山区高速公路大中桥梁方案设计比选

柴加兵

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110116)

山区高速公路路线走向复杂，投资巨大，山区高速公路的大中桥梁合理设计方案是高速公路建设的重中之重。笔者以本桓宽高速公路宽甸支线大中桥梁方案设计研究为基础，对型钢组合梁在山区高速公路大中桥梁中应用进行深入研究，希望能为以后山区高速公路大中桥桥梁方案选择提供参考。

1 工程概况

本溪至宽甸高速公路(以下简称本宽支线)是辽宁省高速公路网的重要组成部分，是本溪至集安高速公路(G9111)与鹤岗至大连高速公路(G11)两条国高网项目的纵向连接线。

本溪至宽甸高速公路起于本溪市桓仁县八里甸子镇，经丹东市宽甸县双山子镇、灌水镇，终于宽甸县大川头镇，接鹤大高速公路，本宽支线起点桩号K0+000，终点桩号K46+127.311，路线全长46.127km。全线拟按双向四车道高速公路全封闭、全立交标准修建，设计速度采用100km/h，整体式路基宽度26m。

图1 路基标准横断面图(单位:cm)

宽甸支线共设置大桥10座，全长2225m；中桥10座，全长746m；主线上跨分离式立交6座，全长1519.5m。桥梁全长为4490.5 m，全线大中桥梁占比为9.74%。

2 桥梁设计原则

针对本项目所处位置的地形、地质、工程特点,桥涵方案的选择基本遵循以下原则：

(1)以人为本。一般不降低原有河道、沟渠功能，尽量不破坏原有水系和排灌网络，桥梁跨度不压缩河床洪水宣泄断面，不改变现有河流特性；尽量根据工程实际地形设置高速公路的横向穿越或跨越结构物，以满足沿线工业、农业生产生活的需要。

(2)桥位选择一般服从路线走向，结合桥位处水文、地形、地物、地质等条件合理布设；部分桥孔兼跨地方道路；大桥应注意桥路配合，当桥梁位于平曲线上时，可做曲线桥或折线桥；桥上纵坡一般应服从路线设计需要[1]。

(3)桥型结构以“技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理、造型美观、有利环保”为原则，因地制宜，就地取材，便于施工和养护[2]。

(4)一般大中桥桥型结构以中小跨径为主，力求标准化、装配化，以方便施工、缩短工期、降低工程投资[3]。

(5)桥台形式根据不同的地形、地质条件，合理选择重力台、承台分离式桥台以及肋板式桥台等桥台形式。台后填土高度一般控制在5～12m的范围内。

(6)本路段沿线地形复杂，山高坡陡，布设于陡坡上的桥墩，须结合桥高及横断面情况合理选择适宜的下部结构形式。

(7)分离式跨线桥在满足当地中长期发展路网规划需要的前提下，尽量留足富余空间，以方便当地交通部门改扩建现有道路，同时根据当地民族特色民族习惯优化选择桥梁结构形式，实现人、车、路完美和谐。

根据本项目的特点，在桥型方案选择中，遵循特殊大桥特殊设计，一般特大、大、中桥采用常规设计的原则，尽量采用通用图设计方案，在立体交叉处尽量采用现浇结构，以方便施工和使设计更合理；采用预制上部结构的，同一座桥中尽量采用同一种跨径，不宜采用不同跨径，方便预制场地布置，节约预制设备投入；下部尽量减少墩径的种类，降低施工单位模板工程投入。

3 桥梁设计标准

大中桥梁采用如下设计标准:

(1)汽车荷载：公路-I级。

(2)结构设计安全等级：一级。

(3)地震动峰值加速度： 0.05g。

(4)桥梁抗震设防类别： C类。

(5)设计洪水频率：大、中桥1/100。

(6)大中桥桥宽：0.50m防撞护栏+净11.25m行车道+1.50m中分带+净11.25m行车道+0.50m防撞护栏=25.0m。

(7)河流通航等级：本项目的河流无通航要求。

图2 桥梁标准横断面图(单位：mm)

4 上部结构方案设计比选

4.1 方案设计比选原则

(1)对于跨越既有高速公路及主要交通干道桥梁，进行混凝土结构与钢结构比选，考虑到对桥下运营道路的影响，优先选用钢结构桥梁作为推荐方案。

(2)对于主线常规跨径桥梁，采用预制混凝土结构与钢结构进行充分比选，从建安费、施工难易程度、养护费用等方面综合考虑，确定推荐方案。

(3)对钢结构桥梁方案比选时考虑桥梁全寿命周期影响，包括混凝土桥梁后期养护、钢结构桥梁采用耐候钢减少桥梁后期养护费用、钢结构桥梁寿命结束后钢材回收等影响。

4.2 方案设计比选

(1)跨越既有高速公路桥梁及主要交通干道桥梁的对比

考虑钢混结构的施工工期较短、对桥下交通的影响较小、施工安全性好等因素，为减小施工过程对交通的干扰和环境的不利影响，减小交通封堵带来的经济损失，跨越现状高速公路及主要国省干道采用钢结构桥梁。最终采用钢混组合梁结构作为推荐方案，现浇预混凝土结构作为比较方案。

