山區(qū)高速公路大中橋梁方案設計比選

柴加兵

(遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110116)

山區(qū)高速公路路線走向復雜，投資巨大，山區(qū)高速公路的大中橋梁合理設計方案是高速公路建設的重中之重。筆者以本桓寬高速公路寬甸支線大中橋梁方案設計研究為基礎，對型鋼組合梁在山區(qū)高速公路大中橋梁中應用進行深入研究，希望能為以后山區(qū)高速公路大中橋橋梁方案選擇提供參考。

1 工程概況

本溪至寬甸高速公路(以下簡稱本寬支線)是遼寧省高速公路網(wǎng)的重要組成部分，是本溪至集安高速公路(G9111)與鶴崗至大連高速公路(G11)兩條國高網(wǎng)項目的縱向連接線。

本溪至寬甸高速公路起于本溪市桓仁縣八里甸子鎮(zhèn)，經(jīng)丹東市寬甸縣雙山子鎮(zhèn)、灌水鎮(zhèn)，終于寬甸縣大川頭鎮(zhèn)，接鶴大高速公路，本寬支線起點樁號K0+000，終點樁號K46+127.311，路線全長46.127km。全線擬按雙向四車道高速公路全封閉、全立交標準修建，設計速度采用100km/h，整體式路基寬度26m。

圖1 路基標準橫斷面圖(單位:cm)

寬甸支線共設置大橋10座，全長2225m；中橋10座，全長746m；主線上跨分離式立交6座，全長1519.5m。橋梁全長為4490.5 m，全線大中橋梁占比為9.74%。

2 橋梁設計原則

針對本項目所處位置的地形、地質(zhì)、工程特點,橋涵方案的選擇基本遵循以下原則：

(1)以人為本。一般不降低原有河道、溝渠功能，盡量不破壞原有水系和排灌網(wǎng)絡，橋梁跨度不壓縮河床洪水宣泄斷面，不改變現(xiàn)有河流特性；盡量根據(jù)工程實際地形設置高速公路的橫向穿越或跨越結構物，以滿足沿線工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的需要。

(2)橋位選擇一般服從路線走向，結合橋位處水文、地形、地物、地質(zhì)等條件合理布設；部分橋孔兼跨地方道路；大橋應注意橋路配合，當橋梁位于平曲線上時，可做曲線橋或折線橋；橋上縱坡一般應服從路線設計需要[1]。

(3)橋型結構以“技術先進、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟合理、造型美觀、有利環(huán)?！睘樵瓌t，因地制宜，就地取材，便于施工和養(yǎng)護[2]。

(4)一般大中橋橋型結構以中小跨徑為主，力求標準化、裝配化，以方便施工、縮短工期、降低工程投資[3]。

(5)橋臺形式根據(jù)不同的地形、地質(zhì)條件，合理選擇重力臺、承臺分離式橋臺以及肋板式橋臺等橋臺形式。臺后填土高度一般控制在5～12m的范圍內(nèi)。

(6)本路段沿線地形復雜，山高坡陡，布設于陡坡上的橋墩，須結合橋高及橫斷面情況合理選擇適宜的下部結構形式。

(7)分離式跨線橋在滿足當?shù)刂虚L期發(fā)展路網(wǎng)規(guī)劃需要的前提下，盡量留足富余空間，以方便當?shù)亟煌ú块T改擴建現(xiàn)有道路，同時根據(jù)當?shù)孛褡逄厣褡辶晳T優(yōu)化選擇橋梁結構形式，實現(xiàn)人、車、路完美和諧。

根據(jù)本項目的特點，在橋型方案選擇中，遵循特殊大橋特殊設計，一般特大、大、中橋采用常規(guī)設計的原則，盡量采用通用圖設計方案，在立體交叉處盡量采用現(xiàn)澆結構，以方便施工和使設計更合理；采用預制上部結構的，同一座橋中盡量采用同一種跨徑，不宜采用不同跨徑，方便預制場地布置，節(jié)約預制設備投入；下部盡量減少墩徑的種類，降低施工單位模板工程投入。

3 橋梁設計標準

大中橋梁采用如下設計標準:

