周 丹

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽 110166）

0 引言

跨線橋一般上跨鐵路、公路和高速公路等運(yùn)營線路，一旦發(fā)生事故，勢(shì)必造成重大損失，且社會(huì)影響巨大?？缇€橋由于其所在位置的特殊性，施工架設(shè)、養(yǎng)護(hù)維修都受到下穿運(yùn)營線路的影響。如何在保證跨線橋全壽命周期內(nèi)安全的前提下，盡可能地減小對(duì)運(yùn)營線路的影響，實(shí)現(xiàn)快速建造、高效管養(yǎng)是我們需要解決的問題。因此，在設(shè)計(jì)方案階段就要考慮到橋梁的建設(shè)、運(yùn)營、管理和養(yǎng)護(hù)等全壽命周期內(nèi)各個(gè)環(huán)節(jié)的影響因素。從橋梁的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、使用期管理，直到拆除和材料回收再利用的各個(gè)環(huán)節(jié)來尋求恰當(dāng)?shù)姆椒ê痛胧詽M足橋梁全壽命周期的總體性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)理念和方法，即全壽命周期設(shè)計(jì)[1-3]。本文從全壽命周期考慮跨線橋各個(gè)生命環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)方案階段考慮后期建造、管養(yǎng)等相關(guān)階段的安全、快速、經(jīng)濟(jì)。

1 設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)目標(biāo)

本設(shè)計(jì)方案以全壽命周期設(shè)計(jì)為指導(dǎo)，綜合考慮全壽命周期內(nèi)各個(gè)環(huán)節(jié)的工作需求。

1.1 建造階段

設(shè)計(jì)目標(biāo)是安全可靠、快速保通。實(shí)現(xiàn)方法是研究跨線橋梁常用施工方法，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況、施工條件、周邊環(huán)境等綜合選擇。

1.2 管養(yǎng)階段

定期監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是達(dá)到非接觸檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)方法是建造期在梁體上預(yù)先設(shè)置永久的病害檢測(cè)控制網(wǎng)，后期可通過高精度數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程圖像采集，并以中心現(xiàn)有中小跨徑橋梁數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，進(jìn)行圖像智能識(shí)別。

養(yǎng)護(hù)維修設(shè)計(jì)目標(biāo)是預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。實(shí)現(xiàn)方法為：鋼結(jié)構(gòu)用鋼和螺栓可采用耐候鋼材，養(yǎng)護(hù)便利、環(huán)保、全壽命周期成本低。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，梁體各部分可通可達(dá)。

健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是達(dá)到基于4G 網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸。實(shí)現(xiàn)方法為：建造期在梁體內(nèi)預(yù)先設(shè)置傳感器系統(tǒng)，信息通過采集裝置集成并通過4G 網(wǎng)絡(luò)無線傳輸，完成橋梁遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)。

1.3 回收利用階段

回收利用設(shè)計(jì)目標(biāo)是達(dá)到可回收利用、方便拆除。

2 橋梁方案比選

2.1 鋼-混組合梁橋分箱預(yù)制吊裝方案

2.1.1 設(shè)計(jì)方案

上部結(jié)構(gòu)采用30 m 簡支鋼-混組合梁（見圖1）。標(biāo)準(zhǔn)斷面為雙箱等截面鋼-混組合梁。梁高2.0 m，橋面寬13.0 m。橋面板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)厚度為280 mm，鋼梁上翼緣板處厚度為400 mm。鋼梁為頂開口箱形斷面，底面完全封閉，翼緣板厚度為20 mm，腹板厚度為12～16 mm，底板厚度為20 mm。

圖1 鋼-混組合梁橋

2.1.2 施工方案

施工方法采取分箱預(yù)制吊裝施工方法。

組合梁鋼箱部分每個(gè)鋼箱工廠分三段預(yù)制，每段長度約10 m，寬度為4.1 m。運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后，每個(gè)鋼箱采用高強(qiáng)螺栓連接成整體。

吊裝方案一：若現(xiàn)場(chǎng)具有較大噸位吊裝能力，可以在吊裝前分箱將混凝土橋面板預(yù)制安裝或者現(xiàn)場(chǎng)澆筑成整體，防撞墻澆筑完成，兩個(gè)單箱組合梁分別吊裝，每個(gè)單箱組合梁（含防撞墻）約169 t。預(yù)計(jì)使用2 臺(tái)400 t 汽車吊車，吊點(diǎn)半徑為12.0 m。吊鉤高度為15.5 m 時(shí)，每臺(tái)汽車起重機(jī)吊裝重量為102 t。每個(gè)單箱組合梁吊裝時(shí)間為1～2 h。

