基于工业化建造的支线上跨桥梁选型分析

许大晴， 林 露

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司；公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

对于高速公路跨线桥建设的相关评价研究，国外开展了有效的工作。作为高速公路重要组成部分的支线上跨，发达国家把支线上跨设计作为高速公路综合最优化设计的重要组成部分，对其达到交通功能、生态环境保护、公众利益保障的综合最优有具体的规定和相关设计指南。

国内对支线上跨的研究仍处于起步阶段，相关的研究成果还比较少。在高速公路上跨与下穿设计方案比选以及分离式立交设计方面已有大量研究[1]，但单独针对支线上跨位置、方案的选择等以及已建支线上跨的适用性方面的研究还很少涉及，有待进一步研究发展。胡克伟[2]在高速公路分离式立交设计中，通过对高速公路的感性认识结合自己的设计经验，阐述了分离式立交设计的观点，重点叙述了对上跨主线的分离式立交的设计构思，介绍了分离式立交的类型选择、桥位布设、结构方案优化以及跨线桥的美学设计等。 张劲文[3]在开阳高速公路上跨天桥优化设计技术经济分析中，从高速公路上跨天桥美学效应入手，分析了适用于高速公路上跨天桥的合理桥型，通过对开阳高速公路全线17座上跨天桥优化设计的技术经济比较以及成功实施，说明了高速公路上跨天桥通过优化设计达到造型优美、安全可靠、造价合理的原则是完全可行的。

经过多年的桥梁工业的发展，跨线桥的桥型种类选择多样，根据不同需求选择不同的结构形式，主要有钢板组合梁、拱桥、小斜拉桥以及钢管桁架梁等[4-7]。国内外对景观要求均有尝试，但是结合造价及结构性能，效果都不是很理想。结构形式传统，较难从根本上解决问题。同时，工业化在支线上跨桥上的应用并未能有效推广。支线上跨桥的建造不同于普通桥梁的建造，跨越公路或高速公路施工对桥下道路交通影响大，工业化建造能大大减少对交通的影响，但目前国内支线上跨桥的工业化建造在降低对交通的影响这一块效果不好。综上所述，对基于工业化建造的支线上跨桥选型的研究，尚有待进一步研究。

1 支线上跨桥工业化建造的要求

1.1 施工便利性要求

桥梁道路纵横交错，上跨桥的需求日益提高。由于支线上跨桥是跨越公路或高速公路，对于高速公路而言，一般架设上跨桥时不会封闭高速道路。上跨桥施工对交通的影响必须控制到最小化，这不同于一般桥梁的施工要求。因为上跨桥施工必须将其对交通的影响控制到最小化，也就意味着对施工速度的要求必须提高。缩短工期能够有效降低对交通的影响，同时响应了当代桥梁建造快速化施工的要求，也能节约成本。

1.2 美学景观功能要求

桥梁美学的客观性是指桥梁美学是客观存在的，其客观基础具体指其结构形态、材料、技术和功能要求等。跨线桥是高速路联络主线两侧空间的桥梁，和高速公路的关系极为紧密。高速公路如同流动的音乐，跨线桥则是密密麻麻的音符。因此，如何把支线上跨桥的物质功能和精神功能统一起来，使多样的“彩虹”不仅方便高速公路两侧的交通，而且能美化道路景观环境，带给我们精神的愉悦和文化的享受。但有一段时间，桥梁景观设计上出现一种“伪桥型”和片面追求结构怪异的现象。这种违背桥梁基本原则的设计方法是桥梁景观设计上的一种误区。在这种形势下，对支线上跨桥适用性设计演进的脉络进行一次系统的梳理，就显得尤为必要了。

1.3 经济性要求

随着对可持续发展、低碳经济和全寿命设计理念的重视，桥梁设计中遵循的“安全、适应、经济、美观、耐久、环保”六项原则已成为大家的共识。然而，随着中国经济的发展和国家投入的增加，经济性原则在中国桥梁界似乎越来越被忽视。有些工程技术人员认为跨度的突破就是“创新”，并为此付出成倍的代价，甚至造成严重的比例失调。但是对于支线上跨桥梁而言，由于沿线数量巨大，如果不考虑其经济性，则可能导致建造成本大幅提升。因此在支线上跨桥选型中必须将造价保持在一个合理的范围内。

2 基于工业化建造的支线上跨桥梁选型方法

2.1 上跨桥选型原则

对于初步拟定的桥型方案，采用控制性原则进行遴选。对于满足控制性原则的桥型，继续采用关键参数进行筛选；对于不满足控制性原则的方案，进行调整，经调整后满足要求，继续采用关键参数进行筛选；经调整后仍不能满足控制性原则的要求，则排除该桥型方案。

对于桥型自身特点影响的控制性原则为半强制性原则。对于各桥型的合理跨径，本文采用经验值与目前国内、国际的跨径纪录相结合的方式给出。对于合理墩跨比(矢跨比)，以经验值给出。

对于各桥型的合理跨径，一般要求初步拟定桥型方案的跨径不得超出合理跨径范围，对于特殊情况，超出合理跨径范围的桥型方案，应设立专门的研究进行专题研究。对于各桥型的合理墩跨比(矢跨比)，一般要求不得超出合理范围上限，对于超出合理范围上限的需要进行专题研究。