(1)汽車荷載：公路-I級。

(2)結構設計安全等級：一級。

(3)地震動峰值加速度： 0.05g。

(4)橋梁抗震設防類別： C類。

(5)設計洪水頻率：大、中橋1/100。

(6)大中橋橋?qū)挘?.50m防撞護欄+凈11.25m行車道+1.50m中分帶+凈11.25m行車道+0.50m防撞護欄=25.0m。

(7)河流通航等級：本項目的河流無通航要求。

圖2 橋梁標準橫斷面圖(單位：mm)

4 上部結構方案設計比選

4.1 方案設計比選原則

(1)對于跨越既有高速公路及主要交通干道橋梁，進行混凝土結構與鋼結構比選，考慮到對橋下運營道路的影響，優(yōu)先選用鋼結構橋梁作為推薦方案。

(2)對于主線常規(guī)跨徑橋梁，采用預制混凝土結構與鋼結構進行充分比選，從建安費、施工難易程度、養(yǎng)護費用等方面綜合考慮，確定推薦方案。

(3)對鋼結構橋梁方案比選時考慮橋梁全壽命周期影響，包括混凝土橋梁后期養(yǎng)護、鋼結構橋梁采用耐候鋼減少橋梁后期養(yǎng)護費用、鋼結構橋梁壽命結束后鋼材回收等影響。

4.2 方案設計比選

(1)跨越既有高速公路橋梁及主要交通干道橋梁的對比

考慮鋼混結構的施工工期較短、對橋下交通的影響較小、施工安全性好等因素，為減小施工過程對交通的干擾和環(huán)境的不利影響，減小交通封堵帶來的經(jīng)濟損失，跨越現(xiàn)狀高速公路及主要國省干道采用鋼結構橋梁。最終采用鋼混組合梁結構作為推薦方案，現(xiàn)澆預混凝土結構作為比較方案。

(2)主線常規(guī)跨徑橋梁的對比

16m、20m跨徑橋梁常用結構形式為空心板，空心板具有結構形式簡單、建筑高度低、用材經(jīng)濟等優(yōu)點，成為以前國內(nèi)公路橋梁20m以下跨徑橋梁的首選橋型。但受施工、自然侵蝕及運營環(huán)境等因素的影響，建成后的空心板梁橋，隨著服役時間的延長，逐漸出現(xiàn)材料劣化、裂縫、鉸縫損傷等病害，尤其鉸縫是易損部位，在東北地區(qū)冬季常使用除冰鹽，從而大大加劇鉸縫的破壞進程，因此降低了空心板梁橋鉸縫結構耐用性，這些病害的不斷累積和發(fā)展，嚴重降低橋梁的承載性能并危及行車安全。為了降低公路橋梁病害數(shù)量，改善公路運行條件，許多省份已經(jīng)開始用預制矮T梁等結構取代空心板梁，為此我們提出了采用熱軋型鋼組合梁代替?zhèn)鹘y(tǒng)空心板梁結構的方案。

(3)熱軋型鋼組合梁的優(yōu)勢

型鋼組合梁與鋼板組合梁類似，依然是由混凝土橋面板和工字鋼板梁疊合形成組合截面，但鋼梁部分用熱軋型鋼代替焊接工字鋼。

與預制矮T梁、小箱梁相比，熱軋型鋼組合梁具有組合梁自身的明顯優(yōu)勢，重量輕、安裝方便、便于工廠化施工、同時避免了混凝土梁腹板、預應力錨下裂縫等質(zhì)量通??；與焊接鋼板組合梁相比，型鋼組合梁頂?shù)装迮c腹板之間無需焊接，并且由于腹板高厚比較小，無需設置橫向加勁肋，鋼板加工、焊接工作量大幅減少。由于熱軋型鋼是在工廠直接軋制成型，與焊接工字鋼相比較，不存在焊接殘余應力影響區(qū)，交叉區(qū)域金屬晶粒細小、質(zhì)地均勻，因此熱軋型鋼整體受力狀態(tài)更好。

(4)經(jīng)濟比選

經(jīng)調(diào)查，熱軋H型鋼出廠價格與結構用中厚板價格相當，因此型鋼組合梁與成品鋼材價格相比具有較大優(yōu)勢。由于型鋼軋制工藝限制，型鋼高度最大尺寸約為1.0m，為此型鋼組合梁比較適于在20m及以下跨徑的橋梁結構中應用。選取20m跨徑橋梁進行全壽命周期比選，如表1所示。