吊裝方案二：若現(xiàn)場(chǎng)不具有較大噸位吊裝能力，可以將鋼箱上混凝土底膜做成鋼模板，兩端翼緣側(cè)板延伸至防撞墻高度；鋼箱梁部分分箱吊裝完成后，混凝土底膜與防撞墻外圍擋板形成封閉空間（見圖2），做好安全防護(hù)措施，在不影響橋下線路運(yùn)營條件下，預(yù)制安裝或澆筑橋面板和防撞墻。每個(gè)單箱鋼箱梁約76 t。預(yù)計(jì)使用2 臺(tái)200 t 汽車吊車，吊點(diǎn)半徑為12.0 m。吊鉤高度為17.6 m 時(shí)，每臺(tái)汽車起重機(jī)吊裝重量為52 t。每個(gè)單箱鋼箱梁吊裝時(shí)間為1～2 h。

圖2 鋼底膜封閉空間斷面圖

2.1.3 細(xì)部設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)的細(xì)部設(shè)計(jì)方案會(huì)直接影響橋梁架設(shè)施工的可行性和后期的耐久性。本文從后澆段設(shè)計(jì)和耐候鋼設(shè)計(jì)要點(diǎn)兩個(gè)方面來闡述。

每個(gè)單梁分別吊裝完成后，如何能快速、準(zhǔn)確地連接，且不影響鐵路運(yùn)營的安全，成為后澆段設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文采用連接端翼緣懸臂底板帶螺栓拼接板方法。先吊裝的梁體在連接端翼緣懸臂底板預(yù)留鋼板和拼接板，兩板栓接。拼接板預(yù)留螺栓孔，待第二片梁吊裝就位后，將拼接板與翼緣懸臂底板栓接，形成封閉空間，然后澆筑混凝土。此方法對(duì)安裝精度要求比較高，設(shè)計(jì)時(shí)需要在蓋梁或者梁體內(nèi)預(yù)先安裝定位裝置，保證架設(shè)的精度。

耐候鋼具有良好的耐腐蝕性，尤其是免涂裝耐候鋼材，省去了涂裝工藝，極大地節(jié)省了建造成本和建造時(shí)間，而且非常有利于環(huán)境保護(hù)。在實(shí)際使用中，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)不用進(jìn)行大量重復(fù)的涂裝養(yǎng)護(hù)工作，極大地降低了運(yùn)營和維護(hù)成本[4]。

但是耐候鋼對(duì)環(huán)境中的鹽分比較敏感，并且對(duì)結(jié)構(gòu)的排水和通風(fēng)的要求很高。在設(shè)計(jì)耐候鋼橋時(shí),必須充分考慮架橋地點(diǎn)的位置,確保能夠處在通風(fēng)條件好且干濕交替變化的環(huán)境中[5]。在構(gòu)造上采取排水措施，防止含有防凍劑鹽分的路面水流到鋼材上。橋面板設(shè)置高性能的防水層，伸縮裝置采用非排水型伸縮縫，排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)將排水管口伸到鋼梁下翼緣以下。

2.1.4 施工工期

本方案施工工期約為：1.5～2 個(gè)月。

（1）鋼箱部分預(yù)制30 d。

（2）鋼箱梁運(yùn)輸和吊裝前準(zhǔn)備10 d。

（3）現(xiàn)場(chǎng)安裝（澆筑）混凝土橋面板2（10）d。

（4）現(xiàn)場(chǎng)安裝（澆筑）防撞墻2（5）d。

（5）鋼箱梁吊裝和橋面懸臂連接2 d。

（6）橋面鋪裝和其他附屬設(shè)施10 d。

2.1.5 全壽命周期成本

全壽命周期成本（LCCA）是指在設(shè)計(jì)階段確定橋梁從建成到壽命終結(jié)時(shí)的總成本。在進(jìn)行設(shè)計(jì)方案比選時(shí)，不僅考慮初始建造成本、設(shè)計(jì)成本，還考慮服役期間橋梁檢查、養(yǎng)護(hù)、維護(hù)等各種成本，將未來成本折現(xiàn)為凈現(xiàn)值 (Net Present Value，NPV)，才可用于對(duì)設(shè)計(jì)方案的評(píng)估[6]。本方案全壽命周期成本見表1。

表1 全壽命周期成本

其中，用戶成本為由于橋面鋪裝等維修中進(jìn)行合理的橋上保通方案成本。此項(xiàng)成本根據(jù)壽命周期內(nèi)橋面鋪裝預(yù)估的次數(shù)，計(jì)算橋上保通方案所支出的成本。環(huán)境成本為橋梁營運(yùn)、維修、養(yǎng)護(hù)和拆除中的噪聲、土地臨時(shí)占用、空氣污染等而發(fā)生的成本。拆除成本為拆除既有構(gòu)件所需要的費(fèi)用。剩余價(jià)值為拆除結(jié)構(gòu)構(gòu)件可回收的成本。

