內(nèi)河航道鋼結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用現(xiàn)狀和建議

李志峰　金國(guó)強(qiáng)　趙眈崴　楊揚(yáng)　劉舟

摘 要：對(duì)浙江省航道橋梁、國(guó)內(nèi)外鋼橋使用現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，通過(guò)與各種常規(guī)橋型安全性、耐久性、全壽命周期經(jīng)濟(jì)性的比較，總結(jié)出鋼橋在跨航橋梁使用過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)和存在問(wèn)題，并對(duì)鋼橋橋型的選擇、耐候鋼的應(yīng)用、鋼橋的養(yǎng)護(hù)等提出了建議。

關(guān)鍵詞：航道橋梁；鋼橋；橋型；耐久性；全壽命周期；經(jīng)濟(jì)性；耐候鋼；養(yǎng)護(hù)

中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）7-0054-03

1航道橋梁建設(shè)現(xiàn)狀

根據(jù)對(duì)我省擬建集裝箱運(yùn)輸主通道12條主干航道507座橋梁的調(diào)查分類統(tǒng)計(jì)顯示：

（1）杭甬運(yùn)河、京杭運(yùn)河、杭平申線橋梁數(shù)量居多，數(shù)量分別占比29.8、16.2、16.6%；

（2）橋梁等級(jí)多樣化；

（3）通航等級(jí)應(yīng)各條航道建成年代不一，種類較多，其中，對(duì)于在建橋梁均按設(shè)計(jì)改建后的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；

（4）主橋橋型以混凝土結(jié)構(gòu)為主，占比96.4%；鋼結(jié)構(gòu)橋梁共18座，占比僅3.6%。

2國(guó)內(nèi)外鋼橋使用現(xiàn)狀

2.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

我國(guó)鋼橋發(fā)展已有100多年歷史，但建設(shè)的鋼橋相對(duì)較少。截至2015年，共有公路橋梁75.71萬(wàn)座、4257.89萬(wàn)米，鋼結(jié)構(gòu)和鋼—混組合結(jié)構(gòu)橋梁分別只有584、1293座，數(shù)量占比僅為0.08%、0.17%，鋼材消耗占比僅為1.17%和1.55%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于鋼筋混凝土橋梁。另外，建成的公路鋼橋基本都是特大跨徑橋梁（斜拉橋、懸索橋等），量大面廣的常規(guī)中、小跨徑鋼（組合）結(jié)構(gòu)橋梁數(shù)量嚴(yán)重偏少。

2.2國(guó)外現(xiàn)狀

在發(fā)達(dá)國(guó)家，鋼橋應(yīng)用較為普遍。美國(guó)60萬(wàn)座橋梁中，鋼橋的座數(shù)和面積占比分別為34.7%、43.3%；日本13萬(wàn)座橋梁中，鋼橋占41%；法國(guó)占比達(dá)85%。美國(guó)鋼橋中使用率較高的橋型有縱梁/多主梁、桁梁、縱橫梁格體系；在橋梁規(guī)模較大時(shí)，多采用鋼連續(xù)—縱梁/多主梁體系，規(guī)模較小時(shí)，一般選擇鋼簡(jiǎn)支縱梁/多主梁體系。但鋼橋在“結(jié)構(gòu)缺陷”橋梁中占比較高，需經(jīng)常進(jìn)行檢測(cè)和相應(yīng)的維護(hù)、養(yǎng)護(hù)工作。

3跨航鋼橋設(shè)計(jì)選型及經(jīng)濟(jì)性比較

3.1主要推廣橋型

3.1.1鋼桁梁

該橋型桁段均在工廠制作后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼接，施工進(jìn)度快，結(jié)構(gòu)高度低，自重較輕，施工拼接處理簡(jiǎn)便，非常適用于頂推施工，能很好地滿足施工期通航要求，適用于主橋50～120m跨徑。

但是由于桿件多且雜，通透性較差，有一定的壓抑感，抗撞性能較差，后期須進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)養(yǎng)護(hù)。

3.1.2鋼系桿拱

該橋型優(yōu)點(diǎn)同鋼桁梁，外形同混凝土系桿拱，視線通透，外觀輕巧、優(yōu)美，拱肋為二次拋物線，線型美觀，易于與周邊景觀協(xié)調(diào)搭配，通透性優(yōu)于鋼桁梁。除鋼結(jié)構(gòu)定期養(yǎng)護(hù)外，吊桿存在一定的使用年限，須定期更換。

3.1.3鋼箱梁

該橋型具有很大的抗扭剛度，整體穩(wěn)定性、抗撞性能好，可采用現(xiàn)場(chǎng)整體吊裝或頂推施工，施工周期短，橋梁結(jié)構(gòu)在橋面下方，接觸雨水可能性小，適用于中等跨徑。

