工业化建造山区中小跨径桥梁上部结构研究

许垒

摘要 随着高速公路建设的不断推进，山区桥梁的建造越来越多，如何采用工业化的方式完成山区桥梁又快又好地建设是桥梁建造中需要解决的重要问题。为了对工业化建造山区中小跨径桥梁的合理上部结构进行分析与研究，文章以芜黄高速公路为依托，开展了基于工业化的上部结构选型研究，分析了山区桥梁工业化建造的合理上部结构形式，提出了山区中小跨径桥梁的选型原则，本着工业化建造的理念对常见中小跨径桥梁上部结构形式进行了分析比较，从耐久、经济及合理且施工便利的角度分析对应的结构形式和建造方法。

关键词 工业化建造；中小跨径；上部结构；钢板组合梁；短线法

中图分类号 U445文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）13-0057-03

0 引言

目前我国交通基础设施建设正积极向着实现工业化建造的目标迈进，公路工程建设正处于转型的关键时刻，但山区高速公路工程作为我国公路工程的重要组成部分，尚未形成系统的工业化建造技术体系。

工业化建造的理念最早起源于建筑行业。在西方国家，预制装配式建筑发展很久，工业化建造体系相对成熟。荷兰在SAR理论的实践过程中，采用标准化的支撑体形成住宅结构的骨架，推动了标准化结构设计的发展。面对国家的工业化建设重任，我国原建工部提出了推进建筑工业化的要求，并推行了一系列措施[1-2]。

桥梁工业化的目的在于将现代化的设计、制造、运输、安装、管理等方式引入传统的桥梁建设中，改善长期以来繁重、分散、低效、低水平的桥梁建造方式[3-5]。然而，山区高速公路桥梁往往存在地质条件复杂、地势高低起伏较大等问题，为装配式下部结构的应用提出了新挑战。

桥梁的工业化建造是我国桥梁工程发展的必然趋势之一。然而，工业化建造在我国山区高速公路工程中的发展仍旧较为有限，尚未形成完整的山区公路桥梁工业化建造技术体系。该文将详细分析桥梁上部结构，并形成合理的结构形式，提出科学的建造方法。

受限于山区建设环境，山区高速公路桥梁建设中往往有大量的中小跨径桥梁建设需求。据相关测算，单跨超过150 m的特大桥在山区高速公路桥梁中占比在10%～15%左右，而常规中小跨径桥梁则占桥梁总数的85%～90%以上，因此山区中小跨径桥梁成为控制工期及投资的关键因素之一。综合上述分析，山区中小跨径桥梁的选型在遵循技术先进、安全可靠、耐久适用、经济合理的总体原则的同时，尤其应该体现以下原则和理念：

（1）以安全和耐久作为设计标准。

（2）将环保因素作为桥型方案的重要衡量指标。

（3）考虑全寿命周期的经济效益成本。

（4）充分体现工业化建造理念。

1 工程概况

该项目依托工程为S11芜湖至黄山高速公路项目。基于山区高速公路桥梁建设的复杂环境，从工业化角度出发，对山区桥梁的结构形式与施工方法进行创新，探索系统的山区高速公路桥梁工业化建造技术，可直接支撑山区高速公路桥梁工业化建造的发展。该项目的研究成果将为我国山区公路桥梁工程建设提供重要的实践经验，有效助推我国桥梁工业化建造的发展，应用前景广阔，未来市场需求广泛。

2 山区中小跨径桥梁建造特点及选型原则

该文将分析山区高速公路桥梁的建造特点、山区中小跨径桥梁的选型原则；提出山区中小跨径桥梁建设应重视结构耐久性，注重环保，减少对自然环境的污染与干扰，桥梁工业化建造是满足上述要求的重要手段；阐述了桥梁工业化建造的核心理念。

2.1 山区高速公路桥梁特点

受限于复杂的地理环境和地形地质条件，山区高速公路桥梁与平原区桥梁相比，具有以下技术特点[2]：

（1）路线线形布置复杂。

（2）桥梁工程规模大，桥梁分布呈间断式。

（3）桥梁建造手段以预制装配式为主。

2.2 山区中小跨径桥梁选型原则

受限于山区建设环境，山区高速公路桥梁建设中往往有大量的中小跨径桥梁建设需求。据相关测算，单跨超过150 m的特大桥在山区高速公路桥梁中占比在10%～15%左右，而常规中小跨径桥梁则占桥梁总数的85%～90%以上，山区中小跨径桥梁成为控制工期及投资的关键因素之一。综合上述分析，山区中小跨径桥梁的选型在遵循技术先进、安全可靠、耐久适用、经济合理的总体原则的同时，尤其应该体现以下原则和理念：

