柴加兵

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110116)

山區(qū)高速公路路線走向復(fù)雜，投資巨大，山區(qū)高速公路的大中橋梁合理設(shè)計(jì)方案是高速公路建設(shè)的重中之重。筆者以本桓寬高速公路寬甸支線大中橋梁方案設(shè)計(jì)研究為基礎(chǔ)，對(duì)型鋼組合梁在山區(qū)高速公路大中橋梁中應(yīng)用進(jìn)行深入研究，希望能為以后山區(qū)高速公路大中橋橋梁方案選擇提供參考。

1 工程概況

本溪至寬甸高速公路(以下簡(jiǎn)稱本寬支線)是遼寧省高速公路網(wǎng)的重要組成部分，是本溪至集安高速公路(G9111)與鶴崗至大連高速公路(G11)兩條國(guó)高網(wǎng)項(xiàng)目的縱向連接線。

本溪至寬甸高速公路起于本溪市桓仁縣八里甸子鎮(zhèn)，經(jīng)丹東市寬甸縣雙山子鎮(zhèn)、灌水鎮(zhèn)，終于寬甸縣大川頭鎮(zhèn)，接鶴大高速公路，本寬支線起點(diǎn)樁號(hào)K0+000，終點(diǎn)樁號(hào)K46+127.311，路線全長(zhǎng)46.127km。全線擬按雙向四車道高速公路全封閉、全立交標(biāo)準(zhǔn)修建，設(shè)計(jì)速度采用100km/h，整體式路基寬度26m。

圖1 路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:cm)

寬甸支線共設(shè)置大橋10座，全長(zhǎng)2225m；中橋10座，全長(zhǎng)746m；主線上跨分離式立交6座，全長(zhǎng)1519.5m。橋梁全長(zhǎng)為4490.5 m，全線大中橋梁占比為9.74%。

2 橋梁設(shè)計(jì)原則

針對(duì)本項(xiàng)目所處位置的地形、地質(zhì)、工程特點(diǎn),橋涵方案的選擇基本遵循以下原則：

(1)以人為本。一般不降低原有河道、溝渠功能，盡量不破壞原有水系和排灌網(wǎng)絡(luò)，橋梁跨度不壓縮河床洪水宣泄斷面，不改變現(xiàn)有河流特性；盡量根據(jù)工程實(shí)際地形設(shè)置高速公路的橫向穿越或跨越結(jié)構(gòu)物，以滿足沿線工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的需要。

(2)橋位選擇一般服從路線走向，結(jié)合橋位處水文、地形、地物、地質(zhì)等條件合理布設(shè)；部分橋孔兼跨地方道路；大橋應(yīng)注意橋路配合，當(dāng)橋梁位于平曲線上時(shí)，可做曲線橋或折線橋；橋上縱坡一般應(yīng)服從路線設(shè)計(jì)需要[1]。

(3)橋型結(jié)構(gòu)以“技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟(jì)合理、造型美觀、有利環(huán)保”為原則，因地制宜，就地取材，便于施工和養(yǎng)護(hù)[2]。

(4)一般大中橋橋型結(jié)構(gòu)以中小跨徑為主，力求標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化，以方便施工、縮短工期、降低工程投資[3]。

(5)橋臺(tái)形式根據(jù)不同的地形、地質(zhì)條件，合理選擇重力臺(tái)、承臺(tái)分離式橋臺(tái)以及肋板式橋臺(tái)等橋臺(tái)形式。臺(tái)后填土高度一般控制在5～12m的范圍內(nèi)。

(6)本路段沿線地形復(fù)雜，山高坡陡，布設(shè)于陡坡上的橋墩，須結(jié)合橋高及橫斷面情況合理選擇適宜的下部結(jié)構(gòu)形式。

(7)分離式跨線橋在滿足當(dāng)?shù)刂虚L(zhǎng)期發(fā)展路網(wǎng)規(guī)劃需要的前提下，盡量留足富余空間，以方便當(dāng)?shù)亟煌ú块T改擴(kuò)建現(xiàn)有道路，同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)孛褡逄厣褡辶?xí)慣優(yōu)化選擇橋梁結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)人、車、路完美和諧。

根據(jù)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，在橋型方案選擇中，遵循特殊大橋特殊設(shè)計(jì)，一般特大、大、中橋采用常規(guī)設(shè)計(jì)的原則，盡量采用通用圖設(shè)計(jì)方案，在立體交叉處盡量采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，以方便施工和使設(shè)計(jì)更合理；采用預(yù)制上部結(jié)構(gòu)的，同一座橋中盡量采用同一種跨徑，不宜采用不同跨徑，方便預(yù)制場(chǎng)地布置，節(jié)約預(yù)制設(shè)備投入；下部盡量減少墩徑的種類，降低施工單位模板工程投入。

3 橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

大中橋梁采用如下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):

