鋼蓋梁在市政高架橋梁中的應(yīng)用分析

周文駿

［同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引言

隨著城市進(jìn)程的推進(jìn)，城市橋梁的建設(shè)已不可能如已往一般粗放式進(jìn)行，必然需要在新時(shí)代與時(shí)俱進(jìn)。為實(shí)現(xiàn)城市橋梁工業(yè)化、快速化建造，裝配式橋梁施工方法正如火如荼地向前發(fā)展。上部結(jié)構(gòu)預(yù)制在市政橋梁中已有多種結(jié)構(gòu)形式及多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有多套成熟的實(shí)現(xiàn)方案；下部結(jié)構(gòu)由于其受力特點(diǎn)，一般多采用混凝土結(jié)構(gòu)，雖不像上部結(jié)構(gòu)一樣影響全線，但不能忽視其施工期間對(duì)城市面貌的影響，下部結(jié)構(gòu)快速化施工仍是整個(gè)城市橋梁快速化建設(shè)閉環(huán)中不可或缺的一環(huán)。為此，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了預(yù)制混凝土下部結(jié)構(gòu)的理論研究和多個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)踐[1-3]，對(duì)于加快工程進(jìn)度、減少施工期間交通影響、環(huán)境保護(hù)等有重大意義（見(jiàn)圖1）。

圖1 下部結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配式施工之實(shí)景

雖然近年來(lái)預(yù)制混凝土下部結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，但仍多有不足之處：

（1）城市高架一般為雙向六車(chē)道、雙向八車(chē)道，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)其蓋梁重量一般達(dá)200～300 t，由此帶來(lái)：運(yùn)輸困難，對(duì)沿線橋梁及地下管線等考驗(yàn)巨大；吊裝重量大，對(duì)吊裝設(shè)備要求高，施工單位成本顯著增加等難題。

（2）下部結(jié)構(gòu)預(yù)制對(duì)構(gòu)件加工精度要求高，一般需新建專門(mén)的預(yù)制廠，且需定制特殊加工的模板、胎架等，一次性投入成本高。

（3）灌漿質(zhì)量無(wú)法檢驗(yàn)，預(yù)制立柱或蓋梁為工廠化構(gòu)件，承臺(tái)一般為現(xiàn)澆，質(zhì)量均可以保證，而承臺(tái)與立柱、立柱與蓋梁的連接卻成為整個(gè)體系的阿喀琉斯之踵，不但質(zhì)量無(wú)法保證，且無(wú)法檢驗(yàn)其施工質(zhì)量，補(bǔ)救更是無(wú)從談起。

當(dāng)然，對(duì)預(yù)制混凝土下部構(gòu)件的改進(jìn)仍在進(jìn)行，如:某工程主線標(biāo)準(zhǔn)段上部結(jié)構(gòu)采用30 m連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)蓋梁尺寸為23.934 m（長(zhǎng)）×2.6 m（寬）×3.5 m（高），總重量達(dá)到370 t，采用橫向三節(jié)拼裝模式。其中，中間段長(zhǎng)9.752 m，重約173 t，兩端懸挑段長(zhǎng)7.091 m，重約98.5 t，為目前我國(guó)最大膠接法拼裝節(jié)段蓋梁。通過(guò)以上措施，雖然實(shí)現(xiàn)了多車(chē)道蓋梁的預(yù)制，但吊裝重量仍達(dá)173 t，且增加了蓋梁的現(xiàn)場(chǎng)接頭，雖實(shí)現(xiàn)了下部結(jié)構(gòu)的預(yù)制施工，但單價(jià)巨大，難以大規(guī)模復(fù)制到類似工程。

有鑒于此，考慮在下部結(jié)構(gòu)中采用鋼蓋梁，以解決常規(guī)下部結(jié)構(gòu)預(yù)制施工出現(xiàn)的難題。現(xiàn)通過(guò)對(duì)鋼蓋梁的參數(shù)化研究并與常規(guī)混凝土蓋梁進(jìn)行對(duì)比，分析鋼蓋梁的特點(diǎn)及適用條件，以供后續(xù)工程設(shè)計(jì)參考。

