耐久性，注重環保，減少對自然環境的污染與干擾，橋梁工業化建造是滿足上述要求的重要手段；闡述了橋梁工業化建造的核心理念。

2.1 山區高速公路橋梁特點

受限于復雜的地理環境和地形地質條件，山區高速公路橋梁與平原區橋梁相比，具有以下技術特點[2]：

（1）路線線形布置復雜。

（2）橋梁工程規模大，橋梁分布呈間斷式。

（3）橋梁建造手段以預制裝配式為主。

2.2 山區中小跨徑橋梁選型原則

受限于山區建設環境，山區高速公路橋梁建設中往往有大量的中小跨徑橋梁建設需求。據相關測算，單跨超過150 m的特大橋在山區高速公路橋梁中占比在10%～15%左右，而常規中小跨徑橋梁則占橋梁總數的85%～90%以上，山區中小跨徑橋梁成為控制工期及投資的關鍵因素之一。綜合上述分析，山區中小跨徑橋梁的選型在遵循技術先進、安全可靠、耐久適用、經濟合理的總體原則的同時，尤其應該體現以下原則和理念：

（1）以安全和耐久作為設計標準。

（2）將環保因素作為橋型方案的重要衡量指標。

（3）考慮全壽命周期的經濟效益成本。

（4）充分體現工業化建造理念。

2.3 橋梁工業化建造核心理念

伴隨著我國城鎮化和城市現代化進程，能源與資源不足的矛盾越發突出，生態建設和環境保護的形勢日益嚴峻，建筑工業化作為可持續發展的生產方式，已得到國家政策的大力支持，步入快速發展軌道。公路行業作為建筑業的組成部分，承擔著交通基礎設施建設的重任，正面臨轉型發展的“機遇期”。以問題為導向，大力發展預制裝配式建造工藝，從標準化施工上升到工業化建造，將是推進公路建設轉型發展的重要變革。

與傳統橋梁建造方式相比，橋梁工業化建造具有提高工程質量、節約建設工期、便于施工管理、利于環境保護的優勢；通過設計、生產、安裝的標準化，實現構件可維修更換，便于質量控制和管理；生產工廠化和安裝機械化，現場工序少，能提高勞動生產率、縮短工期；同時工地現場粉塵量少、噪聲污染小，對環境的破壞和影響降低，資源利用率高[3]。

橋梁工業化建造的核心理念包括：

（1）結構的高強化、輕型化：推廣使用鋼結構等輕質高強結構，在降低材料用量的同時減輕結構自重，可以降低運輸和安裝成本，節約下部結構造價。

（2）構件通用化：通過設計標準化盡可能使得構件尺寸統一，提倡模塊化建造理念，減少模具數量，降低工程造價。

（3）安裝便利化：預制結構的特點和重點在于節段之間的連接。為提高建造效率，需要盡可能地減少現場接頭，多采用自穩定構件、減少輔助措施，節約工程造價的同時也降低施工難度。

（4）造價經濟化：根據經濟性原則，選擇合適的結構形式，控制不同結構的適用范圍。

3 山區中小跨徑橋梁常見的上部結構形式

常見上部結構形式：①空心板梁；②預制T梁；③預制小箱梁；④鋼板組合梁。

其中鋼板組合梁是在鋼結構和混凝土結構基礎上發展出的一種新型結構，與傳統鋼筋混凝土橋梁相比，可以減輕上部結構自重、減小地震作用、降低下部結構造價，同時采用預制橋面板的鋼板組合梁省去了高空支模工序，通過工廠預制和現場裝配的方式縮短了施工周期、提高了施工質量，建成效果如圖1所示。與純鋼結構相比，鋼板組合梁在減少用鋼量的同時，結構剛度、整體性及穩定性有了提升，抗火性和耐久性也較好。我國近年來鋼板組合梁結構的應用實踐表明，這種結構形式兼具鋼結構和混凝土結構的優點，適于工業化建造，是中小跨徑橋梁的重要發展方向之一。

4 山區中小跨徑橋梁常見上部結構形式性能比較分析

該文基于研究提出的山區中小跨徑橋梁選型原則，從施工便利性、耐久性、經濟性、運營期維護及山區環境適用性等角度，對常見上部結構形式進行了比選，綜合分析比較表明鋼板組合梁是實現山區中小跨徑橋梁工業化建造的一種較為合適的橋型；基于工業化建造思路，介紹了3種具有代表性的少主梁體系鋼板組合梁，相關測算表明其具有良好的經濟指標，為鋼板組合梁的規?；ㄔ斓於ɑA。

