新型鋼板組合梁結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用分析

吳平平

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽合肥210088）

新型鋼板組合梁結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用分析

吳平平

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽合肥210088）

濟(jì)祁高速合肥段淮河特大橋引橋在國(guó)內(nèi)首次采用了新型鋼板組合梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)材料使用性能、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、施工成本、橋梁景觀、環(huán)境保護(hù)和結(jié)構(gòu)耐久性等因素對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的分析，證明是其是一種經(jīng)濟(jì)合理的橋梁結(jié)構(gòu)形式，是現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)所在。

鋼板組合梁；使用性能；結(jié)構(gòu)安全性；造價(jià)；景觀；環(huán)境保護(hù)

1　概述

濟(jì)祁高速合肥段淮河特大橋11 km長(zhǎng)度引橋工程中，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用新型鋼板組合梁橋形式，標(biāo)準(zhǔn)跨分別為30 m和35 m，采用三跨或四跨一聯(lián)的方式，橋面全寬26.5 m，基于雙向四車(chē)道的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并采用分幅方式。35 m鋼板組合梁橋的立面布置見(jiàn)圖1，包含了鋼梁、鋼梁加勁板、橫梁、混凝土橋面板等構(gòu)件。

鋼板梁橋主梁斷面采用直腹式雙工字鋼板組合梁，梁橋最長(zhǎng)跨為35 m，雙主梁間距7.225 m，中心線處的梁高均為1.75 m，混凝土橋面板和鋼主梁通過(guò)栓釘連接，雙主梁之間采用中橫梁加強(qiáng)橫向聯(lián)系，中橫梁的標(biāo)準(zhǔn)間距5 m，橋梁的跨中標(biāo)準(zhǔn)斷面和橫梁處斷面見(jiàn)圖2。

組合鋼板梁橋橋面板由預(yù)制板和縱橫向濕接縫構(gòu)成，鋼板梁橋采用滿堂支架吊裝到位后，吊裝預(yù)制橋面板并澆筑濕接縫混凝土完成共同受力，考慮到鋼板組合連續(xù)梁橋的受力特點(diǎn)，正彎矩區(qū)域采用C40混凝土，負(fù)彎矩區(qū)域采用PVA纖維混凝土橋面板。

2　鋼板梁組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用［1-5］

組合結(jié)構(gòu)橋梁由于多項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用，得到了良好的機(jī)能和耐久性，快速施工縮短了投資回報(bào)期，多樣化結(jié)構(gòu)適應(yīng)了不同橋位不同跨度橋梁建設(shè)的需求和景觀要求，簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)減少了橋梁施工和維修管理工作量，所以組合結(jié)構(gòu)橋梁在近二十年來(lái)得到了飛速的發(fā)展。根據(jù)法國(guó)1990～1993年建設(shè)的橋梁上部結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，公路組合梁橋在跨長(zhǎng)30～110 m范圍內(nèi)最有競(jìng)爭(zhēng)力，在60～80 m跨長(zhǎng)范圍內(nèi)有明顯優(yōu)勢(shì)，公路組合梁橋占有率達(dá)85%。在法國(guó)TGV高速鐵路線上，20世紀(jì)90年代建成的TGV北線，組合梁橋占有率為45%，2001年6月建成TGV地中海線，組合梁橋占有率上升至80%，其余20%為PC梁。在橋梁建設(shè)造價(jià)上，在跨長(zhǎng)40～80 m范圍內(nèi)，組合梁比PC梁更經(jīng)濟(jì)一些，英國(guó)、德國(guó)、北美、日本的組合梁橋的應(yīng)用與法國(guó)大體相近，見(jiàn)圖3、圖4。

