某高速公路橋梁結構設計及選型研究

葉洪波 YE Hong-bo

（河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，鄭州 450000）

1 公路橋基本概況

①地質概述：本橋梁為高速公路的重要組成部分，橋梁所在橋址的地表覆蓋主要由塊石土構成，這些塊石土的厚度介于1.5m 至3m 之間。而其下方的土層則主要由粉土、砂土以及粉質粘土等多種土壤類型組成，呈現出復雜的地質特性。

②水文特征分析：本橋梁所在河段的通航水位標定為326.473m，該地區對于防洪標準的要求較高，設計洪水頻率為百年一遇。

③灘槽分布詳情：橋梁跨越的河段具有明確的灘槽分布。具體而言，左灘寬度為55.3m，主河槽寬度達到60.35m，右灘的寬度則為53.3m。

2 方案比選簡介

方案比選的主要任務如下：

項目背景和要求：確定項目的基本背景、目標和要求，包括交通需求、荷載要求、使用壽命、施工期限等方面的信息。交通分析：進行對交通流量、車型、車速等方面的分析，以確保設計的橋梁結構滿足實際交通需求。地質和地形條件：了解項目所在地區的地質和地形情況，這將影響到橋梁的基礎設計和結構選擇。荷載分析：根據當地的標準和規范，進行橋梁的荷載分析，包括靜荷載和動荷載。橋型選擇：根據項目的特點，初步確定適用的橋型，如梁式橋、拱橋、索塔懸索橋等。考慮橋型的經濟性、施工可行性和技術可行性。建筑材料：選擇適當的建筑材料，考慮材料的強度、耐久性、抗腐蝕性等因素。支座類型：考慮使用何種支座類型，以滿足橋梁的變形和伸縮需求。技術可行性：對初步方案進行技術可行性評估，包括結構的穩定性、抗震性、施工難度等方面的考慮。經濟可行性：進行初步的經濟評估，考慮建設成本、維護成本、使用壽命等方面的因素。社會和環境因素：考慮橋梁設計對周邊社區和自然環境的影響，確保設計符合可持續發展的原則。初步預算：估算每個方案的初步建設成本，以便在后續的比選中考慮經濟性。初步方案報告：撰寫初步方案報告，詳細描述每個設計方案的關鍵特點、優劣勢和技術參數，以便進行后續的評審和比選。

項目方案的確定需要經過嚴格的評選和比較，要考慮包括上述指標在內的各種指標規范，經過對各方案指標的比選確定一個技術經濟性最優的方案。依據橋梁設計準則，一個優秀的方案應當實現造價低廉、材料節約、勞動力投入少且橋型美觀。然而，在技術要素或使用性質有特殊要求的情況下需要結合特殊要求以能到達特殊要求指標后再考慮其他指標，需特別關注設計的核心要點。技術的提升通常伴隨著造價的增加，各要素間相互制約，因此，在方案對比時，必須根據任務要求、地形資料及施工條件，明確關鍵問題，區分主次，以進行全面評估。

3 技術標準

根據設計要求，主要技術指標如下：

①設計荷載：一級公路，雙向六車道。

②設計車速：80km/h。

③橋面寬度：雙幅分離式，每幅橋寬17.5m：0.5m 防撞欄＋2m 人行道＋2.5m 右路肩＋11.25m 行車道＋0.75m 左路肩＋0.5m 防撞欄，兩幅橋之間間距0.5m。

④橋面坡度：縱坡3%，橫坡1.5%。

⑤通航標準：Ⅲ級航道，雙向通航孔，凈高H 為10m，凈寬B 為60m，上底寬b 為45m，側高h 為6m，通航水位為326.473m。

⑥設計洪水頻率：按百年一遇洪水頻率，設計水位為337.765m。

⑦設計基準期：100 年。

4 方案比選

4.1 方案一：預應力混凝土連續剛構橋

該方案設計的預應力混凝土連續剛構橋，總跨徑達到199.0m，由三個跨段組成，分別為52m、95m 和52m，整體橋型布局可參見圖1。

圖1 預應力混凝土連續剛構橋布置示意圖

方案的核心構造包括：主橋上部結構采用（52m+95m+52m）的預應力混凝土變截面連續箱梁，這種設計能夠提升橋梁的承載能力和結構穩定性。墩梁部分通過固結方式連接，增強了橋梁的整體性。箱梁截面設計獨特，按照1.8次拋物線的規律變化，以實現力學性能的優化。主梁截面被設計為雙幅單箱單室箱梁結構，這種結構在提高橋梁剛度的同時，也優化了橋梁的空間利用率。至于橋梁的下部結構，則選用了雙肢薄壁墩與鉆孔灌注樁群樁基礎的組合。