4.1 山區中小跨徑橋梁常見上部結構形式綜合性能比較

該文結合山區建設環境需求，從工業化建造的角度出發，對常見中小跨徑上部結構形式的綜合性能進行比較：

（1）空心板梁：此結構雖施工工藝簡單，但耐久性較差，尤其是鉸接縫處易產生病害，導致其養護費用高；山區橋梁一般結構跨徑較大，但空心板梁只在長度20 m以下結構中才有較高的經濟性，且其跨越能力小，不適用于山區結構。

（2）預制T梁：結構為工廠預制、現場拼裝，施工工藝成熟簡單，因此其造價低，且養護簡單、費用低；結構耐久性一般，僅適用曲率半徑小的橋梁，在山區中橋梁建筑高度高，橋型不美觀。

（3）預制小箱梁：此結構同樣為工廠預制，現場拼裝，施工工藝成熟簡單，造價略高于T梁；耐久性一般，養護費用低但箱室內部檢查困難；預制箱梁重量較大，尤其在山區中吊裝較困難且景觀效果一般。

（4）鋼板組合梁：此結構為工廠化施工，簡單便利；耐久性良好，因此維護費用主要為鋼梁的涂裝；其在山區中穩定性好，抗扭能力強，適于工業化建造，景觀效果好；雖造價略高于小箱梁，但可通過結構優化提高經濟性指標。

綜上所述：鋼板組合梁是山區中小跨徑橋梁上部結構比較適用的一種橋型方案，其與傳統的混凝土梁橋相比具有良好的受力性能和耐久性，同時可通過體系創新和結構優化提高經濟性指標，對于山區建設環境具有較好的適應性，能夠解決山區中小跨徑橋梁工業化建造的問題。

4.2 山區中小跨徑鋼板組合梁工業化建造思路及經濟性分析

全鋼結構橋梁實現工業化建造非常便利，但其應用在中小跨徑橋梁中時經濟性不占優勢。結合發達國家的經驗，在美國、歐洲、日本等國的橋梁建設中，組合結構橋梁占有重要地位。對于山區高速公路中小跨徑橋梁的工業化建造而言，可以采用少主梁體系鋼混組合結構，其結構體系經濟合理，鋼梁與橋面板均采用工廠化預制，充分發揮兩種材料的性能，且自重較輕，能夠降低下部結構造價。

在系列研究的基礎上，該文形成了非支撐橫梁體系雙主梁鋼板組合梁結構，采用全寬預制混凝土橋面板，橋面板為橫向支承板、單向預應力結構，縱向設普通鋼筋，橫向設置預應力鋼束；主梁為等高工字形截面，跨內橫梁為小橫梁，支點橫梁為加強中橫梁，支點端橫梁為大橫梁；主梁與混凝土橋面板之間通過剪力釘群連接[4]，如圖2所示。

35 m六車道鋼板組合梁的經濟指標測算表明，其材料指標更加優化，與相同跨徑的小箱梁相比，上部結構自重減輕40%，因而下部結構造價明顯降低（40%左右），上部結構造價雖然略有增加，但是總造價降低了8.6%。與相同跨徑T梁相比，Ⅱ型鋼板組合梁下部結構造價可降低20%左右，上部結構造價略高，從而在總體造價上略高于T梁（10%左右）。從總造價上來看，Ⅱ型鋼板組合梁經濟性介于同等跨徑T梁和小箱梁之間，充分表明新型鋼板組合梁良好的經濟性指標，為鋼板組合梁的規?；ㄔ斓於ɑA。

5 結論

為明確山區中小跨徑橋梁的合理上部結構形式，該文從山區高速公路橋梁的建造特點出發，提出了山區中小跨徑橋梁的選型原則，基于工業化建造的理念對常見中小跨徑橋梁上部結構形式進行了分析比較，得到了以下結論：

（1）山區中小跨徑橋梁建設應重視結構耐久性，注重環保、減少對自然環境的污染與干擾，橋梁工業化建造是適應上述原則的重要手段。

（2）綜合比較而言，鋼板組合梁是山區中小跨徑橋梁上部結構比較適用的一種橋型方案，其與傳統的混凝土梁橋相比具有良好的受力性能和耐久性，同時可通過體系創新和結構優化提高經濟性指標，對于山區建設環境具有較好的適應性，能夠解決山區中小跨徑橋梁工業化建造的問題。

（3）前期的相關應用及經濟性測算表明，少主梁體系鋼板組合梁具有良好的經濟指標，例如非支撐橫梁體系全寬預制橋面板鋼板組合梁經濟性介于同等跨徑T梁和小箱梁之間，可以應用于山區中小跨徑橋梁的規?；ㄔ飚斨?。

參考文獻

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