(2)主线常规跨径桥梁的对比

16m、20m跨径桥梁常用结构形式为空心板，空心板具有结构形式简单、建筑高度低、用材经济等优点，成为以前国内公路桥梁20m以下跨径桥梁的首选桥型。但受施工、自然侵蚀及运营环境等因素的影响，建成后的空心板梁桥，随着服役时间的延长，逐渐出现材料劣化、裂缝、铰缝损伤等病害，尤其铰缝是易损部位，在东北地区冬季常使用除冰盐，从而大大加剧铰缝的破坏进程，因此降低了空心板梁桥铰缝结构耐用性，这些病害的不断累积和发展，严重降低桥梁的承载性能并危及行车安全。为了降低公路桥梁病害数量，改善公路运行条件，许多省份已经开始用预制矮T梁等结构取代空心板梁，为此我们提出了采用热轧型钢组合梁代替传统空心板梁结构的方案。

(3)热轧型钢组合梁的优势

型钢组合梁与钢板组合梁类似，依然是由混凝土桥面板和工字钢板梁叠合形成组合截面，但钢梁部分用热轧型钢代替焊接工字钢。

与预制矮T梁、小箱梁相比，热轧型钢组合梁具有组合梁自身的明显优势，重量轻、安装方便、便于工厂化施工、同时避免了混凝土梁腹板、预应力锚下裂缝等质量通病；与焊接钢板组合梁相比，型钢组合梁顶底板与腹板之间无需焊接，并且由于腹板高厚比较小，无需设置横向加劲肋，钢板加工、焊接工作量大幅减少。由于热轧型钢是在工厂直接轧制成型，与焊接工字钢相比较，不存在焊接残余应力影响区，交叉区域金属晶粒细小、质地均匀，因此热轧型钢整体受力状态更好。

(4)经济比选

经调查，热轧H型钢出厂价格与结构用中厚板价格相当，因此型钢组合梁与成品钢材价格相比具有较大优势。由于型钢轧制工艺限制，型钢高度最大尺寸约为1.0m，为此型钢组合梁比较适于在20m及以下跨径的桥梁结构中应用。选取20m跨径桥梁进行全寿命周期比选，如表1所示。

表1 跨径20m板(梁)全寿命周期成本

(5)比选结论

从全寿命周期成本来看，20m 装配式空心板桥的建造成本最低，全寿命周期成本也最低，空心板梁桥在辽宁高速公路中广泛使用，但是根据近20年使用情况来看，空心板桥梁存在较多病害问题，铰缝容易破坏，导致单板受力情况较为突出，另外空心板桥梁耐久性较差，部分位置混凝土容易剥落，钢筋裸露、钢筋锈蚀严重等病害，虽然空心板经济性较好，但是不适宜继续推荐使用空心板梁桥；装配式小箱梁桥的全寿命周期成本次之。型钢组合梁全寿命周期成本比T梁高10.6%。型钢组合梁在建设前期费用较高，但是从全寿命周期来比较，型钢组合梁具有较大的优势。从全寿命周期成本的角度来考虑，组合梁和混凝土梁的经济性差距并不像单纯考虑建设成本那样巨大。从行业发展趋势及国家推广钢结构相关政策来看，采用钢结构更符合国家政策及行业发展方向。 另外从环境保护，山区施工难易程度、山区预制梁运输难易程度等综合比较来看，钢结构有着混凝土结构无法比拟的优势。

综合考虑热轧型钢组合梁具有耐久性好、预制方便、易于标准化生产和施工、便于运输、吊装、综合造价较优等特点，对中短桥梁将16m、20m热轧型钢组合梁做为推荐方案。

5 下部结构方案设计

本项目墩高普遍较矮，大、中桥梁桥墩主要采用圆柱式桥墩、钻孔灌注桩基础形式。圆柱式墩是最实用、最经济的桥墩型式，具有外形整洁美观、与地形适应性强、施工工艺简单、滑模施工便捷、与桩基础衔接好的优点。同一桥梁的墩身形式保持一致以缓解施工压力，降低施工成本。

墩系梁设置原则：柱式排架墩宜设置桩顶系梁；未设置盖梁，且高度大于7m的排架桩墩应设置墩顶系梁。墩高在10～20m时，宜至少设置一道柱间系梁；墩高在20～30m时，宜至少设置两道柱间系梁；墩高在30m以上时，宜适当增加柱间系梁的设置数量。系梁位置根据桥位断面尽量布置在同一高度，以利全桥美观。

对于桥台的类型，则密切结合地形地势，主要有肋板台、重力台、一字台、柱式台。实际选择过程中控制桥台的填土高度，以消除工程质量隐患。如采用柱式台应注意，其抗推能力较差，在水平力作用下位移较大，在桥台填土高度较大(H≥5m)或台前边坡较陡的情况下尽量避免采用；对于长联、大纵坡桥，为减少长期荷载作用累积变位，也应避免采用柱式台。

桥台基础一般可采用扩大基础、桩基础。采用桩基础时，为避免大面积开挖，尽量少开挖原始地面，保护生态环境，应注意承台顶面标高要适当，当桩长不长时，推荐采用挖孔桩基础。

6 结论

过去几十年，空心板桥梁在高速公路大中桥中占有较大比例，但是随着使用情况的反馈，空心板桥梁在使用中出现了大量的病害，有些甚至影响到了桥梁的承载力及耐久性，极大地威胁着高速公路行车安全。从全寿命周期成本来看，型钢组合梁具有空心板、T梁、矮T梁及小箱梁桥无法比拟的优势，从山区高速公路施工、运输、养护及景观融入性等几方面来看，在高速公路大中桥梁中推广型钢组合梁也将达到令人期待的效果。