4.1.1橫截面尺寸擬定

跨中截面的詳細參數如下：箱梁高度設計為2.5m，頂板寬度達12m，底板寬度為6.4m。頂板厚度為40cm，底板厚度為32cm，而腹板的厚度則設定為50cm。此外，橋面特別設置了1.5%的單向橫坡。

對于支點截面，其箱梁高度增至6.0m，以增強支撐穩定性。頂板寬度和底板寬度與跨中截面保持一致，分別為12m 和6.4m。頂板厚度仍為40cm，但底板厚度增加至100cm，腹板厚度也相應增至75cm，以提供更強大的支撐力。同樣，橋面也設置了1.5%的單向橫坡。

4.1.2基礎

主橋橋墩設計為雙肢薄壁墩結構，其橫橋方向寬度精確至6.4m，每個單薄壁的厚度為2m，這種設計旨在實現結構輕量化和優化承載能力。承臺部分則選用了尺寸為12m×12m×4m 的鋼筋混凝土結構，以確保穩固的支撐力。橋梁的基礎設計為群樁基礎，特別采用的是嵌巖樁，其樁徑為1.7m。

4.2 方案二：下承式系桿拱橋

其核心設計特點在于主跨達到100m，并具備20m 的矢高，總跨徑為100m，詳細的橋型布置可參考圖2。

圖2 下承式系桿拱橋布置示意圖

此方案由以下要素構成：主拱圈設計為鋼箱截面，高度設定為2.0m，并且主拱圈是采用拼裝方式構建；拱上建筑橋面系統則選擇雙幅整體式橋面設計。在橫截面尺寸的規劃上，單個拱肋的高度為2.0m，寬度為1.5m。橋梁的下部結構基礎選用了群樁基礎，以增強穩定性。橋面特別設計了1.5%的單向橫坡，以提升排水效率和行車安全。主梁的施工方法采用的是纜索吊裝施工，這種方法在確保施工質量的同時，也能有效提升施工效率。

4.3 方案三：預應力混凝土連續梁橋

其總跨徑達到199.0m，具體分布為52m、95m 和52m三個跨段，整體橋型布局可參考附圖3。

圖3 預應力混凝土連續梁橋布置示意圖

本方案主要由以下要素構成：主橋上部結構設計為預應力混凝土變截面連續箱梁，其跨徑組合為52m+95m+52m。箱梁截面根據1.8 次拋物線的規律變化，以實現最佳的結構性能和承載能力。主梁截面則采用雙幅單箱單室的設計，旨在提高橋梁的剛度和空間利用率。橋梁的下部結構采用箱型空心墩與鉆孔灌注樁群樁基礎的組合，旨在為橋梁提供穩固的支撐。

4.3.1橫截面尺寸擬定

跨中截面與支點截面的詳細參數如下：在跨中位置，箱梁的高度設定為2.5m，頂板寬度達到12m，為車輛通行提供充足空間。底板寬度為6.4m，確保了結構的穩定性。頂板、底板和腹板的厚度分別為40cm、32cm 和50cm，這些尺寸均經過精心計算，以滿足結構強度和剛度的要求。同時，橋面特別設計了1.5%的單向橫坡，以提升排水效率和行車安全性。在支點截面位置，箱梁高度增加至6.0m，頂板寬度為12m，底板寬度設計為6.4m，頂板厚度為40cm，底板厚度增加至100cm，腹板厚度也相應增至75cm，從而確保支點處的結構穩固性。

4.3.2基礎

采用箱型空心墩作為主橋橋墩設計，其橫橋方向寬度為8.4m，順橋方向寬度為3.5m，壁厚為0.8m。承臺部分選用了12m×12m×4m 的鋼筋混凝土結構。橋梁的基礎設計仍然為群樁基礎，樁基礎設計采用的是嵌巖樁，樁徑為1.7m，以確保橋梁的長期穩定性和安全性。