1 工程背景

杭州市某新建高架標(biāo)準(zhǔn)斷面為雙向六車(chē)道，橋?qū)?5 m，下部結(jié)構(gòu)采用大懸臂雙柱墩蓋梁。考慮到其距離現(xiàn)狀鐵路較近、橋墩施工影響現(xiàn)狀地面道路交通等因素，其上部結(jié)構(gòu)采用鋼-混凝土組合梁，標(biāo)準(zhǔn)跨徑40 m，采用鋼槽形梁、現(xiàn)澆橋面板。

為進(jìn)一步減少橋梁施工對(duì)周邊鐵路、現(xiàn)狀道路等周邊環(huán)境的影響，下部結(jié)構(gòu)考慮采用預(yù)制裝配式施工?？紤]到雙向六車(chē)道采用常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁預(yù)制裝配式施工帶來(lái)的不便，擬通過(guò)采用鋼蓋梁解決前文中提到的種種問(wèn)題。

圖2為高架橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖。

圖2 高架橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：m）

2 鋼蓋梁參數(shù)化研究

以背景工程中標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的下部結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，進(jìn)行蓋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)不同蓋梁外輪廓尺寸、不同強(qiáng)度等級(jí)鋼材的蓋梁進(jìn)行比較分析，繪制蓋梁的用鋼量、剛度與各參數(shù)間的關(guān)系曲線，尋求在常用的技術(shù)條件下蓋梁的合理斷面設(shè)計(jì)，以供類似工程參考。

鋼蓋梁為大懸臂雙柱墩布置，立柱間距為4.9 m，挑臂9.15 m，蓋梁端部高度1.5 m、根部高度以參數(shù)形式在研究范圍內(nèi)變化。鋼蓋梁采用薄壁鋼箱結(jié)構(gòu)，截面形式為單箱單室，鋼蓋梁布置見(jiàn)圖3、圖4所示。

圖3 蓋梁立面布置圖（單位：cm）

圖4 蓋梁斷面布置圖

蓋梁尺寸參考目前常見(jiàn)混凝土蓋梁主要尺寸，并結(jié)合鋼蓋梁受力確定。蓋梁主要外輪廓尺寸取值范圍如下：蓋梁高度h取2.0～3.2 m，蓋梁寬度b取1.8～3.0 m；蓋梁材料考慮采用Q345、Q370、Q420、Q460。

蓋梁的截面設(shè)計(jì)以滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）[4]中的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求為準(zhǔn)，同時(shí)兼顧其加工性能，按實(shí)際承受的各種荷載設(shè)計(jì)出合理的蓋梁截面。參數(shù)化設(shè)計(jì)蓋梁的重量、剛度與蓋梁尺寸的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5～圖8所示。

圖5 蓋梁重量、剛度與蓋梁尺寸關(guān)系圖（Q345）

圖8 蓋梁重量、剛度與蓋梁尺寸關(guān)系圖（Q460）

根據(jù)參數(shù)化分析結(jié)果，鋼蓋梁的合理截面與蓋梁尺寸、采用材料具有如下關(guān)系：（1）蓋梁用鋼量隨著梁高增大而減小，隨蓋梁寬度增大而略有增加，隨采用材料的強(qiáng)度的提高而降低；（2）蓋梁剛度隨著梁高增大而增大，與蓋梁寬度無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，隨采用材料的強(qiáng)度的提高而降低。

結(jié)合目前工程設(shè)計(jì)中常用的蓋梁結(jié)構(gòu)尺寸、常用鋼材牌號(hào)等，對(duì)Q345～Q460的鋼蓋梁推薦以下蓋梁合理截面（詳見(jiàn)表1），供類似工程設(shè)計(jì)參考。

表1 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)鋼蓋梁推薦截面匯總表

鋼蓋梁重量較常規(guī)混凝土蓋梁顯著減小，尺寸也略小于混凝土蓋梁，鋼板厚度適宜加工性能良好，剛度滿足使用要求，其特性完美契合橋梁下部結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配施工，在將來(lái)的城市高架橋建設(shè)中將具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 蓋梁重量、剛度與蓋梁尺寸關(guān)系圖（Q370）