（1）以安全和耐久作为设计标准。

（2）将环保因素作为桥型方案的重要衡量指标。

（3）考虑全寿命周期的经济效益成本。

（4）充分体现工业化建造理念。

2.3 桥梁工业化建造核心理念

伴随着我国城镇化和城市现代化进程，能源与资源不足的矛盾越发突出，生态建设和环境保护的形势日益严峻，建筑工业化作为可持续发展的生产方式，已得到国家政策的大力支持，步入快速发展轨道。公路行业作为建筑业的组成部分，承担着交通基础设施建设的重任，正面臨转型发展的“机遇期”。以问题为导向，大力发展预制装配式建造工艺，从标准化施工上升到工业化建造，将是推进公路建设转型发展的重要变革。

与传统桥梁建造方式相比，桥梁工业化建造具有提高工程质量、节约建设工期、便于施工管理、利于环境保护的优势；通过设计、生产、安装的标准化，实现构件可维修更换，便于质量控制和管理；生产工厂化和安装机械化，现场工序少，能提高劳动生产率、缩短工期；同时工地现场粉尘量少、噪声污染小，对环境的破坏和影响降低，资源利用率高[3]。

桥梁工业化建造的核心理念包括：

（1）结构的高强化、轻型化：推广使用钢结构等轻质高强结构，在降低材料用量的同时减轻结构自重，可以降低运输和安装成本，节约下部结构造价。

（2）构件通用化：通过设计标准化尽可能使得构件尺寸统一，提倡模块化建造理念，减少模具数量，降低工程造价。

（3）安装便利化：预制结构的特点和重点在于节段之间的连接。为提高建造效率，需要尽可能地减少现场接头，多采用自稳定构件、减少辅助措施，节约工程造价的同时也降低施工难度。

（4）造价经济化：根据经济性原则，选择合适的结构形式，控制不同结构的适用范围。

3 山区中小跨径桥梁常见的上部结构形式

常见上部结构形式：①空心板梁；②预制T梁；③预制小箱梁；④钢板组合梁。

其中钢板组合梁是在钢结构和混凝土结构基础上发展出的一种新型结构，与传统钢筋混凝土桥梁相比，可以减轻上部结构自重、减小地震作用、降低下部结构造价，同时采用预制桥面板的钢板组合梁省去了高空支模工序，通过工厂预制和现场装配的方式缩短了施工周期、提高了施工质量，建成效果如图1所示。与纯钢结构相比，钢板组合梁在减少用钢量的同时，结构刚度、整体性及稳定性有了提升，抗火性和耐久性也较好。我国近年来钢板组合梁结构的应用实践表明，这种结构形式兼具钢结构和混凝土结构的优点，适于工业化建造，是中小跨径桥梁的重要发展方向之一。

4 山区中小跨径桥梁常见上部结构形式性能比较分析

该文基于研究提出的山区中小跨径桥梁选型原则，从施工便利性、耐久性、经济性、运营期维护及山区环境适用性等角度，對常见上部结构形式进行了比选，综合分析比较表明钢板组合梁是实现山区中小跨径桥梁工业化建造的一种较为合适的桥型；基于工业化建造思路，介绍了3种具有代表性的少主梁体系钢板组合梁，相关测算表明其具有良好的经济指标，为钢板组合梁的规模化建造奠定基础。

4.1 山区中小跨径桥梁常见上部结构形式综合性能比较

该文结合山区建设环境需求，从工业化建造的角度出发，对常见中小跨径上部结构形式的综合性能进行比较：

（1）空心板梁：此结构虽施工工艺简单，但耐久性较差，尤其是铰接缝处易产生病害，导致其养护费用高；山区桥梁一般结构跨径较大，但空心板梁只在长度20 m以下结构中才有较高的经济性，且其跨越能力小，不适用于山区结构。

（2）预制T梁：结构为工厂预制、现场拼装，施工工艺成熟简单，因此其造价低，且养护简单、费用低；结构耐久性一般，仅适用曲率半径小的桥梁，在山区中桥梁建筑高度高，桥型不美观。