表1 跨徑20m板(梁)全壽命周期成本

(5)比選結論

從全壽命周期成本來看，20m 裝配式空心板橋的建造成本最低，全壽命周期成本也最低，空心板梁橋在遼寧高速公路中廣泛使用，但是根據(jù)近20年使用情況來看，空心板橋梁存在較多病害問題，鉸縫容易破壞，導致單板受力情況較為突出，另外空心板橋梁耐久性較差，部分位置混凝土容易剝落，鋼筋裸露、鋼筋銹蝕嚴重等病害，雖然空心板經(jīng)濟性較好，但是不適宜繼續(xù)推薦使用空心板梁橋；裝配式小箱梁橋的全壽命周期成本次之。型鋼組合梁全壽命周期成本比T梁高10.6%。型鋼組合梁在建設前期費用較高，但是從全壽命周期來比較，型鋼組合梁具有較大的優(yōu)勢。從全壽命周期成本的角度來考慮，組合梁和混凝土梁的經(jīng)濟性差距并不像單純考慮建設成本那樣巨大。從行業(yè)發(fā)展趨勢及國家推廣鋼結構相關政策來看，采用鋼結構更符合國家政策及行業(yè)發(fā)展方向。 另外從環(huán)境保護，山區(qū)施工難易程度、山區(qū)預制梁運輸難易程度等綜合比較來看，鋼結構有著混凝土結構無法比擬的優(yōu)勢。

綜合考慮熱軋型鋼組合梁具有耐久性好、預制方便、易于標準化生產(chǎn)和施工、便于運輸、吊裝、綜合造價較優(yōu)等特點，對中短橋梁將16m、20m熱軋型鋼組合梁做為推薦方案。

5 下部結構方案設計

本項目墩高普遍較矮，大、中橋梁橋墩主要采用圓柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎形式。圓柱式墩是最實用、最經(jīng)濟的橋墩型式，具有外形整潔美觀、與地形適應性強、施工工藝簡單、滑模施工便捷、與樁基礎銜接好的優(yōu)點。同一橋梁的墩身形式保持一致以緩解施工壓力，降低施工成本。

墩系梁設置原則：柱式排架墩宜設置樁頂系梁；未設置蓋梁，且高度大于7m的排架樁墩應設置墩頂系梁。墩高在10～20m時，宜至少設置一道柱間系梁；墩高在20～30m時，宜至少設置兩道柱間系梁；墩高在30m以上時，宜適當增加柱間系梁的設置數(shù)量。系梁位置根據(jù)橋位斷面盡量布置在同一高度，以利全橋美觀。

對于橋臺的類型，則密切結合地形地勢，主要有肋板臺、重力臺、一字臺、柱式臺。實際選擇過程中控制橋臺的填土高度，以消除工程質(zhì)量隱患。如采用柱式臺應注意，其抗推能力較差，在水平力作用下位移較大，在橋臺填土高度較大(H≥5m)或臺前邊坡較陡的情況下盡量避免采用；對于長聯(lián)、大縱坡橋，為減少長期荷載作用累積變位，也應避免采用柱式臺。

橋臺基礎一般可采用擴大基礎、樁基礎。采用樁基礎時，為避免大面積開挖，盡量少開挖原始地面，保護生態(tài)環(huán)境，應注意承臺頂面標高要適當，當樁長不長時，推薦采用挖孔樁基礎。

6 結論

過去幾十年，空心板橋梁在高速公路大中橋中占有較大比例，但是隨著使用情況的反饋，空心板橋梁在使用中出現(xiàn)了大量的病害，有些甚至影響到了橋梁的承載力及耐久性，極大地威脅著高速公路行車安全。從全壽命周期成本來看，型鋼組合梁具有空心板、T梁、矮T梁及小箱梁橋無法比擬的優(yōu)勢，從山區(qū)高速公路施工、運輸、養(yǎng)護及景觀融入性等幾方面來看，在高速公路大中橋梁中推廣型鋼組合梁也將達到令人期待的效果。