(1)汽車荷載：公路-I級(jí)。

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

(3)地震動(dòng)峰值加速度： 0.05g。

(4)橋梁抗震設(shè)防類別： C類。

(5)設(shè)計(jì)洪水頻率：大、中橋1/100。

(6)大中橋橋?qū)挘?.50m防撞護(hù)欄+凈11.25m行車道+1.50m中分帶+凈11.25m行車道+0.50m防撞護(hù)欄=25.0m。

(7)河流通航等級(jí)：本項(xiàng)目的河流無通航要求。

圖2 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位：mm)

4 上部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)比選

4.1 方案設(shè)計(jì)比選原則

(1)對(duì)于跨越既有高速公路及主要交通干道橋梁，進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)比選，考慮到對(duì)橋下運(yùn)營(yíng)道路的影響，優(yōu)先選用鋼結(jié)構(gòu)橋梁作為推薦方案。

(2)對(duì)于主線常規(guī)跨徑橋梁，采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分比選，從建安費(fèi)、施工難易程度、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用等方面綜合考慮，確定推薦方案。

(3)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁方案比選時(shí)考慮橋梁全壽命周期影響，包括混凝土橋梁后期養(yǎng)護(hù)、鋼結(jié)構(gòu)橋梁采用耐候鋼減少橋梁后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用、鋼結(jié)構(gòu)橋梁壽命結(jié)束后鋼材回收等影響。

4.2 方案設(shè)計(jì)比選

(1)跨越既有高速公路橋梁及主要交通干道橋梁的對(duì)比

考慮鋼混結(jié)構(gòu)的施工工期較短、對(duì)橋下交通的影響較小、施工安全性好等因素，為減小施工過程對(duì)交通的干擾和環(huán)境的不利影響，減小交通封堵帶來的經(jīng)濟(jì)損失，跨越現(xiàn)狀高速公路及主要國(guó)省干道采用鋼結(jié)構(gòu)橋梁。最終采用鋼混組合梁結(jié)構(gòu)作為推薦方案，現(xiàn)澆預(yù)混凝土結(jié)構(gòu)作為比較方案。

(2)主線常規(guī)跨徑橋梁的對(duì)比

16m、20m跨徑橋梁常用結(jié)構(gòu)形式為空心板，空心板具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、建筑高度低、用材經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，成為以前國(guó)內(nèi)公路橋梁20m以下跨徑橋梁的首選橋型。但受施工、自然侵蝕及運(yùn)營(yíng)環(huán)境等因素的影響，建成后的空心板梁橋，隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，逐漸出現(xiàn)材料劣化、裂縫、鉸縫損傷等病害，尤其鉸縫是易損部位，在東北地區(qū)冬季常使用除冰鹽，從而大大加劇鉸縫的破壞進(jìn)程，因此降低了空心板梁橋鉸縫結(jié)構(gòu)耐用性，這些病害的不斷累積和發(fā)展，嚴(yán)重降低橋梁的承載性能并危及行車安全。為了降低公路橋梁病害數(shù)量，改善公路運(yùn)行條件，許多省份已經(jīng)開始用預(yù)制矮T梁等結(jié)構(gòu)取代空心板梁，為此我們提出了采用熱軋型鋼組合梁代替?zhèn)鹘y(tǒng)空心板梁結(jié)構(gòu)的方案。

(3)熱軋型鋼組合梁的優(yōu)勢(shì)

型鋼組合梁與鋼板組合梁類似，依然是由混凝土橋面板和工字鋼板梁疊合形成組合截面，但鋼梁部分用熱軋型鋼代替焊接工字鋼。

與預(yù)制矮T梁、小箱梁相比，熱軋型鋼組合梁具有組合梁自身的明顯優(yōu)勢(shì)，重量輕、安裝方便、便于工廠化施工、同時(shí)避免了混凝土梁腹板、預(yù)應(yīng)力錨下裂縫等質(zhì)量通??；與焊接鋼板組合梁相比，型鋼組合梁頂?shù)装迮c腹板之間無需焊接，并且由于腹板高厚比較小，無需設(shè)置橫向加勁肋，鋼板加工、焊接工作量大幅減少。由于熱軋型鋼是在工廠直接軋制成型，與焊接工字鋼相比較，不存在焊接殘余應(yīng)力影響區(qū)，交叉區(qū)域金屬晶粒細(xì)小、質(zhì)地均勻，因此熱軋型鋼整體受力狀態(tài)更好。

(4)經(jīng)濟(jì)比選

經(jīng)調(diào)查，熱軋H型鋼出廠價(jià)格與結(jié)構(gòu)用中厚板價(jià)格相當(dāng)，因此型鋼組合梁與成品鋼材價(jià)格相比具有較大優(yōu)勢(shì)。由于型鋼軋制工藝限制，型鋼高度最大尺寸約為1.0m，為此型鋼組合梁比較適于在20m及以下跨徑的橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。選取20m跨徑橋梁進(jìn)行全壽命周期比選，如表1所示。

