支线上跨梁桥合理结构形式研究

梅 容， 汪 莲

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230000)

合宁高速公路陇西至周庄改扩建工程为原合宁高速公路的一部分，原合宁高速公路为双向4车道，改扩建为8车道的过程中，沿线的34座支线上跨桥面临改造。本文通过研究T形梁、小箱梁、钢板组合梁3种方案的特点，寻求高速公路支线上跨这种条件下的最合适结构形式。

1 比选方案及主要参数

高速公路主线是双向8车道，路基宽42m，立面采用2×30m的两跨连续梁结构形式，支线多为双向2车道二级公路，支线上跨桥桥宽为12m。结合现阶段我国30m跨径常用装配式梁桥形式，拟在T形梁、小箱梁、钢板组合梁3种结构方案中展开研究。3种结构形式横断面分布示意图如图1所示。

图1 3种结构形式断面图

T形梁高2m,断面含5片T梁，中梁预制宽度1.7m，边梁预制宽1.9m，马蹄底宽0.5m，每跨5道隔梁。小箱梁高1.6m，肋间距2.9m,中梁预制宽度2.4m，边梁预制宽度3.05m,每跨3道横隔梁。钢板组合梁下部为工字型钢梁高1.1m,下翼缘宽度1m，上翼缘宽度0.8m，腹板与翼缘板变宽，每跨设置3道横梁，桥面板为现浇。

2 方案比较

2.1 截面特性

结构的截面特性中的几个主要指标：截面积、抗弯惯性矩、横弯惯性矩、抗扭惯性矩。截面积和吊装质量能直接影响到预制安装的运输、起吊过程，截面积越大，吊装的稳定性会下降。抗弯惯性矩与截面抗弯系数是梁桥最主要的截面参数，反应了主梁承受弯矩的能力。横弯惯性矩反应了结构承受横向弯矩的能力，横弯惯性矩过小，则在梁体搬运、安装时对梁的状态要求更高，以方式横向应力导致的破坏。考虑到各主梁间是通过湿接缝、横梁或现浇桥面板连接，横向刚度有限，故不能用整个截面计算特征值，3种形式的每片梁截面特征值如表1所列。

表1 3种截面中梁特征值

由表1可见T梁抗弯能力最强，钢板组合梁起吊重量最小，箱梁抗扭惯性矩最大，安装成桥的稳定性最好。从施工角度来说，钢板组合梁优势最大；T梁的吊装稳定性最差。

2.2 外观美学分析

在桥梁美学中，桥梁与环境的融合程度占很大比重[2]，作为高速公路的上跨桥，外观主要是相对主线而言，主线上行车人的第一直观感受决定着美学优劣。3种桥型中，T梁梁高2m、箱梁梁高1.6m、钢板组合梁梁高1.4m,在空间上T梁会显得笨重、压抑，钢板组合梁则更轻盈、柔美。混凝土桥会因颜色的单一，而让人感到乏味，增加了行车疲劳感，钢板组合梁桥中，下部型钢部分有1.1m高，占立面上的大部分空间，因为是型钢可以按环境要求有色涂装，与环境能更好的融合。

在主梁数量上，T梁有5道主梁，小箱梁有4道主梁，钢板组合梁有3道主梁；在横梁数量上，每跨T梁有5道横隔梁，小箱梁有3道横隔梁，钢板组合梁有3道横梁，而且中横梁尺寸比端横梁小得多。经过上跨桥下部时，T梁会因为横梁、纵梁数目众多而让人觉得杂乱，钢板组合梁着简约明了的多。相比混凝土桥的下部受力局限性，钢板组合梁可以将外边两道主梁横桥方向设计为悬挑，支座通过加劲肋设置在横梁上，进一步减小中墩尺寸，增加空间上的通透感。

2.3 刚度

桥梁刚度在一定程度上反应了结构的抗变形能力，刚度过小，意味着在活载情况下，桥梁的变形范围很大，会增大动荷载因素，同时也对桥梁的耐久、桥面的铺装和行车的舒适程度造成不利影响。表2是各桥型在移动荷载下(桥面为双向两车道)的跨中下挠值。