2.2 上跨桥选型比较方法

假设法初拟方案。根据桥梁建设条件、桥位处初步确定的平面及立面参数，假设在该桥位修建A桥型，根据A桥型自身的关键参数，初步拟定大致符合该桥位条件的桥型方案。对多种能够大致满足该桥建设条件及平面立面参数的桥型，分别采用假设法初拟桥型方案。采用假设法初拟桥型方案，首先需要明确桥梁建设条件及建桥的平面、立面参数。以平面、立面参数指导，假设桥型，进行方案拟定，具体技术流程如图1所示。

图1 假设法拟定初选方案技术流程

筛选法是对初拟的多个桥型方案采用控制性条件、关键参数以及控制性原则进行筛选，从而最终确定比选方案的方法。采用假设法与筛选法相组合的方法提出桥型比选方案的技术流程，可按如图2所示进行。对于假设初拟的桥型方案，首先采用控制性原则进行筛选，若不满足控制性原则，通过调整，在满足控制性条件筛选及假设初拟方案的基本要求的前提下，能够满足控制性原则的要求，则继续进行关键参数筛选。若无法对其进行调整或调整后仍不能满足控制性原则的要求，则筛除该方案。

图2 假设法与筛选法组合比选流程

3 适宜工业化建造上跨桥典型形式

3.1 异型跨线拱桥

异形拱桥造型独特，因此一些在普通拱桥设计中不需要考虑的特殊设计参数，对于特定的异形拱桥来说却十分重要，比如外倾式拱桥的拱肋外倾角度、斜跨拱桥的矢跨比等。确定异形拱桥特殊设计参数取用的科学方法是十分紧迫的问题。比如，异形拱桥的矢跨比的选取就与普通拱桥有所不同。矢跨比将影响拱桥主拱圈与系梁的内力和拱桥施工方法的选择，同时还对拱桥的外形能否与周围的景物相协调也有很大关系。拱的荷载水平推力与垂直反力之比，随矢跨比的减小而增大。从结构考虑，刚性系梁刚性拱矢跨比一般为1/4～1/2。从美观方面计，异形拱桥的矢跨比最好在l/3～1/6。如合肥机场高速的支线上跨异型拱桥，如图3所示。

图3 上跨合肥机场高速拱桥

3.2 全拼装式低高度桁架梁桥

芜湖二桥引桥及接线桥梁跨线桥梁采用了全拼装式低高度桁架梁桥。桁架梁下弦杆及横梁均采用钢结构，桥面系采用正交异性桥面板，上设10 cm混凝土铺装+10 cm沥青混凝土，如图4所示。所有组件均可在工厂加工好之后现场拼装连接，进一步缩短施工周期。采用钢管桁架梁跨线桥提高了施工速度，体现了工厂化制造、装配化施工。

图4 低高度钢管桁架梁跨线桥

低高度桁架梁在跨线桥上的应用，在景观及功能方面的优势不够明显，行车压抑感强，景观效果较差。并且用钢量大导致造价偏高。由于连接部件较多，施工工期相对钢板组合梁更长，但相对于钢混组合桁架梁则施工时间较短，对主线影响较小。

3.3 钢板组合梁桥

合宁高速扩建，需要增设或改建上跨桥，合宁高速非常繁忙，改扩建要求保持4车道通行，应尽量减少上跨桥现场施工时间，以减少对行车的干扰，增加施工安全，图5所示。施工顺序是首先施工主梁，接着架设钢桥面板，现浇混凝土，最后施工护栏及桥面部分。采用钢板组合梁方案的优点是施工速度快周期短、减少施工对行车干扰；结构自稳，自架设，自防护，尽快能减少辅助施工措施。

支线上跨钢板组合梁桥在造价方面优势明显，在目前国内工业化建造中标准化程度最高。因为上跨桥施工必须将其对交通的影响控制到最小化，也就意味着对施工速度的要求必须提高。缩短工期能够有效降低对交通的影响，同时响应了当代桥梁建造快速化施工的要求，也能节约成本。而钢板组合梁桥的节段拼装速度快，正符合支线上跨桥的设计及施工要求。

4 结束语

由于支线上跨桥是跨越公路或高速公路的桥梁，其建造要求具有一定的特殊性。基于工业化建造支线上跨桥梁概念设计与选型应综合考虑所选桥型的适用功能性、美学景观功能性、经济性、标准化程度和施工速度以及对主线交通的影响等几个因素。

本文通过对工业化支线上跨桥建造的调研，提出几种潜在可供选择的桥型，分别是异形拱桥、索辅式拱桥、低高度钢管桁架梁和钢板组合梁桥。其中异形拱桥和索辅式拱桥能较好发挥梁索受力优势，造型多变美观，对景观环境适应性强。低高度钢管桁架梁，架设方便快捷，也是支线上跨桥较好的桥型选择。钢板梁工业化制造标准，造价低，节段拼装施工快速化，受力性能良好，同样是支线上跨桥的优选方案。