钢盖梁在市政高架桥梁中的应用分析

周文骏

［同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092］

0 引言

随着城市进程的推进，城市桥梁的建设已不可能如已往一般粗放式进行，必然需要在新时代与时俱进。为实现城市桥梁工业化、快速化建造，装配式桥梁施工方法正如火如荼地向前发展。上部结构预制在市政桥梁中已有多种结构形式及多年实践经验，有多套成熟的实现方案；下部结构由于其受力特点，一般多采用混凝土结构，虽不像上部结构一样影响全线，但不能忽视其施工期间对城市面貌的影响，下部结构快速化施工仍是整个城市桥梁快速化建设闭环中不可或缺的一环。为此，国内外开展了预制混凝土下部结构的理论研究和多个工程项目实践[1-3]，对于加快工程进度、减少施工期间交通影响、环境保护等有重大意义（见图1）。

图1 下部结构预制装配式施工之实景

虽然近年来预制混凝土下部结构发展迅速，但仍多有不足之处：

（1）城市高架一般为双向六车道、双向八车道，采用预应力混凝土结构其盖梁重量一般达200～300 t，由此带来：运输困难，对沿线桥梁及地下管线等考验巨大；吊装重量大，对吊装设备要求高，施工单位成本显著增加等难题。

（2）下部结构预制对构件加工精度要求高，一般需新建专门的预制厂，且需定制特殊加工的模板、胎架等，一次性投入成本高。

（3）灌浆质量无法检验，预制立柱或盖梁为工厂化构件，承台一般为现浇，质量均可以保证，而承台与立柱、立柱与盖梁的连接却成为整个体系的阿喀琉斯之踵，不但质量无法保证，且无法检验其施工质量，补救更是无从谈起。

当然，对预制混凝土下部构件的改进仍在进行，如:某工程主线标准段上部结构采用30 m连续小箱梁结构，设计盖梁尺寸为23.934 m（长）×2.6 m（宽）×3.5 m（高），总重量达到370 t，采用横向三节拼装模式。其中，中间段长9.752 m，重约173 t，两端悬挑段长7.091 m，重约98.5 t，为目前我国最大胶接法拼装节段盖梁。通过以上措施，虽然实现了多车道盖梁的预制，但吊装重量仍达173 t，且增加了盖梁的现场接头，虽实现了下部结构的预制施工，但单价巨大，难以大规模复制到类似工程。

有鉴于此，考虑在下部结构中采用钢盖梁，以解决常规下部结构预制施工出现的难题。现通过对钢盖梁的参数化研究并与常规混凝土盖梁进行对比，分析钢盖梁的特点及适用条件，以供后续工程设计参考。

1 工程背景

杭州市某新建高架标准断面为双向六车道，桥宽25 m，下部结构采用大悬臂双柱墩盖梁。考虑到其距离现状铁路较近、桥墩施工影响现状地面道路交通等因素，其上部结构采用钢-混凝土组合梁，标准跨径40 m，采用钢槽形梁、现浇桥面板。

为进一步减少桥梁施工对周边铁路、现状道路等周边环境的影响，下部结构考虑采用预制装配式施工。考虑到双向六车道采用常规预应力混凝土盖梁预制装配式施工带来的不便，拟通过采用钢盖梁解决前文中提到的种种问题。

图2为高架桥梁标准断面图。

图2 高架桥梁标准断面图（单位：m）

2 钢盖梁参数化研究

以背景工程中标准结构的下部结构为研究对象，进行盖梁参数化设计，对不同盖梁外轮廓尺寸、不同强度等级钢材的盖梁进行比较分析，绘制盖梁的用钢量、刚度与各参数间的关系曲线，寻求在常用的技术条件下盖梁的合理断面设计，以供类似工程参考。

钢盖梁为大悬臂双柱墩布置，立柱间距为4.9 m，挑臂9.15 m，盖梁端部高度1.5 m、根部高度以参数形式在研究范围内变化。钢盖梁采用薄壁钢箱结构，截面形式为单箱单室，钢盖梁布置见图3、图4所示。

