浅谈公路桥梁结构的选型

◎ 浙江省安吉县交通设计室 郑利娟 周 科 黄 洋

1、前 言

近年来，我国交通事业迅猛发展，桥梁建设出现了空前的繁荣，桥梁技术也突飞猛进，桥梁是随着经济发展带来的交通需要和经济与科学技术的可能而发展的，它从一个侧面反映一个国家生产、经济与科学技术的发展程度。

2、桥梁常见结构形式

（1）梁桥。梁式桥是最常见而又最基本的桥梁，其力量传递的主要特色是桥梁上部结构的荷载垂直的传至支承，再由支承传至下部结构，两个支承之间的桥面必须承受很大的弯矩。目前应用最广的是简支梁结构形式的梁桥，这种结构形式简单，施工方便，对地基承载的要求也不高，通常跨径在25m以下的桥梁常被采用。

（2）拱桥。拱式桥将拱圈或拱肋作为主要承载结构。这种结构在竖向荷载下，桥墩或桥台将承受水平推力。拱的弯矩和变形都比较小，主要承受压力，故拱式桥用砖、石、混凝土和钢筋混凝土材料建造的比较多。

（3）刚架桥。刚架桥是梁和柱(或竖墙)整体结合的桥梁结构。在竖向移动荷载作用下，梁部主要受弯，柱脚处有水平推力，受力状态介于梁式桥和拱桥之间。刚架桥一般可采用T形刚架桥、连续刚架桥、斜腿刚架桥三种类型。对于同样的跨径，在相同的外力作用下，刚架桥的跨中正弯矩比一般梁式桥要小。根据这一特点，刚架桥跨中的建筑高度就可以做的较小。这在城市中当遇到线路立体交叉或需要跨越通航江河时，采用这种桥型能尽量降低线路标高以改善桥的纵坡，当桥面标高已确定时，它能增加桥下净空。刚架桥，通常是采用预应力混凝土结构。

（4）斜拉桥。斜拉桥由主梁、塔柱和斜索三种基本构件组成。用高强钢材制成的斜索将主梁多点吊起，将主梁承受的恒载和车辆荷载传至塔柱，再由塔柱传给基础。它是一种桥面体系(加劲主梁)受压，支承体系(斜拉索)受拉的结构。工程上通常为了减小梁的截面与自重，常用预应力混凝土代替普通钢筋混凝土，即预应力混凝土斜拉桥。

斜拉桥根据跨度大小的要求以及经济上的考虑，可以建成单塔式、双塔式或多塔式的不同类型。通常的对称断面及桥下净空要求较大时，多采用双塔式斜拉桥。

3、桥梁的发展与选型

3.1 发展：我国桥梁的桥型具有强烈的时代特征，如50年代的木桥，60～70年代的拱桥，80年代的梁桥，90年代的斜拉桥，20世纪末的悬索桥、立交桥，每个时代桥型的发展均是桥梁结构技术进步的结果。近年来，我国桥梁上部结构，特别是大、中跨径的桥梁发展很快，并且基本趋于成熟，所以在编制桥型方案时，可供选择的余地比较大。目前，国内外桥梁主要有以下发展趋势：（1）跨径不断增大。目前，钢梁、钢拱的最大跨径已超过500m，钢斜拉桥为890m，而钢悬索桥达1990m。随着跨江跨海的需要，钢斜拉桥的跨径将突破1000m，钢悬索桥将超过3000m。至于混凝土桥，梁桥的最大跨径为270m，拱桥已达420m，斜拉桥为530m。（2）桥型不断丰富。本世纪50～60年代，桥梁技术经历了一次飞跃：混凝土梁桥悬臂平衡施工法、顶推法和拱桥无支架方法的出现，极大地提高了混凝土桥梁的竞争能力；斜拉桥的涌现和崛起，展示了丰富多彩的内容和极大的生命力；悬索桥采用钢箱加劲梁，技术上出现新的突破。所有这一切，使桥梁技术得到空前的发展。（3）结构不断轻型化。悬索桥采用钢箱加劲梁，斜拉桥在密索体系的基础上采用开口截面甚至是板，使梁的高跨比大大减少，非常轻颖；拱桥采用少箱甚至拱肋或桁架体系；梁桥采用长悬臂、板件减薄等，这些都使桥梁上部结构越来越轻型化。

2.2 选型：目前，桥梁的选择都具有强烈的时代特性，比如新结构、新材料、新工艺等，均表现出了时代特性。尤其是大桥、特大桥，常常从她的雄伟壮观、千姿百态显示出一个国家的先进技术和生产工艺，更反映出时代精神和当代人的创造力。桥梁设计不能盲目追求美学，首先是解决通行功能，然后才是在技术条件可行的基础上进行美学优化，这是桥梁设计的基本要求。一个功能不齐全，或令人缺乏安全感的桥梁，当然没有美感可言。因此，桥梁选型必须满足桥梁最基本的安全、使用的要求，并在此基础上对桥梁构成元素进行合理的美学设计。

4、工程案例

3.1 项目概况：湖南某公路桥梁工程，全长约3.5km，该大桥长约3052.66m，北岸接线长253.17m，南岸接线长194.17m。设计荷载：汽车—超20，挂车—120；设计风速56 m/s(百年一遇)；临界风速105m/s；地震设防烈度为7度。

