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摘要:以本桓寬高速公路寬甸支線大中橋梁方案設計為例，對型鋼組合梁在山區高速公路大中橋梁中的應用進行深入研究。闡述了橋梁設計的原則、設計標準，將型鋼組合梁與空心板、小箱梁、矮T梁、T梁進行全壽命周期比選。型鋼組合梁具有耐久性好、預制方便、易于標準化生產和施工、便于運輸、吊裝、綜合造價較優等特點，適用于山區高速公路大中橋方案設計。

關鍵詞:山區高速公路;大中橋梁方案設計;空心板橋;型鋼組合梁橋中

山區高速公路路線走向復雜，投資巨大，山區高速公路的大中橋梁合理設計方案是高速公路建設的重中之重。筆者以本桓寬高速公路寬甸支線大中橋梁方案設計研究為基礎，對型鋼組合梁在山區高速公路大中橋梁中應用進行深入研究，希望能為以后山區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(以下簡稱本寬支線)是遼寧省高速公路網的重要組成部分，是本溪至集安高速公路(G9111)與鶴崗至大連高速公路(G11)兩條國高網項目的縱向連接線。本溪至寬甸高速公路起于本溪市桓仁縣八里甸子鎮，經丹東市寬甸縣雙山子鎮、灌水鎮，終于寬甸縣大川頭鎮，接鶴大高速公路，本寬支線起點樁號K0+000，終點樁號K46+127．311，路線全長46.127km。全線擬按雙向四車道高速公路全封閉、全立交標準修建，設計速度采用100km/h，整體式路基寬度26m。寬甸支線共設置大橋10座，全長2225m;中橋10座，全長746m;主線上跨分離式立交6座，全長1519．5m。橋梁全長為4490．5m，全線大中橋梁占比為9．74%。

2橋梁設計原則

針對本項目所處位置的地形、地質、工程特點，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絡，橋梁跨度不壓縮河床洪水宣泄斷面，不改變現有河流特性;盡量根據工程實際地形設置高速公路的橫向穿越或跨越結構物，以滿足沿線工業、農業生產生活的需要。(2)橋位選擇一般服從路線走向，結合橋位處水文、地形、地物、地質等條件合理布設;部分橋孔兼跨地方道路;大橋應注意橋路配合，當橋梁位于平曲線上時，可做曲線橋或折線橋;橋上縱坡一般應服從路線設計需要［1］。(3)橋型結構以“技術先進、安全可靠、適用耐久、經濟合理、造型美觀、有利環保”為原則，因地制宜，就地取材，便于施工和養護［2］。(4)一般大中橋橋型結構以中小跨徑為主，力求標準化、裝配化，以方便施工、縮短工期、降低工程投資［3］。(5)橋臺形式根據不同的地形、地質條件，合理選擇重力臺、承臺分離式橋臺以及肋板式橋臺等橋臺形式。臺后填土高度一般控制在5～12m的范圍內。(6)本路段沿線地形復雜，山高坡陡，布設于陡坡上的橋墩，須結合橋高及橫斷面情況合理選擇適宜的下部結構形式。(7)分離式跨線橋在滿足當地中長期發展路網規劃需要的前提下，盡量留足富余空間，以方便當地交通部門改擴建現有道路，同時根據當地民族特色民族習慣優化選擇橋梁結構形式，實現人、車、路完美和諧。根據本項目的特點，在橋型方案選擇中，遵循特殊大橋特殊設計，一般特大、大、中橋采用常規設計的原則，盡量采用通用圖設計方案，在立體交叉處盡量采用現澆結構，以方便施工和使設計更合理;采用預制上部結構的，同一座橋中盡量采用同一種跨徑，不宜采用不同跨徑，方便預制場地布置，節約預制設備投入;下部盡量減少墩徑的種類，降低施工單位模板工程投入。

3橋梁設計標準

大中橋梁采用如下設計標準:(1)汽車荷載:公路－I級。(2)結構設計安全等級:一級。(3)地震動峰值加速度:0．05g。(4)橋梁抗震設防類別:C類。(5)設計洪水頻率:大、中橋1/100。(6)大中橋橋寬:0．50m防撞護欄+凈11．25m行車道+1．50m中分帶+凈11．25m行車道+0.50m防撞護欄=25．0m。(7)河流通航等級:本項目的河流無通航要求。

4上部結構方案設計比選

4．1方案設計比選原則

(1)對于跨越既有高速公路及主要交通干道橋梁，進行混凝土結構與鋼結構比選，考慮到對橋下運營道路的影響，優先選用鋼結構橋梁作為推薦方案。(2)對于主線常規跨徑橋梁，采用預制混凝土結構與鋼結構進行充分比選，從建安費、施工難易程度、養護費用等方面綜合考慮，確定推薦方案。(3)對鋼結構橋梁方案比選時考慮橋梁全壽命周期影響，包括混凝土橋梁后期養護、鋼結構橋梁采用耐候鋼減少橋梁后期養護費用、鋼結構橋梁壽命結束后鋼材回收等影響。