表1 跨徑20m板(梁)全壽命周期成本

(5)比選結(jié)論

從全壽命周期成本來看，20m 裝配式空心板橋的建造成本最低，全壽命周期成本也最低，空心板梁橋在遼寧高速公路中廣泛使用，但是根據(jù)近20年使用情況來看，空心板橋梁存在較多病害問題，鉸縫容易破壞，導(dǎo)致單板受力情況較為突出，另外空心板橋梁耐久性較差，部分位置混凝土容易剝落，鋼筋裸露、鋼筋銹蝕嚴(yán)重等病害，雖然空心板經(jīng)濟(jì)性較好，但是不適宜繼續(xù)推薦使用空心板梁橋；裝配式小箱梁橋的全壽命周期成本次之。型鋼組合梁全壽命周期成本比T梁高10.6%。型鋼組合梁在建設(shè)前期費(fèi)用較高，但是從全壽命周期來比較，型鋼組合梁具有較大的優(yōu)勢(shì)。從全壽命周期成本的角度來考慮，組合梁和混凝土梁的經(jīng)濟(jì)性差距并不像單純考慮建設(shè)成本那樣巨大。從行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)及國(guó)家推廣鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)政策來看，采用鋼結(jié)構(gòu)更符合國(guó)家政策及行業(yè)發(fā)展方向。 另外從環(huán)境保護(hù)，山區(qū)施工難易程度、山區(qū)預(yù)制梁運(yùn)輸難易程度等綜合比較來看，鋼結(jié)構(gòu)有著混凝土結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

綜合考慮熱軋型鋼組合梁具有耐久性好、預(yù)制方便、易于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和施工、便于運(yùn)輸、吊裝、綜合造價(jià)較優(yōu)等特點(diǎn)，對(duì)中短橋梁將16m、20m熱軋型鋼組合梁做為推薦方案。

5 下部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目墩高普遍較矮，大、中橋梁橋墩主要采用圓柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)形式。圓柱式墩是最實(shí)用、最經(jīng)濟(jì)的橋墩型式，具有外形整潔美觀、與地形適應(yīng)性強(qiáng)、施工工藝簡(jiǎn)單、滑模施工便捷、與樁基礎(chǔ)銜接好的優(yōu)點(diǎn)。同一橋梁的墩身形式保持一致以緩解施工壓力，降低施工成本。

墩系梁設(shè)置原則：柱式排架墩宜設(shè)置樁頂系梁；未設(shè)置蓋梁，且高度大于7m的排架樁墩應(yīng)設(shè)置墩頂系梁。墩高在10～20m時(shí)，宜至少設(shè)置一道柱間系梁；墩高在20～30m時(shí)，宜至少設(shè)置兩道柱間系梁；墩高在30m以上時(shí)，宜適當(dāng)增加柱間系梁的設(shè)置數(shù)量。系梁位置根據(jù)橋位斷面盡量布置在同一高度，以利全橋美觀。

對(duì)于橋臺(tái)的類型，則密切結(jié)合地形地勢(shì)，主要有肋板臺(tái)、重力臺(tái)、一字臺(tái)、柱式臺(tái)。實(shí)際選擇過程中控制橋臺(tái)的填土高度，以消除工程質(zhì)量隱患。如采用柱式臺(tái)應(yīng)注意，其抗推能力較差，在水平力作用下位移較大，在橋臺(tái)填土高度較大(H≥5m)或臺(tái)前邊坡較陡的情況下盡量避免采用；對(duì)于長(zhǎng)聯(lián)、大縱坡橋，為減少長(zhǎng)期荷載作用累積變位，也應(yīng)避免采用柱式臺(tái)。

橋臺(tái)基礎(chǔ)一般可采用擴(kuò)大基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)。采用樁基礎(chǔ)時(shí)，為避免大面積開挖，盡量少開挖原始地面，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，應(yīng)注意承臺(tái)頂面標(biāo)高要適當(dāng)，當(dāng)樁長(zhǎng)不長(zhǎng)時(shí)，推薦采用挖孔樁基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

過去幾十年，空心板橋梁在高速公路大中橋中占有較大比例，但是隨著使用情況的反饋，空心板橋梁在使用中出現(xiàn)了大量的病害，有些甚至影響到了橋梁的承載力及耐久性，極大地威脅著高速公路行車安全。從全壽命周期成本來看，型鋼組合梁具有空心板、T梁、矮T梁及小箱梁橋無法比擬的優(yōu)勢(shì)，從山區(qū)高速公路施工、運(yùn)輸、養(yǎng)護(hù)及景觀融入性等幾方面來看，在高速公路大中橋梁中推廣型鋼組合梁也將達(dá)到令人期待的效果。