3　新型鋼板梁結(jié)構(gòu)及與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比

3.1材料受力和使用性能對(duì)比

目前，社會(huì)發(fā)展強(qiáng)烈呼吁降低橋梁等交通設(shè)施的建設(shè)造價(jià)，提高其安全性、耐久性、使用性、景觀性和環(huán)保性。對(duì)于傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋，其自重大，施工期長(zhǎng)，大量就地開(kāi)采砂石材料，雖然材料費(fèi)較低，但對(duì)周邊自然環(huán)境造成破壞和大氣粉塵污染，同時(shí)混凝土材料因鹽害、中性化、堿骨料反應(yīng)和凍融等引起的劣化是不可回避的問(wèn)題。對(duì)于鋼橋，壓屈、疲勞、腐蝕、振動(dòng)、噪音、對(duì)溫度變化的敏感性等，也是難以回避的問(wèn)題。

組合結(jié)構(gòu)橋梁由鋼結(jié)構(gòu)抗拉、混凝土抗壓，充分發(fā)揮兩種材料的使用性能，可使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、維修更趨合理并具全壽命經(jīng)濟(jì)性?；炷两Y(jié)構(gòu)作為橋面板可以克服鋼構(gòu)件的疲勞和防腐問(wèn)題，鋼構(gòu)件作為主受力構(gòu)件可以有效提高橋梁的使用壽命，與混凝土梁橋相比，自重輕，可以大幅降低恒載比例，減小對(duì)下部構(gòu)造和基礎(chǔ)的要求，節(jié)約造價(jià)。

3.2造價(jià)對(duì)比分析

根據(jù)目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的發(fā)展現(xiàn)狀，受?chē)?guó)家能源及環(huán)境政策的影響，目前市場(chǎng)上的砂、石等材料相比于2013年初增幅較大，甚至已經(jīng)達(dá)到100%的水平。而鋼材價(jià)格有較大幅度的下降，鋼價(jià)從高峰值到今年年底降幅已超過(guò)1 000元/t。從長(zhǎng)期趨勢(shì)看，由于社會(huì)對(duì)環(huán)境的要求越來(lái)越高，砂石材料的成本也會(huì)越來(lái)越高，而鋼材的原材料多來(lái)自于進(jìn)口的鐵礦石，且產(chǎn)能極為過(guò)剩，鋼材價(jià)格處于長(zhǎng)期穩(wěn)定，甚至小幅下跌狀態(tài)。因此從材料利用角度，采用鋼結(jié)構(gòu)是有利的。

圖2　鋼板組合梁橋的橫斷面布置圖（單位：mm）

圖3　法國(guó)組合梁橋在不同跨長(zhǎng)上的分布率（1993年）

圖4　法國(guó)不同跨長(zhǎng)PC梁橋與組合梁橋的造價(jià)比較（1995年）

濟(jì)祁高速合肥段淮河特大橋在引橋設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)不同方案的橋型進(jìn)行了造價(jià)對(duì)比，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　橋型方案經(jīng)濟(jì)比較

從表1可以看出，根據(jù)直接建設(shè)成本計(jì)算結(jié)果，35 m鋼板梁結(jié)構(gòu)比小箱梁結(jié)構(gòu)造價(jià)低約10%。

3.3施工性對(duì)比分析

新型組合梁采用雙主梁體系，采用整聯(lián)頂推或者龍門(mén)吊吊裝，重量輕，速度快。鋼梁為工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，質(zhì)量可控。橋面板采用工廠化預(yù)制，構(gòu)造簡(jiǎn)單，不需內(nèi)模，質(zhì)量容易控制。上部結(jié)構(gòu)不設(shè)預(yù)應(yīng)力，施工簡(jiǎn)單，同時(shí)避免了預(yù)應(yīng)力管道的通病。

而傳統(tǒng)小箱梁每跨需要分四次吊裝，施工工期提高一倍以上。小箱梁構(gòu)件尺寸單薄，預(yù)制質(zhì)量較難控制，出現(xiàn)病害的幾率高，耐久性較差。

