大跨宽幅波形腹板钢箱组合梁桥方案比选

李秋 林杰

摘 要：荆江大桥为武松高速上跨越长江干堤的大型桥梁，其主跨跨径为120 m，单幅宽度为20.5 m，为典型的大跨宽幅桥梁。从结构受力特点、设计施工难度、工程经济成本等多方面，对比预应力混凝土连续梁桥方案与波形腹板钢箱组合梁方案的优劣性，得出波形腹板钢箱组合梁方案具有一定的优势，此结构将常规混凝土箱梁腹板及底板替换为钢结构，形成钢底板+波形钢腹板+砼顶板的组合箱梁结构，主梁自重可减小约30%，从而使得桥墩及桩基的工程量有所减少，并从根本上解决了大跨宽幅桥梁腹板及底板后期开裂的问题。

关键词：大跨;宽幅;波形钢腹板;组合梁

中图分类号：U442.55 文献标识码：A

1 工程背景

武汉至松滋高速公路江陵至松滋段位于荆州市的南部，荆江大桥为武松高速上跨越长江堤防荆江大堤的一座大跨桥梁。桥址区属于冲洪积平原地貌，地形平坦开阔，区内冲积物钻孔揭露厚度较大，小麦、水稻、油菜等农作物发育。

路线平面与荆江大堤夹角约73.3度，桥梁位于整体式路基段，双向八车道。桥位区桥梁设计线标高为52.48～53.54 m，桥轴线地面高程为33.78～43.79 m，地面相对高差约10 m（主要由于荆江大堤填筑）。路线与荆江大堤堤顶高差约为9.5 m，与地面高差约为19 m，荆江大堤外脚线与内脚线的水平距离约为80 m。荆江大桥推荐方案主桥采用（65+120+65）m波形腹板钢箱组合梁，主梁单幅宽度为20.5 m。

2 桥跨及桥型布置

2.1 桥跨布置的影响因素及桥跨确定

荆江大桥为跨越长江干堤的大型桥梁，针对本桥大跨宽幅的特点，应结合工程地质情况研究相适应的桥梁方案。本桥跨径较大，但桥墩较矮，为避免整体升降温对桥墩造成过大的附加应力，本桥不建议采用墩梁固结体系。同时本桥位于长江干堤位置，桥跨布置及主墩尺寸需满足防洪要求。

经过分析，对于100～150 m跨径的桥梁来说，斜拉桥、悬索桥造价均较高，而拱桥不适用于本桥地形，连续梁桥为此桥位处经济合理的桥型方案。设计阶段在桥跨拟定时重点考虑如下几项因素：

（1）根据荆州长江河道管理局要求，跨越堤防的大桥桥墩要求远离堤防堤身及襟脚地，且最近距离堤脚不得少于5 m。此外，长江大堤堤顶至梁底最小净空不得小于5 m。

（2）荆江大堤外脚线与内脚线的水平距离约为80 m，路线平面与荆江大堤夹角约73.3度，考虑斜交后堤外脚线与内脚线水平距离约为95 m，桥梁孔跨宜适当加大。

（3）桥位处荆江大堤堤顶标高43.79 m，堤顶至梁底净空不得小于5 m。

（4）桥位处地形平坦开阔，桥梁跨越荆江大堤后的地形条件均适合落墩，因此从减小主桥规模、节省造价的角度出发，本桥跨径应取满足各项限制条件的最小跨径。

（5）桥梁布跨时应结合互通和接线桥布置情况综合考虑。

综合考虑以上条件，并结合互通和接线桥布置情况，荆江大桥主跨推荐采用（65+120+65）m跨径。

2.2 桥型方案研究

本桥主跨跨径为120 m，对于此跨径的桥梁来说，从经济型上考虑，斜拉桥、悬索桥造价均较高，而拱桥不适用于本桥地形，不宜作为拟建大桥的建设方案。梁式桥以其简洁的外形、明确的受力特点和造价低廉的优势在国内交通建设中被广泛采用。

本桥位于双向八车道整体式路基段，路基宽度42.0 m，单幅主梁宽度20.5 m，为单箱双室结构，主梁宽度较大，若全部采用混凝土主梁形式，则上部结构重量较大，施工稍显困难。同时由于梁体较重，箱梁节段划分不宜过大，也会造成悬浇节段过多施工工期偏长。本桥主墩最大墩高为11 m，桥墩高度较小，主梁在整座桥梁重量中占比较大，上部结构重量过大也将直接导致桥墩基础规模的增加，从而提高桥梁造价。同时，本桥为连续梁桥，每个主墩墩顶各设置两个支座，经计算，采用混凝土主梁后支座需5 000 t以上规格，支座后期检修及更换均很困难。此外，宽幅、大跨连续梁桥存在跨中过度下挠及腹板、底板开裂的风险。