（3）预制小箱梁：此结构同样为工厂预制，现场拼装，施工工艺成熟简单，造价略高于T梁；耐久性一般，养护费用低但箱室内部检查困难；预制箱梁重量较大，尤其在山区中吊装较困难且景观效果一般。

（4）钢板组合梁：此结构为工厂化施工，简单便利；耐久性良好，因此维护费用主要为钢梁的涂装；其在山区中稳定性好，抗扭能力强，适于工业化建造，景观效果好；虽造价略高于小箱梁，但可通过结构优化提高经济性指标。

综上所述：钢板组合梁是山区中小跨径桥梁上部结构比较适用的一种桥型方案，其与传统的混凝土梁桥相比具有良好的受力性能和耐久性，同时可通过体系创新和结构优化提高经济性指标，对于山区建设环境具有较好的适应性，能够解决山区中小跨径桥梁工业化建造的问题。

4.2 山区中小跨径钢板组合梁工业化建造思路及经济性分析

全钢结构桥梁实现工业化建造非常便利，但其应用在中小跨径桥梁中时经济性不占优势。结合发达国家的经验，在美国、欧洲、日本等国的桥梁建设中，组合结构桥梁占有重要地位。对于山区高速公路中小跨径桥梁的工业化建造而言，可以采用少主梁体系钢混组合结构，其结构体系经济合理，钢梁与桥面板均采用工厂化预制，充分发挥两种材料的性能，且自重较轻，能够降低下部结构造价。

在系列研究的基础上，该文形成了非支撑横梁体系双主梁钢板组合梁结构，采用全宽预制混凝土桥面板，桥面板为横向支承板、单向预应力结构，纵向设普通钢筋，横向设置预应力钢束；主梁为等高工字形截面，跨内横梁为小横梁，支点横梁为加强中横梁，支点端横梁为大横梁；主梁与混凝土桥面板之间通过剪力钉群连接[4]，如图2所示。

35 m六车道钢板组合梁的经济指标测算表明，其材料指标更加优化，与相同跨径的小箱梁相比，上部结构自重减轻40%，因而下部结构造价明显降低（40%左右），上部结构造价虽然略有增加，但是总造价降低了8.6%。与相同跨径T梁相比，Ⅱ型钢板组合梁下部结构造价可降低20%左右，上部结构造价略高，从而在总体造价上略高于T梁（10%左右）。从总造价上来看，Ⅱ型钢板组合梁经济性介于同等跨径T梁和小箱梁之间，充分表明新型钢板组合梁良好的经济性指标，为钢板组合梁的规模化建造奠定基础。

5 结论

为明确山区中小跨径桥梁的合理上部结构形式，该文从山区高速公路桥梁的建造特点出发，提出了山区中小跨径桥梁的选型原则，基于工业化建造的理念对常见中小跨径桥梁上部结构形式进行了分析比较，得到了以下结论：

（1）山区中小跨径桥梁建设应重视结构耐久性，注重环保、减少对自然环境的污染与干扰，桥梁工业化建造是适应上述原则的重要手段。

（2）综合比较而言，钢板组合梁是山区中小跨径桥梁上部结构比较适用的一种桥型方案，其与传统的混凝土梁桥相比具有良好的受力性能和耐久性，同时可通过体系创新和结构优化提高经济性指标，对于山区建设环境具有较好的适应性，能够解决山区中小跨径桥梁工业化建造的问题。

（3）前期的相关应用及经济性测算表明，少主梁体系钢板组合梁具有良好的经济指标，例如非支撑横梁体系全宽预制桥面板钢板组合梁经济性介于同等跨径T梁和小箱梁之间，可以应用于山区中小跨径桥梁的规模化建造当中。

参考文献

[1]周志祥， 钟世祥， 张江涛， 等. 桥梁装配式技术发展与工业化制造探讨[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）， 2021（10）： 29-40+72.

[2]沈祝华. 山区高速公路施工的特点与施工技术[J]. 建材与装饰， 2019（14）： 247-248.

[3]来猛刚， 杨敏， 翟敏刚， 等. 桥梁工业化智能建造[J]. 公路， 2021（7）： 195-202.

[4]胡可， 陈发根， 石雪飞， 等. 非支撑横梁体系钢板组合梁研究[Z]. 合肥：安徽省交通控股集团有限公司， 2019-12-19.

[5]李润清. 非支撑横梁体系钢板组合梁桥建模方法研究[J]. 工程与建设， 2018（4）： 482-485.