图3 盖梁立面布置图（单位：cm）

图4 盖梁断面布置图

盖梁尺寸参考目前常见混凝土盖梁主要尺寸，并结合钢盖梁受力确定。盖梁主要外轮廓尺寸取值范围如下：盖梁高度h取2.0～3.2 m，盖梁宽度b取1.8～3.0 m；盖梁材料考虑采用Q345、Q370、Q420、Q460。

盖梁的截面设计以满足《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）[4]中的强度、刚度、稳定性要求为准，同时兼顾其加工性能，按实际承受的各种荷载设计出合理的盖梁截面。参数化设计盖梁的重量、刚度与盖梁尺寸的关系曲线见图5～图8所示。

图5 盖梁重量、刚度与盖梁尺寸关系图（Q345）

图8 盖梁重量、刚度与盖梁尺寸关系图（Q460）

根据参数化分析结果，钢盖梁的合理截面与盖梁尺寸、采用材料具有如下关系：（1）盖梁用钢量随着梁高增大而减小，随盖梁宽度增大而略有增加，随采用材料的强度的提高而降低；（2）盖梁刚度随着梁高增大而增大，与盖梁宽度无显著相关关系，随采用材料的强度的提高而降低。

结合目前工程设计中常用的盖梁结构尺寸、常用钢材牌号等，对Q345～Q460的钢盖梁推荐以下盖梁合理截面（详见表1），供类似工程设计参考。

表1 标准结构钢盖梁推荐截面汇总表

钢盖梁重量较常规混凝土盖梁显著减小，尺寸也略小于混凝土盖梁，钢板厚度适宜加工性能良好，刚度满足使用要求，其特性完美契合桥梁下部结构预制装配施工，在将来的城市高架桥建设中将具有广阔的应用前景。

图6 盖梁重量、刚度与盖梁尺寸关系图（Q370）

图7 盖梁重量、刚度与盖梁尺寸关系图（Q420）

3 钢盖梁综合效益分析

相比预应力混凝土盖梁，钢盖梁的采用必然导致桥梁总体造价的增加。现以背景工程为例，对比盖梁分别采用预应力混凝土及钢材（Q420）时的整体造价，以对钢盖梁综合效益有更进一步的认识。

预应力混凝土盖梁尺寸根据类似工程类比及结构计算确定，盖梁构造及钢束配置见图9所示。

图9 预应力混凝土盖梁钢束布置图（单位：cm）

单个标准结构桥墩分别采用预应力混凝土盖梁、钢盖梁（Q420）时下部结构及基础工程数量见表2所列。

表2 单个桥墩主要工程数量汇总表

该段高架桥梁长约2 km，全线共计50个桥墩，采用预应力混凝土盖梁及钢盖梁方案时造价对比如表3所列。

表3 桥梁总体造价对比表

由以上对比分析可知桥梁造价主要集中于上部结构，下部结构盖梁在整体造价中所占比例不大，因此采用钢盖梁方案桥梁整体造价增加幅度有限——仅约1.6%，但其带来的其他正向社会效应显著，在城市发展日趋集中及发达、桥梁预制拼装施工要求日益强烈的当下，钢盖梁将具有强大的竞争力。

4 预应力钢盖梁、钢-混凝土组合盖梁对比分析

钢结构的造价相对常规混凝土盖梁较高，考虑在盖梁中施加预应力或采用钢-混凝土组合结构改善结构受力，降低盖梁用钢量以降低造价。

4.1 预应力钢盖梁分析

根据前文对钢盖梁的参数化分析，盖梁受力受强度控制，考虑在盖梁顶部施加一定数量预应力，以改善盖梁受力、降低钢板应力，从而达到减小钢板厚度、降低盖梁用钢量目的。现选择采用Q420标准结构钢盖梁进行对比分析，预应力采用强度标准值fpk=1 860 MPa的钢绞线。预应力钢盖梁构造如图10所示。