正交異性鋼橋面板易出現(xiàn)疲勞損傷，橋面鋪裝耐久性成為難點(diǎn)。高跨比為1/20～30，與前面兩種橋型相比結(jié)構(gòu)高度不具備優(yōu)勢(shì)。

3.1.4鋼板組合梁

該橋型具有結(jié)構(gòu)輕、架設(shè)快、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境簡(jiǎn)單，對(duì)周圍環(huán)境影響小等特點(diǎn)，通常采用吊裝鋼梁法和頂推鋼梁法施工。當(dāng)橋?qū)捿^小時(shí)，可采用雙主梁形式；橋?qū)捿^大時(shí)，采用多主梁形式。

跨越能力較小，通常只適用于30～60m中小跨徑。梁高在跨徑的1/20左右，結(jié)構(gòu)高度不占優(yōu)，可在部分引橋中使用。

3.1.5斜拉橋、懸索橋

這兩種橋型跨越能力大，但橋型造價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)性差，拉索得定期更換，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高，主要適用于有較大跨越要求或者特殊景觀要求的橋梁，不作為我省內(nèi)河航道常用鋼結(jié)構(gòu)推薦橋型。

3.2橋型經(jīng)濟(jì)性比選

選取跨徑80米，寬10米鋼桁梁、鋼系桿拱、預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁、砼系桿拱進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比選，引橋均采用20m矮T梁，見(jiàn)表1（以2017年10月嘉興市價(jià)格為標(biāo)準(zhǔn)，螺紋鋼3500元/噸，砂石160元/m3）。主引橋工程費(fèi)用（不包括養(yǎng)護(hù)費(fèi)用、臨時(shí)費(fèi)用等其他費(fèi)用，下同）：砼系桿拱（2793萬(wàn)元）<鋼系桿拱（2934萬(wàn)元）<鋼桁梁（3132萬(wàn)元）<砼連續(xù)梁（3304萬(wàn)元）。以100年設(shè)計(jì)使用年限計(jì)，考慮養(yǎng)護(hù)費(fèi)用后，鋼桁梁和鋼系桿拱的工程費(fèi)用分別為4032、4534萬(wàn)元，比最低的砼連續(xù)梁（3404萬(wàn)元）高出628、1130萬(wàn)元，比砼系桿拱（3593萬(wàn)元）要高439、941萬(wàn)元。

對(duì)主要材料（鋼材、砂石）的單價(jià)敏感性進(jìn)行分析：①將螺紋鋼按2500、3000、3500、4000、4500元/噸計(jì)價(jià)，其余鋼材做相應(yīng)調(diào)整。②將砂石按160、210、260元/m3計(jì)價(jià)。

圖1數(shù)據(jù)顯示，螺紋鋼在2500～4500元/噸范圍內(nèi)變化，主引橋工程費(fèi)用始終為：砼系桿拱<鋼系桿拱<鋼桁梁<砼連續(xù)梁。隨著鋼材單價(jià)下降，鋼系桿拱、鋼桁梁與砼系桿拱總造價(jià)差距逐步減少。鋼桁梁和鋼系桿拱對(duì)鋼材單價(jià)變化的敏感性強(qiáng)，單價(jià)每增加500元/噸，主橋造價(jià)平均增加0.875萬(wàn)元/m2，而砼連續(xù)梁和砼系桿拱僅為0.625、0.563萬(wàn)元/m2。

圖2數(shù)據(jù)顯示，砂石在160～260元/m3范圍內(nèi)變化，主引橋工程費(fèi)用始終為：砼系桿拱<鋼系桿拱<鋼桁梁<砼連續(xù)梁。隨著砂石單價(jià)上漲，砼連續(xù)梁和砼系桿拱上漲明顯，鋼系桿拱、鋼桁梁與砼系桿拱總造價(jià)差距逐步減少。鋼桁梁和鋼系桿拱對(duì)砂石單價(jià)變化的敏感性較低，單價(jià)每增加50元/m3，主橋造價(jià)平均增加0.25萬(wàn)元/m2，而砼連續(xù)梁為0.75萬(wàn)元/m2。

4鋼橋的特點(diǎn)及應(yīng)用建議

4.1鋼橋使用優(yōu)點(diǎn)