4．2方案設計比選

(1)跨越既有高速公路橋梁及主要交通干道橋梁的對比考慮鋼混結構的施工工期較短、對橋下交通的影響較小、施工安全性好等因素，為減小施工過程對交通的干擾和環境的不利影響，減小交通封堵帶來的經濟損失，跨越現狀高速公路及主要國省干道采用鋼結構橋梁。最終采用鋼混組合梁結構作為推薦方案，現澆預混凝土結構作為比較方案。(2)主線常規跨徑橋梁的對比16m、20m跨徑橋梁常用結構形式為空心板，空心板具有結構形式簡單、建筑高度低、用材經濟等優點，成為以前國內公路橋梁20m以下跨徑橋梁的首選橋型。但受施工、自然侵蝕及運營環境等因素的影響，建成后的空心板梁橋，隨著服役時間的延長，逐漸出現材料劣化、裂縫、鉸縫損傷等病害，尤其鉸縫是易損部位，在東北地區冬季常使用除冰鹽，從而大大加劇鉸縫的破壞進程，因此降低了空心板梁橋鉸縫結構耐用性，這些病害的不斷累積和發展，嚴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量，改善公路運行條件，許多省份已經開始用預制矮T梁等結構取代空心板梁，為此我們提出了采用熱軋型鋼組合梁代替傳統空心板梁結構的方案。(3)熱軋型鋼組合梁的優勢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勢，重量輕、安裝方便、便于工廠化施工、同時避免了混凝土梁腹板、預應力錨下裂縫等質量通病;與焊接鋼板組合梁相比，型鋼組合梁頂底板與腹板之間無需焊接，并且由于腹板高厚比較小，無需設置橫向加勁肋，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，不存在焊接殘余應力影響區，交叉區域金屬晶粒細小、質地均勻，因此熱軋型鋼整體受力狀態更好。(4)經濟比選經調查，熱軋H型鋼出廠價格與結構用中厚板價格相當，因此型鋼組合梁與成品鋼材價格相比具有較大優勢。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構中應用。選取20m跨徑橋梁進行全壽命周期比選，如表1所示。(5)比選結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、鋼筋銹蝕嚴重等病害，雖然空心板經濟性較好，但是不適宜繼續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%。型鋼組合梁在建設前期費用較高，但是從全壽命周期來比較，型鋼組合梁具有較大的優勢。從全壽命周期成本的角度來考慮，組合梁和混凝土梁的經濟性差距并不像單純考慮建設成本那樣巨大。從行業發展趨勢及國家推廣鋼結構相關政策來看，采用鋼結構更符合國家政策及行業發展方向。另外從環境保護，山區施工難易程度、山區預制梁運輸難易程度等綜合比較來看，鋼結構有著混凝土結構無法比擬的優勢。綜合考慮熱軋型鋼組合梁具有耐久性好、預制方便、易于標準化生產和施工、便于運輸、吊裝、綜合造價較優等特點，對中短橋梁將16m、20m熱軋型鋼組合梁做為推薦方案。

5下部結構方案設計

本項目墩高普遍較矮，大、中橋梁橋墩主要采用圓柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎形式。圓柱式墩是最實用、最經濟的橋墩型式，具有外形整潔美觀、與地形適應性強、施工工藝簡單、滑模施工便捷、與樁基礎銜接好的優點。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。墩系梁設置原則:柱式排架墩宜設置樁頂系梁;未設置蓋梁，且高度大于7m的排架樁墩應設置墩頂系梁。墩高在10～20m時，宜至少設置一道柱間系梁;墩高在20～30m時，宜至少設置兩道柱間系梁;墩高在30m以上時，宜適當增加柱間系梁的設置數量。系梁位置根據橋位斷面盡量布置在同一高度，以利全橋美觀。對于橋臺的類型，則密切結合地形地勢，主要有肋板臺、重力臺、一字臺、柱式臺。實際選擇過程中控制橋臺的填土高度，以消除工程質量隱患。如采用柱式臺應注意，其抗推能力較差，在水平力作用下位移較大，在橋臺填土高度較大(H≥5m)或臺前邊坡較陡的情況下盡量避免采用;對于長聯、大縱坡橋，為減少長期荷載作用累積變位，也應避免采用柱式臺。橋臺基礎一般可采用擴大基礎、樁基礎。采用樁基礎時，為避免大面積開挖，盡量少開挖原始地面，保護生態環境，應注意承臺頂面標高要適當，當樁長不長時，推薦采用挖孔樁基礎。

6結論

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勢，從山區高速公路施工、運輸、養護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到令人期待的效果。

參考文獻

［1］中華人民共和國交通運輸部．公路路線設計規范:JTGD20—2017［S］．北京:人民交通出版社股份有限公司，2018．

［2］中華人民共和國交通運輸部．公路橋涵設計通用規范:JTGD60—2015［S］．北京:人民交通出版社股份有限公司，2015．

［3］中華人民共和國交通運輸部．公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范:JTGD3362—2018［S］．北京:人民交通出版社股份有限公司，2018．

作者:柴加兵 單位:遼寧省交通規劃設計院有限責任公司