3.4景觀性對(duì)比分析

鋼板組合梁結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了早期的多主梁、冗約束體系之后，隨著計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法的完善，以及材料指標(biāo)和施工工藝的進(jìn)步，對(duì)鋼板梁組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大幅優(yōu)化，取消了原設(shè)計(jì)中繁雜的空間冗余約束構(gòu)件，代之以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、受力明確的少主梁或雙主梁體系，雙主梁方案可以充分發(fā)揮材料的承載性能，減輕了結(jié)構(gòu)自重，空間通透，易于維護(hù)，外觀簡(jiǎn)潔、美觀。而傳統(tǒng)小箱梁采用多主梁布置，空間顯得零亂壓抑，不通透，景觀效果較差，見(jiàn)圖5、圖6。

圖6　新型鋼板組合梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、美觀

4　新型鋼板梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)先進(jìn)性［6-7］

鋼板組合梁橋的設(shè)計(jì)和應(yīng)用涉及到預(yù)制橋面板和鋼梁的設(shè)計(jì)方法、新型剪力鍵應(yīng)用、結(jié)構(gòu)耐久性技術(shù)、新型施工工法、運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)技術(shù)、PHC管樁等新技術(shù)的應(yīng)用，正是由于多項(xiàng)新技術(shù)的綜合應(yīng)用，使組合結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮良好的機(jī)能和耐久性，快速施工縮短了投資回報(bào)期，多樣化結(jié)構(gòu)適應(yīng)了不同橋位不同跨度橋梁建設(shè)的要求，簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)減少了橋梁施工和維修管理工作量，所以組合結(jié)構(gòu)橋梁相比于傳統(tǒng)的混凝土小箱梁橋，在技術(shù)上具有明顯創(chuàng)新型和先進(jìn)性，也正因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和對(duì)材料的充分利用所體現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益，使得鋼板組合梁在近二十年來(lái)得到了飛速的發(fā)展，在國(guó)內(nèi)隨著勞動(dòng)力成本增加和砂石資源的逐步萎縮，組合結(jié)構(gòu)正引起越來(lái)越多的研究和應(yīng)用。

同時(shí)，鋼板組合梁橋在高速公路上的規(guī)模化應(yīng)用在國(guó)內(nèi)屬于首次，這種工廠化預(yù)制、標(biāo)準(zhǔn)化施工的新型結(jié)構(gòu)的采用不僅有利于節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、降低造價(jià)，而且對(duì)于提升整個(gè)高速公路的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)水平和科技創(chuàng)新具有重要意義。

此外混凝土材料為一次性利用，不再有回收利用價(jià)值，砂石等材料的開(kāi)采利用對(duì)環(huán)境的破壞性很大，資源利用率低，生產(chǎn)能耗高。而組合結(jié)構(gòu)只要養(yǎng)護(hù)措施完善，在設(shè)計(jì)壽命之后鋼材的回收利用率可達(dá)30%，可有效降低造價(jià)，節(jié)約資源，在當(dāng)前倡導(dǎo)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的大背景下具有深刻的意義。

5　結(jié)語(yǔ)

濟(jì)祁高速合肥段淮河特大橋引橋規(guī)模較大，引橋造價(jià)占到整個(gè)大橋總造價(jià)的80%，通過(guò)材料使用性能、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、施工成本、橋梁景觀、環(huán)境保護(hù)和結(jié)構(gòu)耐久性等因素的考慮，引橋采用鋼板組合梁橋是先進(jìn)合理的。目前本項(xiàng)目施工進(jìn)展順利，總結(jié)本新型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

（1）新型標(biāo)準(zhǔn)鋼板組合梁結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)濟(jì)合理的橋梁結(jié)構(gòu)形式，是現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)所在。

（2）材料指標(biāo)的控制、設(shè)計(jì)方案的精細(xì)性和施工方法的合理性是本結(jié)構(gòu)能以加以推廣的關(guān)鍵。

（3）新型標(biāo)準(zhǔn)鋼板組合梁結(jié)構(gòu)可以真正讓裝配化、模塊化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思想和理念充分實(shí)現(xiàn)。

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U448.21+6

B

1009-7716（2015）05-0071-03

2015-02-02

吳平平（1979-），男，安徽桐城人，高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)及研究工作。