波形钢腹板连续梁桥是预应力砼连续梁桥的一种衍生结构，其取消了混凝土箱梁的混凝土腹板，改为波形钢腹板代替，利用钢结构的材料性能，从根本上解决了大跨连续梁腹板开裂的问题，另外波形钢腹板也赋予了梁桥一定的景观效果。针对本桥桥梁宽度大的特点，主梁底板宽度较大，为了减小混凝土底板开裂风险，可同时将混凝土底板用钢底板代替，形成钢底板+波形钢腹板+砼顶板的组合箱梁结构，不仅可避免波形腹板与混凝土底板连接的麻烦，而且可以使主梁自重进一步减小至原来的70%左右，同时可以避免宽幅底板后期开裂的风险。此结构在天平高速秦安特大桥、贵州省两渡水湘江大桥均得到了较好的应用。由于主梁重量的减轻，施工时可采用更大的悬浇节段，减少大跨桥梁的施工节段，从而节省施工工期。

3 桥型方案比较

依据前文分析，本桥提出以下两种桥梁方案：

方案一：（65+120+65）m波形腹板钢箱组合梁

方案二：（65+120+65）m预应力砼连续梁

两个方案主跨布置和结构形式类似，最大的区别在于主梁形式，一般而言，钢混组合结构桥梁在造价上会高于混凝土桥梁，但由于钢结构主梁重量轻，桥墩和桩基的尺寸可以适当减小，也可节省部分工程造价。同时，钢混组合梁的施工方法与后期养护也与混凝土桥梁不同。

3.1 建设规模与经济比较

两个方案的建设规模非常接近，波形腹板钢箱组合梁（方案一）的全桥长和预应力砼连续梁（方案二）相同，方案一主梁采用钢结构替代混凝土腹板及底板，增加了钢材用量，但同时减轻了主梁重量，从而减小了下构基础规模。最终综合比较，波形腹板钢箱组合梁（方案一）工程造价11 480萬，预应力砼连续梁（方案二）工程造价11 091万，方案二经济型略好。

3.2 施工難度

方案一波形腹板预钢箱组合梁国内天平高速秦安特大桥、贵州省两渡水湘江大桥均得到了较好的应用。主墩采用翻模法施工。主梁采用悬臂法施工，先吊装钢底板及钢腹板，再现浇混凝土桥面板。钢结构重量轻，吊装重量小，施工方便快捷。

方案二变截面预应力砼连续梁桥国内应用广泛，施工风险较小。主墩采用翻模法施工，主梁采用悬臂浇施工，施工技术成熟。但本桥主梁较宽，混凝土箱梁节段重量大，施工略显困难。

工期：由于方案一主梁梁段轻，因此可以采用大节段施工，从而缩短施工工期。方案一工期约为20个月，方案二工期均为26个月，方案一工期较短。

因此，综合来说，两种方案施工风险均较小，方案一波形腹板预钢箱组合梁施工更方便，且施工工期较短。

3.3 景观效果

梁式桥由于桥面以上没有桥塔及缆索等结构，景观效果一般不易显现。波形钢腹板钢箱组合梁桥可以在满足桥梁功能性的同时，一定程度上提升大桥的景观效果。主梁结构轻盈灵动，也可通过对钢腹板涂装颜色提升桥梁的色彩对比度。相比而言，预应力混凝土梁桥色调较为单一，景观效果一般。

3.4 工程风险性

本桥桥宽为20.5 m，为大跨宽幅桥梁，采用组合结构，自重轻，施工方便，钢结构采用整体拼装吊装施工，减少了工期，降低了对交通的干扰，充分利用钢底板受拉、混凝土顶板受压以及波形腹板受剪，受力清晰明确。

采用混凝土结构，箱室宽度大，结构较重，施工周期长，对交通干扰大，另外宽幅、大跨连续梁桥存在腹板、底板开裂及下挠等一系列较为严重的风险。

综上所述，波形腹板钢箱组合梁采用钢结构替代钢结构替代混凝土腹板和底板厚，主梁重量减轻约30%，有利于减小支座规格和主墩基础工程量。此结构充分利用钢底板受拉、波形腹板受剪的性能，解决大跨、宽幅箱梁腹板、底板开裂及下挠等一系列问题。波形腹板钢箱组合梁采用挂篮悬臂拼装钢底板和波形腹板，现浇混凝土桥面板的施工方式，可大大节省施工工期。同时，波形钢腹板钢箱组合梁桥主梁轻盈灵动，景观效果好。虽采用钢结构后，工程造价比混凝土梁桥贵389万，但仍具有较好的经济性。因此，设计采用波形腹板钢箱组合梁作为荆江大桥的推荐方案。

4 结语

以武松高速荆江大桥未工程实例，对波形腹板钢箱组合梁和预应力砼连续梁进行了方案比选。波形腹板钢箱组合梁为钢底板+波形钢腹板+砼顶板的组合箱梁结构，与混凝土箱梁相比可大大减小主梁自重，减小支座规格和主墩基础工程量。同时可充分利用钢底板受拉、波形腹板受剪的性能，解决大跨、宽幅箱梁腹板、底板开裂及下挠等一系列问题，非常适用于大跨宽幅结构桥梁。

从设计和施工角度对比了波形钢腹板组合梁和预应力砼连续梁方案，可知波形腹板钢箱组合梁方案自重轻、下构规模小、景观效果好、技术风险小、施工工期短，且其工程造价与预应力砼连续梁方案相差不大，是大跨宽幅结构桥梁的重要桥型方案之一。

参考文献：

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