4.1.1降低結(jié)構(gòu)高度，方便接線

鋼結(jié)構(gòu)跨航橋梁結(jié)構(gòu)高度低，可以在保證橋下通航凈空的同時(shí)有效降低橋面高程，縮短兩側(cè)引橋及接線長(zhǎng)度，降低總體造價(jià)，適用于接線長(zhǎng)度受限的橋梁。以省交通設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的杭平申線桐鄉(xiāng)段山門街大橋?yàn)槔涸O(shè)計(jì)方案主橋采用82m下承式鋼筋混凝土系桿拱，結(jié)構(gòu)高度1.5m，改用鋼結(jié)構(gòu)系桿拱后，結(jié)構(gòu)高度降為0.77m，原橋面設(shè)計(jì)高程下降了0.73m，大大縮短了引橋及接線長(zhǎng)度，降低了總造價(jià)。

4.1.2采用工廠化生產(chǎn)，提高質(zhì)量

鋼結(jié)構(gòu)橋梁采用工廠化生產(chǎn)，鋼構(gòu)件可在工廠集中批量生產(chǎn)，通過(guò)原材料→下料、加工→構(gòu)件組焊→修整→試拼裝→涂裝等步驟，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量大幅提高，質(zhì)量易控制，可靠性高。

4.1.3縮短施工工期

鋼結(jié)構(gòu)橋梁各構(gòu)件在工廠制造，下部結(jié)構(gòu)可同時(shí)施工，極大的縮短施工工期。

4.1.4方便通航施工

鋼結(jié)構(gòu)橋梁各構(gòu)件、節(jié)段在工廠制作后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，可在少支架上進(jìn)行整體拼接；或者在引橋上逐段拼接后設(shè)置臨時(shí)墩、導(dǎo)梁和頂推滑道，進(jìn)行頂推施工；場(chǎng)地條件允許的情況下也可以進(jìn)行整體吊裝。施工方便快速，對(duì)交通和通航的影響小。

4.2主要存在問(wèn)題

鋼結(jié)構(gòu)橋梁推廣應(yīng)用中面臨以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）結(jié)構(gòu)上，存在鋼材腐蝕、結(jié)構(gòu)損傷、疲勞破壞等一系列病害，穩(wěn)定性和防撞、防火性能較差；

（2）標(biāo)準(zhǔn)上，長(zhǎng)期以來(lái)設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)等各環(huán)節(jié)是圍繞混凝土結(jié)構(gòu)為主而制訂的，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)所特有的設(shè)備配置、構(gòu)件加工、運(yùn)輸安裝、施工、養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)等環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)研究少、儲(chǔ)備不足；

（3）管理上，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)從業(yè)單位的資質(zhì)、專業(yè)分包和信用評(píng)價(jià)等內(nèi)容較少，鋼結(jié)構(gòu)橋梁后期養(yǎng)護(hù)的單位較少。

4.3建議

4.3.1鋼橋選型

針對(duì)航道建設(shè)和養(yǎng)護(hù)管理的特點(diǎn)，對(duì)于有結(jié)構(gòu)高度和接坡限制的橋梁，可優(yōu)先選用鋼桁梁、鋼系桿拱等橋型；對(duì)于具有明確管養(yǎng)單位和良好養(yǎng)護(hù)條件的城市道路、等級(jí)公路可采用鋼橋；對(duì)于車流量很大的高速公路和管養(yǎng)力量薄弱的農(nóng)村公路，考慮到養(yǎng)護(hù)原因，謹(jǐn)慎選用鋼橋。

4.3.2應(yīng)用耐候鋼

與普通鋼材相比，耐候鋼在使用過(guò)程中可以省掉對(duì)環(huán)境造成污染的酸洗、鍍鋅、涂裝等工序，減少環(huán)境危害，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)；后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中免涂裝維護(hù)，從全壽命周期來(lái)看具有較好的經(jīng)濟(jì)效果。

國(guó)外已將耐候鋼當(dāng)作一種普通橋梁用鋼來(lái)廣泛使用。美國(guó)和日本耐候鋼橋梁在鋼橋中比例已分別達(dá)到40%和50%。我國(guó)耐候鋼橋數(shù)量還很少，有巨大的發(fā)展前景。在交通運(yùn)輸部大力推進(jìn)鋼橋，鼓勵(lì)應(yīng)用高性能鋼的背景下，耐候鋼發(fā)展正逢其時(shí)，建議進(jìn)行耐候鋼的推廣和研究。

4.3.3鋼橋養(yǎng)護(hù)

促進(jìn)防腐新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用，減少銹蝕；后續(xù)運(yùn)營(yíng)期建立鋼橋檢測(cè)評(píng)估技術(shù)體系；注重鋼橋養(yǎng)護(hù)技術(shù)的研發(fā)和養(yǎng)護(hù)隊(duì)伍的培養(yǎng)，建立完善的鋼橋養(yǎng)護(hù)規(guī)范體系，針對(duì)具體的橋梁形成針對(duì)性強(qiáng)的養(yǎng)護(hù)手冊(cè)。

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