5 橋型方案比較

三種橋型設計方案的具體參數比較如表1 所示。

表1 三種橋型方案比較

①從實用性角度來看，連續梁橋與連續剛構橋在行車方面展現出顯著的平順性、通暢性和安全性，充分滿足了現代交通運輸的需求。這兩種橋型的施工技術已經相當成熟，能夠有效保證工程質量。同時，它們提供的橋下凈空較大，非常有利于泄洪。相比之下，下承式系桿拱橋由于屬于有推力體系，對地基條件有較高要求，導致其每百米的造價相對較高。②在經濟性評估中，發現連續剛構橋和連續梁橋在造價上均低于拱橋，顯示出更優越的經濟性。這使得連續剛構橋和連續梁橋在橋型比選中占據有利地位。③從安全角度考慮，連續剛構橋的經濟跨徑與合理的受力設計較好。④在美觀方面，連續剛構橋的橋墩固結設計給人一種穩固的安全感，為人們提供了良好的視覺效果。⑤就工期而言，采用的懸臂施工方法允許在多個橋墩上同時進行作業，且不會相互干擾，從而顯著縮短了整體施工周期。綜合以上各方面比選，方案1 的連續剛構橋和方案3 的連續梁橋均表現出較高的適應性，因此下文將進一步從工程造價角度對兩者進行詳細比較。

6 基于價值工程的造價比選

針對上述選出的兩種橋型的工程造價進行選擇，主要對關鍵工藝和設計方案進行優化比選。具體步驟如下：

6.1 確定比選對象

采用價值工程方法進行方案選擇，不僅關注工程造價的降低，更注重提升工程功能與造價之間的比值，尋求功能與成本的最佳平衡點，以實現優質且經濟的建設目標。為此，選定上部結構、下部結構和基礎工程作為關鍵比選對象。

6.2 資料收集

系統地收集了方案1 和方案3 中關于上部結構、下部結構和基礎工程的設計文件及預算資料，以便進行詳細的比較分析。

6.3 功能分析與重要性評估

對于本跨河大橋的設計方案，將其功能明確定義為滿足特定的交通需求和安全標準。將這些功能細分為基礎、下部結構和上部結構三個主要部分。鑒于橋梁的整體性和安全性要求，這三部分均被視為同等重要，詳細評估如表2 所示。

表2 功能劃分表及功能比重表

基于上述功能區域的劃分，本研究選擇了使用要求、結構安全、施工工藝以及美觀作為核心評價指標，并制定了詳細的評價表（如表3 所示）。通過采納專家意見，為這四個指標分別賦予了相應的權重：使用要求占0.45，結構安全占0.40，施工工藝占0.10，美觀占0.05。為對這些指標進行科學的分析對比，本研究采用了德爾菲評價法，并設定了評分等級：1 代表“不好”，3 代表“同等”，5 代表“好”。

表3 功能指標評比表

根據表2 的數據進行計算，可得出以下結果：

方案1 的加權得分為9×0.45＋11×0.4＋7×0.1＋9×0.05=9.6，其功能評價系數（即得分與總分值的比例）為0.5333。

方案3 的加權得分為9×0.45＋7×0.4＋11×0.1＋9×0.05=8.4，其功能評價系數（即得分與總分值的比例）為0.4667。

6.4 方案設計與評價

根據表4 的詳細數據分析，可發現方案3 呈現出最高的價值系數，因此，推薦采用方案3 作為本次建設的首選方案。

表4 各方案價值系數計算

通過深入的基礎資料研究和比對，進一步發現，在滿足預定功能需求的前提下，通過調整基礎樁身的長度和樁徑，可以實現顯著的成本節約。具體來說，預計能節省造價4680120 元，其中基礎混凝土成本可減少4273440 元，基礎鋼筋成本可降低866695 元。此外，下部結構混凝土的節省額度為287143 元，而下部結構鋼筋的成本則可大幅減少14250769 元。對于上部結構，預計混凝土成本能節約2692 元，鋼筋成本則可節省高達7224618 元。這些調整不僅顯著降低了總體建設成本，同時還能確保項目的使用功能不受影響。

7 結論

在安全性方面，三種方案均能滿足行車和通航的安全標準，但預應力混凝土連續梁橋在施工技術上更為成熟，從而提供了更高的施工安全性能。從功能性角度看，連續梁橋提供了優越的行車條件，路面平順且承載能力強。從經濟性角度分析，連續梁橋在設備使用和鋼材消耗上均相對較少，因此造價較低。鑒于橋梁比選的首要標準是安全性和經濟性，因此，選擇預應力混凝土連續梁橋，盡管其外觀不如拱橋優越，但在安全性和經濟性方面表現更優。