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摘要:以本桓宽高速公路宽甸支线大中桥梁方案设计为例，对型钢组合梁在山区高速公路大中桥梁中的应用进行深入研究。阐述了桥梁设计的原则、设计标准，将型钢组合梁与空心板、小箱梁、矮T梁、T梁进行全寿命周期比选。型钢组合梁具有耐久性好、预制方便、易于标准化生产和施工、便于运输、吊装、综合造价较优等特点，适用于山区高速公路大中桥方案设计。
关键词:山区高速公路;大中桥梁方案设计;空心板桥;型钢组合梁桥中
山区高速公路路线走向复杂，投资巨大，山区高速公路的大中桥梁合理设计方案是高速公路建设的重中之重。笔者以本桓宽高速公路宽甸支线大中桥梁方案设计研究为基础，对型钢组合梁在山区高速公路大中桥梁中应用进行深入研究，希望能为以后山区高速公路大中桥桥梁方案选择提供参考。
1工程概况
本溪至宽甸高速公路(以下简称本宽支线)是辽宁省高速公路网的重要组成部分，是本溪至集安高速公路(G9111)与鹤岗至大连高速公路(G11)两条国高网项目的纵向连接线。本溪至宽甸高速公路起于本溪市桓仁县八里甸子镇，经丹东市宽甸县双山子镇、灌水镇，终于宽甸县大川头镇，接鹤大高速公路，本宽支线起点桩号K0+000，终点桩号K46+127．311，路线全长46.127km。全线拟按双向四车道高速公路全封闭、全立交标准修建，设计速度采用100km/h，整体式路基宽度26m。宽甸支线共设置大桥10座，全长2225m;中桥10座，全长746m;主线上跨分离式立交6座，全长1519．5m。桥梁全长为4490．5m，全线大中桥梁占比为9．74%。
2桥梁设计原则
针对本项目所处位置的地形、地质、工程特点，桥涵方案的选择基本遵循以下原则:(1)以人为本。一般不降低原有河道、沟渠功能，尽量不破坏原有水系和排灌网络，桥梁跨度不压缩河床洪水宣泄断面，不改变现有河流特性;尽量根据工程实际地形设置高速公路的横向穿越或跨越结构物，以满足沿线工业、农业生产生活的需要。(2)桥位选择一般服从路线走向，结合桥位处水文、地形、地物、地质等条件合理布设;部分桥孔兼跨地方道路;大桥应注意桥路配合，当桥梁位于平曲线上时，可做曲线桥或折线桥;桥上纵坡一般应服从路线设计需要［1］。(3)桥型结构以“技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理、造型美观、有利环保”为原则，因地制宜，就地取材，便于施工和养护［2］。(4)一般大中桥桥型结构以中小跨径为主，力求标准化、装配化，以方便施工、缩短工期、降低工程投资［3］。(5)桥台形式根据不同的地形、地质条件，合理选择重力台、承台分离式桥台以及肋板式桥台等桥台形式。台后填土高度一般控制在5～12m的范围内。(6)本路段沿线地形复杂，山高坡陡，布设于陡坡上的桥墩，须结合桥高及横断面情况合理选择适宜的下部结构形式。(7)分离式跨线桥在满足当地中长期发展路网规划需要的前提下，尽量留足富余空间，以方便当地交通部门改扩建现有道路，同时根据当地民族特色民族习惯优化选择桥梁结构形式，实现人、车、路完美和谐。根据本项目的特点，在桥型方案选择中，遵循特殊大桥特殊设计，一般特大、大、中桥采用常规设计的原则，尽量采用通用图设计方案，在立体交叉处尽量采用现浇结构，以方便施工和使设计更合理;采用预制上部结构的，同一座桥中尽量采用同一种跨径，不宜采用不同跨径，方便预制场地布置，节约预制设备投入;下部尽量减少墩径的种类，降低施工单位模板工程投入。