2.2 鋼箱梁分箱預(yù)制吊裝方案

2.2.1 設(shè)計(jì)方案

上部結(jié)構(gòu)采用30 m 簡支鋼箱梁方案。標(biāo)準(zhǔn)斷面為三箱等截面鋼箱梁（見圖3）。梁高2.0 m，橋面寬13.0 m。鋼箱主要板件厚度設(shè)置如下：頂?shù)装搴穸染鶠?6 mm，腹板厚度為12 mm，支點(diǎn)處橫隔板厚度為16 mm，其余橫隔板厚度為10 mm。

圖3 鋼箱梁橋

2.2.2 施工方案

施工方案采取分箱預(yù)制吊裝施工方法。

鋼箱梁每個(gè)鋼箱工廠分三段預(yù)制，每段長度約10 m，寬度為4.25 m。運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后，每個(gè)鋼箱采用高強(qiáng)螺栓連接成整體。吊裝前，現(xiàn)場(chǎng)安裝防撞墻。

兩個(gè)單箱鋼箱梁分別吊裝，邊箱梁體重量約為85 t（含防撞墻），中箱梁體重量為71.5 t 。預(yù)計(jì)使用2 臺(tái)200 t 汽車吊車，吊點(diǎn)半徑為12.0 m。吊鉤高度為17.6 m 時(shí)，每臺(tái)汽車起重機(jī)吊裝重量為52 t。每個(gè)單箱組合梁吊裝時(shí)間為1～2 h。

2.2.3 細(xì)部設(shè)計(jì)

鋼箱梁后澆段的連接方式與鋼-混組合梁方式基本相同。先吊裝的梁體在連接端翼緣懸臂底板預(yù)留鋼板和拼接板，兩板栓接。拼接板預(yù)留螺栓孔，待第二片梁吊裝就位后，將拼接板與翼緣懸臂底板栓接，形成封閉空間。懸臂處橫隔板留出預(yù)接長度，吊裝就位后螺栓連接。最后焊接連接段頂板，V 型坡口與鋼梁翼緣頂板焊接。鋼箱梁排水設(shè)計(jì)原則同鋼-混組合梁。

2.2.4 施工工期及全壽命周期成本

施工工期約為2 個(gè)月

（1）鋼箱梁預(yù)制30 d。

（2）鋼箱梁運(yùn)輸和吊裝前準(zhǔn)備5 d。

（3）現(xiàn)場(chǎng)安裝（澆筑）防撞墻2（10）d。

（4）鋼箱梁吊裝和橋面懸臂連接3 d 。

（5）橋面鋪裝和其他附屬設(shè)施10 d。

2.2.5 全壽命周期成本

本方案全壽命周期成本見表2。

表2 全壽命周期成本

2.3 預(yù)應(yīng)力混凝土T 構(gòu)轉(zhuǎn)體施工方案

2.3.1 設(shè)計(jì)方案

跨線橋上部結(jié)構(gòu)采用（50+50）m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 構(gòu)方案（見圖4）。上部結(jié)構(gòu)為單箱變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。支點(diǎn)梁高5.0 m，跨中梁高為2.8 m，橋面寬13.0 m。

圖4 預(yù)應(yīng)力混凝土T 構(gòu)立面圖（單位：m）

2.3.2 施工方案

施工方案采取轉(zhuǎn)體施工方法。

先沿下穿線路方向清理出梁體現(xiàn)澆施工場(chǎng)地，臨時(shí)封閉地面交通，在道路中線處施工轉(zhuǎn)體用橋墩下部基礎(chǔ)、轉(zhuǎn)盤和橋墩。再沿與下穿線路平行的方向搭設(shè)滿堂支架，現(xiàn)澆施工梁體，同時(shí)在下穿線路上方搭設(shè)防護(hù)棚架。待梁體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，將橋墩和梁體實(shí)施轉(zhuǎn)體。全橋合龍后，拆除墩梁臨時(shí)固結(jié)，恢復(fù)地面交通，最后施工橋面系和附屬結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)體噸位約為4 700 t，轉(zhuǎn)體時(shí)間為1～1.5 h。