图10 预应力钢盖梁钢束布置图（单位：mm）

施加不同数量预应力钢束时，盖梁参数化分析结果见表4所列。

表4 预应力钢盖梁截面设计结果汇总表

张拉预应力钢束后，钢盖梁用钢量及刚度变化与张拉预应力钢束的关系曲线如图11所示。

图11 盖梁重量、刚度与钢束数量关系图

张拉预应力钢束后可有效地改善盖梁受力，减小顶板厚度，钢盖梁总重量可有一定程度减小，每采用1 t预应力钢绞线可减少钢盖梁重量约3.6 t。但考虑到预应力钢筋的综合单价相对钢结构较高（一般为钢材的2倍左右），盖梁造价降低有限，同时增加了一道施工工序，加大了施工难度、延长了施工周期，且盖梁刚度有一定程度降低，其综合效益不佳，在标准结构的钢盖梁设计中不推荐采用。

4.2 钢-混凝土组合盖梁分析

标准结构盖梁为大悬臂双柱墩结构，主要承受负弯矩，在盖梁下缘设置一定厚度的混凝土底板形成钢-混凝土组合结构，以达到减小钢板厚度、降低盖梁用钢量目的。现选择采用Q420标准结构盖梁进行对比分析，混凝土强度等级为C50。钢-混凝土组合盖梁构造如图12所示。

图12 钢-混凝土组合盖梁截面示意图

钢-混凝土组合盖梁分析结果见表5所列。采用钢-混凝土组合结构可显著减小钢结构底板厚度，减少盖梁钢材数量，但随着混凝土材料的使用，盖梁重量显著增大，以研究的标准结构盖梁为例，盖梁总重由69.6 t增加至101.7 t，会给施工运输及盖梁架设带来一定的困难，但盖梁的重量仍在常规施工机械的能力范畴内，盖梁的总体造价相比钢盖梁会有所降低，且盖梁刚度有一定程度增大。工程应用时，可结合实际工程的特点经对比分析后选择采用钢盖梁或钢-混凝土组合盖梁。

表5 钢-混凝土组合盖梁设计结果对比表

5 结 论

（1）桥梁下部结构的预制施工的优点已在多个工程项目得到实践验证，但对于双向六车道、双向八车道桥梁其盖梁重量一般均超过200 t，运输、吊装及现场安装均有一定的困难，给下部结构预制施工的推广应用带来了一定的障碍。在此背景下，采用钢盖梁可有效减轻盖梁重量，解决预制混凝土盖梁的种种问题，为下部结构的预制施工开辟一条崭新的道路。

（2）钢盖梁会引起桥梁造价增加，但桥梁下部结构的盖梁在整体造价中所占比例不大，桥梁整体造价增加幅度有限。以背景工程为例，采用钢盖梁导致桥梁整体造价增加约1.6%。但其将带来桥梁整体施工工期缩短、大幅度减少桥梁施工时对现场的污染、减少对现状道路交通的影响等正面社会效应，在城市发展日趋集中及发达、桥梁预制拼装施工要求日益强烈的当下，钢盖梁将具有强大的竞争力。

（3）在钢盖梁中施加预应力可减小顶板厚度，减轻盖梁重量及造价。但考虑到预应力钢筋的综合单价相对钢结构较高（一般为钢材的2倍左右），盖梁造价降低有限，同时增加了预应力张拉施工工序，加大了施工难度、延长了施工周期，盖梁刚度也有所降低，其综合效益不佳，在标准结构的钢盖梁设计中不推荐采用。

（4）采用钢-混凝土组合结构可显著减小钢结构底板厚度，减少盖梁钢材数量。但随着混凝土材料的使用，盖梁重量显著增大，以研究的标准结构盖梁为例，盖梁总重由69.6 t增加至101.7 t，会给施工运输及盖梁架设带来一定的困难。另方面，盖梁的重量仍在常规施工机械的能力范畴内，盖梁的总体造价相比钢盖梁会有所降低，且盖梁刚度有一定程度增大。工程应用时，可结合实际工程的特点经对比分析后选择采用钢盖梁或钢-混凝土组合盖梁。