圖7 蓋梁重量、剛度與蓋梁尺寸關(guān)系圖（Q420）

3 鋼蓋梁綜合效益分析

相比預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，鋼蓋梁的采用必然導(dǎo)致橋梁總體造價(jià)的增加?，F(xiàn)以背景工程為例，對(duì)比蓋梁分別采用預(yù)應(yīng)力混凝土及鋼材（Q420）時(shí)的整體造價(jià)，以對(duì)鋼蓋梁綜合效益有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁尺寸根據(jù)類似工程類比及結(jié)構(gòu)計(jì)算確定，蓋梁構(gòu)造及鋼束配置見(jiàn)圖9所示。

圖9 預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁鋼束布置圖（單位：cm）

單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)橋墩分別采用預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁、鋼蓋梁（Q420）時(shí)下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)工程數(shù)量見(jiàn)表2所列。

表2 單個(gè)橋墩主要工程數(shù)量匯總表

該段高架橋梁長(zhǎng)約2 km，全線共計(jì)50個(gè)橋墩，采用預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁及鋼蓋梁方案時(shí)造價(jià)對(duì)比如表3所列。

表3 橋梁總體造價(jià)對(duì)比表

由以上對(duì)比分析可知橋梁造價(jià)主要集中于上部結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)蓋梁在整體造價(jià)中所占比例不大，因此采用鋼蓋梁方案橋梁整體造價(jià)增加幅度有限——僅約1.6%，但其帶來(lái)的其他正向社會(huì)效應(yīng)顯著，在城市發(fā)展日趨集中及發(fā)達(dá)、橋梁預(yù)制拼裝施工要求日益強(qiáng)烈的當(dāng)下，鋼蓋梁將具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

4 預(yù)應(yīng)力鋼蓋梁、鋼-混凝土組合蓋梁對(duì)比分析

鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)相對(duì)常規(guī)混凝土蓋梁較高，考慮在蓋梁中施加預(yù)應(yīng)力或采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)改善結(jié)構(gòu)受力，降低蓋梁用鋼量以降低造價(jià)。

4.1 預(yù)應(yīng)力鋼蓋梁分析

根據(jù)前文對(duì)鋼蓋梁的參數(shù)化分析，蓋梁受力受強(qiáng)度控制，考慮在蓋梁頂部施加一定數(shù)量預(yù)應(yīng)力，以改善蓋梁受力、降低鋼板應(yīng)力，從而達(dá)到減小鋼板厚度、降低蓋梁用鋼量目的?，F(xiàn)選擇采用Q420標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)鋼蓋梁進(jìn)行對(duì)比分析，預(yù)應(yīng)力采用強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa的鋼絞線。預(yù)應(yīng)力鋼蓋梁構(gòu)造如圖10所示。

圖10 預(yù)應(yīng)力鋼蓋梁鋼束布置圖（單位：mm）

施加不同數(shù)量預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)，蓋梁參數(shù)化分析結(jié)果見(jiàn)表4所列。

表4 預(yù)應(yīng)力鋼蓋梁截面設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表

張拉預(yù)應(yīng)力鋼束后，鋼蓋梁用鋼量及剛度變化與張拉預(yù)應(yīng)力鋼束的關(guān)系曲線如圖11所示。

圖11 蓋梁重量、剛度與鋼束數(shù)量關(guān)系圖

張拉預(yù)應(yīng)力鋼束后可有效地改善蓋梁受力，減小頂板厚度，鋼蓋梁總重量可有一定程度減小，每采用1 t預(yù)應(yīng)力鋼絞線可減少鋼蓋梁重量約3.6 t。但考慮到預(yù)應(yīng)力鋼筋的綜合單價(jià)相對(duì)鋼結(jié)構(gòu)較高（一般為鋼材的2倍左右），蓋梁造價(jià)降低有限，同時(shí)增加了一道施工工序，加大了施工難度、延長(zhǎng)了施工周期，且蓋梁剛度有一定程度降低，其綜合效益不佳，在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的鋼蓋梁設(shè)計(jì)中不推薦采用。

4.2 鋼-混凝土組合蓋梁分析

標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)蓋梁為大懸臂雙柱墩結(jié)構(gòu)，主要承受負(fù)彎矩，在蓋梁下緣設(shè)置一定厚度的混凝土底板形成鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減小鋼板厚度、降低蓋梁用鋼量目的?，F(xiàn)選擇采用Q420標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)蓋梁進(jìn)行對(duì)比分析，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。鋼-混凝土組合蓋梁構(gòu)造如圖12所示。