2.3.3 施工工期

（1）封閉道路交通，拆遷梁體預(yù)制場(chǎng)地內(nèi)構(gòu)筑物，線路路基邊坡防護(hù)20 d。

（2）基礎(chǔ)、承臺(tái)和轉(zhuǎn)體體系施工40 d。

（3）橋墩和變截面箱梁施工120 d。

（4）轉(zhuǎn)體架設(shè)和固定轉(zhuǎn)體體系2 d。

（5）橋面鋪裝和其他附屬設(shè)施30 d。

2.3.4 全壽命周期成本

本方案全壽命周期成本見表3。

表3 全壽命周期成本

3 橋梁方案分析與建議

3.1 方案分析

3.1.1 方案一兩種吊裝方案對(duì)比

方案一（鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)）提供兩種不同的吊裝方案。兩種吊裝方案的主要區(qū)別在于吊裝的重量。如果在施工過程能提供有效吊裝機(jī)具的情況下，吊裝方案可以在線路限界之外完成橋面結(jié)構(gòu)的預(yù)制安裝，達(dá)到整體吊裝，對(duì)橋下干擾小。吊裝方案二的優(yōu)點(diǎn)是吊裝重量較輕，但是架設(shè)完成后需要在橋上繼續(xù)施工。從受力上來說，吊裝方案一在架設(shè)前便實(shí)現(xiàn)了組合梁的整體受力。吊裝方案二則是鋼梁先承擔(dān)了本身自重和混凝土板的重量，待混凝土板達(dá)到強(qiáng)度后方能整體發(fā)揮效力。

3.1.2 方案一與方案二對(duì)比

方案一（鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)）和方案二（鋼箱梁結(jié)構(gòu)）都采用吊裝的施工方法，方案一充分發(fā)揮混凝土受壓、鋼梁受拉的特性；方案二的預(yù)制程度更高，施工工期更短，重量更輕。方案二的三箱鋼箱梁需要在3 個(gè)天窗窗口期架設(shè)完成，且工程造價(jià)較高。

3.1.3 方案一、方案二與方案三對(duì)比

方案一、方案二采用吊裝施工方法，方案三采用轉(zhuǎn)體施工方法。方案三適合跨越線路跨徑較大、天窗時(shí)間較短的架設(shè)情況。方案三工期較長、施工工序較復(fù)雜。當(dāng)跨越高速線路、電力系統(tǒng)對(duì)構(gòu)筑物要求較高時(shí)，宜采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.2 方案建議

方案一：鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是架設(shè)安全快速，施工工期短，工藝成熟，全壽命周期成本低。缺點(diǎn)是耐候鋼材避開濱海公路等鹽分較高環(huán)境。當(dāng)跨越線路跨徑為30～40 m 時(shí)，推薦使用本方案。

方案二：鋼箱梁結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是預(yù)制程度高，架設(shè)安全快速，施工工期短，工藝成熟，全壽命周期成本低。缺點(diǎn)是耐候鋼材避開濱海公路等鹽分較高環(huán)境。當(dāng)跨越線路跨徑為30～40 m 時(shí)，要求工期更短的情況，推薦使用本方案。

方案三：預(yù)應(yīng)力混凝土T 構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是架設(shè)快速，工藝成熟。缺點(diǎn)是工期較長，工藝復(fù)雜。當(dāng)跨越線路跨徑較大，或者電力系統(tǒng)對(duì)構(gòu)筑物要求較高，不宜使用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，推薦使用本方案。

4 結(jié)語

本文從橋梁全壽命周期考慮，提出針對(duì)中小跨徑公路跨線橋的全壽命周期設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)階段充分考慮了橋梁全壽命周期內(nèi)各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素，力求在前期設(shè)計(jì)階段就為各個(gè)階段的實(shí)施做好充分的準(zhǔn)備。

本文從結(jié)構(gòu)形式上提出了3 種設(shè)計(jì)方案。針對(duì)不同的施工條件、周邊環(huán)境，3 種方案各有其不同的適用條件。從材料選擇上免涂裝耐候鋼，力求減少后期的養(yǎng)護(hù)對(duì)運(yùn)營線路造成的影響，同時(shí)能減少管養(yǎng)費(fèi)用。同時(shí)，考慮到耐候鋼本身的材料性能特性，在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上避開對(duì)其不利設(shè)計(jì)。

本文從全壽命周期角度考慮了各個(gè)設(shè)計(jì)方案全壽命周期成本。全壽命周期成本目前國內(nèi)研究不多，且受外部環(huán)境影響較大，希望本文能為全壽命相關(guān)研究提供依據(jù)。

全壽命周期設(shè)計(jì)需要獲取大量已建工程的病害信息、后期管養(yǎng)維護(hù)信息。這方面國內(nèi)應(yīng)積極借鑒國外研究經(jīng)驗(yàn)，在智能養(yǎng)護(hù)的基礎(chǔ)上建立完善的橋梁全壽命周期數(shù)據(jù)庫，為全壽命周期研究提供更多的參考依據(jù)。