根据桥址区的地形、地貌、河势、水文、地质以及航运等条件，对该桥桥型方案进行桥跨总体布置，并作同等深度的比较。桥型方案的研究重点是主桥主孔的桥型、孔跨大小及布置。引桥基本上为一般中等跨经济梁。桥型方案是在考虑桥址处航道要求、河床地质、河道水文以及建筑造型等综合因素后提出的。主桥主孔分别采用独塔混凝土斜拉桥、双塔混合梁斜拉桥、中承式系杆拱桥、连续梁桥四种桥型进行比选。

3.1 独塔混凝土斜拉桥方案：桥跨布置为(5×30)+(10×40)+(4×40+30）m简支转连续箱梁+（25+25+25）m预应力混凝土连续箱梁+4×40m简支转连续箱梁+（260+200）m混凝土斜拉桥+30×40m简支转连续箱梁+（53+70+53）m变截面连续箱梁+6×40m简支转连续箱梁，桥梁全长3052.66 m。主跨260+200 m，能满足三级航道设置一主两副通航孔的要求；主塔布置在浅水区，有一个过渡墩在较深水区，能满足通航要求。比混合梁斜拉桥少一个主塔，大跨主孔长度短，从造价上看较经济、合理。

3.2 双塔混合梁斜拉桥方案：桥跨布置为(5×30)m简支转连续箱梁+(10×40)+ (4×40+30）m预应力简支转连续箱梁+（25+25+25）m 预应力混凝土连续箱梁+(125+410+125)m混合梁斜拉桥+(29×40)m简支转连续箱梁+(53+70+53)m变截面连续箱梁+(6×40)m简支转连续箱梁，桥梁全长3052.66 m。主跨一跨过江，410m主跨能满足三级航道设置一主两副通航孔的要求；一个塔布置在浅水区，另一个布置在河滩上，避免了深水基础施工，减少了船舶及流冰的防撞设施；边跨不通航，从经济性、实用性角度考虑，采用混合梁方案较适宜。主孔主梁采用钢梁，边跨主梁采用混凝土梁；钢梁和混凝土梁接头处的结构特性突变，容易形成结构的弱点，处理不当极易出现问题，混凝土梁段受力性能不好。

3.3 中承式系杆拱方案：桥跨布置为(5×30)+(10×40)+ (4×40+30）m预应力简支转连续箱梁+（25+25+25）m预应力混凝土连续箱梁+(80+340+80)m中承式系杆拱+33×40m简支转连续箱梁+(53+70+53)m连续梁+6×40m简支转连续箱梁。桥梁全长3052.66 m。桥跨配合恰当，造型美观，能满足三级航道设置一主两副通航孔的要求，主拱墩设置在浅水区内，既避免了深水基础施工，又减少了船舶及流冰的防撞设施。主拱肋及主拱行车道系工厂化预制量较大，可大大缩短工期。水平系杆的设置使得拱脚水平力降低，主孔下部工程量相应降低。拱肋施工完毕后，拱上建筑部分的建安工作可借助拱肋吊杆完成。拱肋及横梁钢结构构件数量大，加工精度要求高，运输不方便。

3.4 连续梁方案：桥跨布置为(5×3 0)+(1 0×4 0)+ (4×40+30）m预应力简支转连续箱梁+（25+25+25）m预应力混凝土连续箱梁+(97+130+166+130+97)m变截面连续梁+30×40m简支转连续箱梁+(53+70+53)m连续梁+6×40m简支转连续箱梁。桥梁全长3052.66 m。桥跨配孔比例协调，上下部结构尺寸配合得当，朴实简洁，桥型均衡匀称，主跨(130+166+130)m，可满足通航孔布设要求。桥梁结构动力性能良好，震动小，桥面铺装耐久可靠。上部悬臂施工工艺简单，并可多个桥墩同步开展上部施工，施工工期较短，施工工艺成熟简单。位于深水江槽的主桥桥墩基础施工难度较大。

3.5 结论：综合考虑，连续梁方案虽然造价最低，但存在多个桥墩基础处于深水中，对通航、排凌和防撞均不利，施工难度也大，且由于连续梁跨径较大，大吨位支座设计和制造有难度，桥型也缺乏美观性，不宜采用；系杆拱方案虽然主跨跨径较大，对通航影响较小，但本项目区域地质条件较差，不太适宜建设拱桥，且该方案施工工序多、技术复杂，工期长，造价高，也不宜采用。斜拉桥方案对通航和排凌有利，其中独塔斜拉桥方案造价较低。另外，根据湖南省越江通道一桥一景的总体设想，本项目应优先考虑独塔混凝土斜拉桥方案，因此，独塔混凝土斜拉桥无论在使用功能、景观设计、施工条件、施工工期以及工程造价等方面，均有一定优势，故推荐主孔（260+200）m独塔混凝土斜拉桥方案。

5、结 语

桥梁设计应考虑桥梁下部结构的安全耐久、满足使用的要求，兼顾造价。维修养护方便，与周围景观相协调等原则。优秀的桥梁建筑总是把桥梁的品质和体现桥梁的美学价值相统一，故，桥梁设计师在考虑桥梁结构的可靠性和经济要求的同时，也应十分注重桥梁美学价值的提高，以期设计和建设出既满足强度、刚度、稳定性和经济性要求，又能满足人们的审美需要。并与周围环境和谐统一。