圖12 鋼-混凝土組合蓋梁截面示意圖

鋼-混凝土組合蓋梁分析結(jié)果見(jiàn)表5所列。采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)可顯著減小鋼結(jié)構(gòu)底板厚度，減少蓋梁鋼材數(shù)量，但隨著混凝土材料的使用，蓋梁重量顯著增大，以研究的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)蓋梁為例，蓋梁總重由69.6 t增加至101.7 t，會(huì)給施工運(yùn)輸及蓋梁架設(shè)帶來(lái)一定的困難，但蓋梁的重量仍在常規(guī)施工機(jī)械的能力范疇內(nèi)，蓋梁的總體造價(jià)相比鋼蓋梁會(huì)有所降低，且蓋梁剛度有一定程度增大。工程應(yīng)用時(shí)，可結(jié)合實(shí)際工程的特點(diǎn)經(jīng)對(duì)比分析后選擇采用鋼蓋梁或鋼-混凝土組合蓋梁。

表5 鋼-混凝土組合蓋梁設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比表

5 結(jié) 論

（1）橋梁下部結(jié)構(gòu)的預(yù)制施工的優(yōu)點(diǎn)已在多個(gè)工程項(xiàng)目得到實(shí)踐驗(yàn)證，但對(duì)于雙向六車(chē)道、雙向八車(chē)道橋梁其蓋梁重量一般均超過(guò)200 t，運(yùn)輸、吊裝及現(xiàn)場(chǎng)安裝均有一定的困難，給下部結(jié)構(gòu)預(yù)制施工的推廣應(yīng)用帶來(lái)了一定的障礙。在此背景下，采用鋼蓋梁可有效減輕蓋梁重量，解決預(yù)制混凝土蓋梁的種種問(wèn)題，為下部結(jié)構(gòu)的預(yù)制施工開(kāi)辟一條嶄新的道路。

（2）鋼蓋梁會(huì)引起橋梁造價(jià)增加，但橋梁下部結(jié)構(gòu)的蓋梁在整體造價(jià)中所占比例不大，橋梁整體造價(jià)增加幅度有限。以背景工程為例，采用鋼蓋梁導(dǎo)致橋梁整體造價(jià)增加約1.6%。但其將帶來(lái)橋梁整體施工工期縮短、大幅度減少橋梁施工時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的污染、減少對(duì)現(xiàn)狀道路交通的影響等正面社會(huì)效應(yīng)，在城市發(fā)展日趨集中及發(fā)達(dá)、橋梁預(yù)制拼裝施工要求日益強(qiáng)烈的當(dāng)下，鋼蓋梁將具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）在鋼蓋梁中施加預(yù)應(yīng)力可減小頂板厚度，減輕蓋梁重量及造價(jià)。但考慮到預(yù)應(yīng)力鋼筋的綜合單價(jià)相對(duì)鋼結(jié)構(gòu)較高（一般為鋼材的2倍左右），蓋梁造價(jià)降低有限，同時(shí)增加了預(yù)應(yīng)力張拉施工工序，加大了施工難度、延長(zhǎng)了施工周期，蓋梁剛度也有所降低，其綜合效益不佳，在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的鋼蓋梁設(shè)計(jì)中不推薦采用。

（4）采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)可顯著減小鋼結(jié)構(gòu)底板厚度，減少蓋梁鋼材數(shù)量。但隨著混凝土材料的使用，蓋梁重量顯著增大，以研究的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)蓋梁為例，蓋梁總重由69.6 t增加至101.7 t，會(huì)給施工運(yùn)輸及蓋梁架設(shè)帶來(lái)一定的困難。另方面，蓋梁的重量仍在常規(guī)施工機(jī)械的能力范疇內(nèi)，蓋梁的總體造價(jià)相比鋼蓋梁會(huì)有所降低，且蓋梁剛度有一定程度增大。工程應(yīng)用時(shí)，可結(jié)合實(shí)際工程的特點(diǎn)經(jīng)對(duì)比分析后選擇采用鋼蓋梁或鋼-混凝土組合蓋梁。