3桥梁设计标准
大中桥梁采用如下设计标准:(1)汽车荷载:公路－I级。(2)结构设计安全等级:一级。(3)地震动峰值加速度:0．05g。(4)桥梁抗震设防类别:C类。(5)设计洪水频率:大、中桥1/100。(6)大中桥桥宽:0．50m防撞护栏+净11．25m行车道+1．50m中分带+净11．25m行车道+0.50m防撞护栏=25．0m。(7)河流通航等级:本项目的河流无通航要求。
4上部结构方案设计比选
4．1方案设计比选原则
(1)对于跨越既有高速公路及主要交通干道桥梁，进行混凝土结构与钢结构比选，考虑到对桥下运营道路的影响，优先选用钢结构桥梁作为推荐方案。(2)对于主线常规跨径桥梁，采用预制混凝土结构与钢结构进行充分比选，从建安费、施工难易程度、养护费用等方面综合考虑，确定推荐方案。(3)对钢结构桥梁方案比选时考虑桥梁全寿命周期影响，包括混凝土桥梁后期养护、钢结构桥梁采用耐候钢减少桥梁后期养护费用、钢结构桥梁寿命结束后钢材回收等影响。
4．2方案设计比选
(1)跨越既有高速公路桥梁及主要交通干道桥梁的对比考虑钢混结构的施工工期较短、对桥下交通的影响较小、施工安全性好等因素，为减小施工过程对交通的干扰和环境的不利影响，减小交通封堵带来的经济损失，跨越现状高速公路及主要国省干道采用钢结构桥梁。最终采用钢混组合梁结构作为推荐方案，现浇预混凝土结构作为比较方案。(2)主线常规跨径桥梁的对比16m、20m跨径桥梁常用结构形式为空心板，空心板具有结构形式简单、建筑高度低、用材经济等优点，成为以前国内公路桥梁20m以下跨径桥梁的首选桥型。但受施工、自然侵蚀及运营环境等因素的影响，建成后的空心板梁桥，随着服役时间的延长，逐渐出现材料劣化、裂缝、铰缝损伤等病害，尤其铰缝是易损部位，在东北地区冬季常使用除冰盐，从而大大加剧铰缝的破坏进程，因此降低了空心板梁桥铰缝结构耐用性，这些病害的不断累积和发展，严重降低桥梁的承载性能并危及行车安全。为了降低公路桥梁病害数量，改善公路运行条件，许多省份已经开始用预制矮T梁等结构取代空心板梁，为此我们提出了采用热轧型钢组合梁代替传统空心板梁结构的方案。(3)热轧型钢组合梁的优势型钢组合梁与钢板组合梁类似，依然是由混凝土桥面板和工字钢板梁叠合形成组合截面，但钢梁部分用热轧型钢代替焊接工字钢。与预制矮T梁、小箱梁相比，热轧型钢组合梁具有组合梁自身的明显优势，重量轻、安装方便、便于工厂化施工、同时避免了混凝土梁腹板、预应力锚下裂缝等质量通病;与焊接钢板组合梁相比，型钢组合梁顶底板与腹板之间无需焊接，并且由于腹板高厚比较小，无需设置横向加劲肋，钢板加工、焊接工作量大幅减少。由于热轧型钢是在工厂直接轧制成型，与焊接工字钢相比较，不存在焊接残余应力影响区，交叉区域金属晶粒细小、质地均匀，因此热轧型钢整体受力状态更好。(4)经济比选经调查，热轧H型钢出厂价格与结构用中厚板价格相当，因此型钢组合梁与成品钢材价格相比具有较大优势。由于型钢轧制工艺限制，型钢高度最大尺寸约为1．0m，为此型钢组合梁比较适于在20m及以下跨径的桥梁结构中应用。选取20m跨径桥梁进行全寿命周期比选，如表1所示。