表2 各形式桥梁移动荷载下的跨中下挠值

由表2可知，T梁桥跨中下挠范围最小，钢板组合梁下挠范围最大，反应出，T梁桥整体刚度最大，钢板组合梁刚度最小。

2.4 支反力与承载力

对比3种桥梁在10年徐变的施工状态下的竖向反力值，将边支座与中支座各反力进行合并，如表3所列。

表3 各形式桥梁反力值 kN

由表3可知，T梁边支座反力约为钢板组合梁2倍；小箱梁支座反力为钢板组合梁1.5倍，中支座中反力相差不大，T梁最小，钢板组合梁最大；从反力分布看出，钢板组合梁的竖向受力中中墩的所占比例最大，T梁最小，所以在设计相应墩台时，钢板组合梁中墩的强度要求高于桥台。对比竖向总反力，T梁显得冗重，而钢板组合梁轻质的特点得到显现。

利用Midas civil有限元模型，计算出3种桥型在均布外荷载下的恒载工况构件关键部位应力。对于T梁桥与小箱梁桥，以混凝土下翼缘出现受拉区(出现拉应力)或混凝土收压区达到强度设计值(23.1Mpa)作为极限状态；对于钢板组合梁，因为是无预应力构件，以钢梁拉应力达到强度设计值或桥面板混凝土达到抗压强度设计值(310Mpa)作为衡量标准。发现单幅桥T梁承载力约为980t,小箱梁约为480t，钢板组合梁为500t。

因此3种结构形式中T梁承载力最高、钢板组合梁与小箱梁差不多，3种桥梁均能通过承载力验算，T梁承载力富余度最大。

图2 3种桥型承载力图

2.5 经济性

桥梁生命周期包括施工期、服役期和老化期3个阶段。桥梁的全寿命周期成本即是在其生命周期内产生的一切费用的总和。基于桥梁的全寿命周期成本，桥梁工程费用可分为3部分：建设期成本、营运期成本和拆除成本。显然，全寿命周期成本越低，能取得最好的经济效益。本文通过对建设期材料成本、营运期成本和拆除回收成本与收益3方面进行分析，以判断出个桥型的经济性特点。

(1)建设期成本。通过汇总道路桥涵标准图集中2×30m的连续梁桥中的工程数量表，考虑上下部结构的造价，3种桥型的造价如表4所列，由表4可知T梁造价最高，钢板组合梁虽然在上部结构上造价更大名单下部结构造价低不少，综合来看，钢板组合梁具有较好的建设成本。

表4 不同桥型造价表

(2)运营期成本。对于支线上跨桥这种小跨径桥梁，后期的维护所占费用比例是很小的，T梁桥和小箱梁桥主要是铺装层的修补、栏杆的维护、排水管道的更换、支座的更换。钢板组合梁除有这些方面之外，因为钢主梁是直接暴露在外，防腐措施要求更高，会有涂装的额外维护费用。

(3) 拆除回收成本与收益。目前国内桥梁的拆除有2种方式:桥梁拆毁与桥梁拆解，拆解的成本相对拆毁会高一些，但用拆解的方式能回收其中的有效材料，从而带来收益，减小成本。桥梁的拆除回收中主要回收的材料是钢材，桥面板与结构层中的钢筋可以通过特定拆除工具完成回收，但因为钢筋所在位置的不可见，部分钢筋锈蚀，钢筋的回收效率并不高，调查表明，钢筋的回收率约为50%；相较之下，钢板组合梁的钢主梁由于与混凝土分离，且有涂装层的防腐措施，型钢的回收率可以达到90% 。混凝土则没有回收的意义，其价格比较低，而且回收成本过大，往往会变成建筑垃圾，因此钢板组合梁相对另外两种桥梁具有更好的环境亲和力，更符合绿色发展的时代背景。

3 结束语

综合上述成本结论，新型的钢板组合梁形式相比传统形式，具有轻盈美观的特点，承载能力合格，装配化更高，同时桥面板现浇导致整体性更好。在考虑全生命周期后，钢板组合梁综合经济性良好，对环境得污染小，因此这种桥型很适合用于支线上跨桥的改造工程。

[参 考 文 献]

[1] 陶露露，石利群.浅谈高速公路支线上跨景观设计方法[J].现代交通技术,2010，(10)：26-30.

[2]周兴顺，张松.支线上跨桥系列设计新理念[J].公路交通科技,2006，(10)：141-145.

[3] 项贻强，周畅. 基于桥梁全寿命的养护费用预测分析[C].第四届华东公路发展研讨会论文集,2009.

[4] 李雪梅.中小跨径梁桥经济比较[D].长安大学，2010