(5)比选结论从全寿命周期成本来看，20m装配式空心板桥的建造成本最低，全寿命周期成本也最低，空心板梁桥在辽宁高速公路中广泛使用，但是根据近20年使用情况来看，空心板桥梁存在较多病害问题，铰缝容易破坏，导致单板受力情况较为突出，另外空心板桥梁耐久性较差，部分位置混凝土容易剥落，钢筋裸露、钢筋锈蚀严重等病害，虽然空心板经济性较好，但是不适宜继续推荐使用空心板梁桥;装配式小箱梁桥的全寿命周期成本次之。型钢组合梁全寿命周期成本比T梁高10．6%。型钢组合梁在建设前期费用较高，但是从全寿命周期来比较，型钢组合梁具有较大的优势。从全寿命周期成本的角度来考虑，组合梁和混凝土梁的经济性差距并不像单纯考虑建设成本那样巨大。从行业发展趋势及国家推广钢结构相关政策来看，采用钢结构更符合国家政策及行业发展方向。另外从环境保护，山区施工难易程度、山区预制梁运输难易程度等综合比较来看，钢结构有着混凝土结构无法比拟的优势。综合考虑热轧型钢组合梁具有耐久性好、预制方便、易于标准化生产和施工、便于运输、吊装、综合造价较优等特点，对中短桥梁将16m、20m热轧型钢组合梁做为推荐方案。
5下部结构方案设计
本项目墩高普遍较矮，大、中桥梁桥墩主要采用圆柱式桥墩、钻孔灌注桩基础形式。圆柱式墩是最实用、最经济的桥墩型式，具有外形整洁美观、与地形适应性强、施工工艺简单、滑模施工便捷、与桩基础衔接好的优点。同一桥梁的墩身形式保持一致以缓解施工压力，降低施工成本。墩系梁设置原则:柱式排架墩宜设置桩顶系梁;未设置盖梁，且高度大于7m的排架桩墩应设置墩顶系梁。墩高在10～20m时，宜至少设置一道柱间系梁;墩高在20～30m时，宜至少设置两道柱间系梁;墩高在30m以上时，宜适当增加柱间系梁的设置数量。系梁位置根据桥位断面尽量布置在同一高度，以利全桥美观。对于桥台的类型，则密切结合地形地势，主要有肋板台、重力台、一字台、柱式台。实际选择过程中控制桥台的填土高度，以消除工程质量隐患。如采用柱式台应注意，其抗推能力较差，在水平力作用下位移较大，在桥台填土高度较大(H≥5m)或台前边坡较陡的情况下尽量避免采用;对于长联、大纵坡桥，为减少长期荷载作用累积变位，也应避免采用柱式台。桥台基础一般可采用扩大基础、桩基础。采用桩基础时，为避免大面积开挖，尽量少开挖原始地面，保护生态环境，应注意承台顶面标高要适当，当桩长不长时，推荐采用挖孔桩基础。
6结论
过去几十年，空心板桥梁在高速公路大中桥中占有较大比例，但是随着使用情况的反馈，空心板桥梁在使用中出现了大量的病害，有些甚至影响到了桥梁的承载力及耐久性，极大地威胁着高速公路行车安全。从全寿命周期成本来看，型钢组合梁具有空心板、T梁、矮T梁及小箱梁桥无法比拟的优势，从山区高速公路施工、运输、养护及景观融入性等几方面来看，在高速公路大中桥梁中推广型钢组合梁也将达到令人期待的效果。
参考文献
［1］中华人民共和国交通运输部．公路路线设计规范:JTGD20—2017［S］．北京:人民交通出版社股份有限公司，2018．
［2］中华人民共和国交通运输部．公路桥涵设计通用规范:JTGD60—2015［S］．北京:人民交通出版社股份有限公司，2015．
［3］中华人民共和国交通运输部．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:JTGD3362—2018［S］．北京:人民交通出版社股份有限公司，2018．
作者:柴加兵 单位:辽宁省交通规划设计院有限责任公司