基于工業(yè)化建造的支線上跨橋梁選型分析

許大晴， 林 露

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司；公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

對于高速公路跨線橋建設(shè)的相關(guān)評價研究，國外開展了有效的工作。作為高速公路重要組成部分的支線上跨，發(fā)達國家把支線上跨設(shè)計作為高速公路綜合最優(yōu)化設(shè)計的重要組成部分，對其達到交通功能、生態(tài)環(huán)境保護、公眾利益保障的綜合最優(yōu)有具體的規(guī)定和相關(guān)設(shè)計指南。

國內(nèi)對支線上跨的研究仍處于起步階段，相關(guān)的研究成果還比較少。在高速公路上跨與下穿設(shè)計方案比選以及分離式立交設(shè)計方面已有大量研究[1]，但單獨針對支線上跨位置、方案的選擇等以及已建支線上跨的適用性方面的研究還很少涉及，有待進一步研究發(fā)展。胡克偉[2]在高速公路分離式立交設(shè)計中，通過對高速公路的感性認(rèn)識結(jié)合自己的設(shè)計經(jīng)驗，闡述了分離式立交設(shè)計的觀點，重點敘述了對上跨主線的分離式立交的設(shè)計構(gòu)思，介紹了分離式立交的類型選擇、橋位布設(shè)、結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化以及跨線橋的美學(xué)設(shè)計等。 張勁文[3]在開陽高速公路上跨天橋優(yōu)化設(shè)計技術(shù)經(jīng)濟分析中，從高速公路上跨天橋美學(xué)效應(yīng)入手，分析了適用于高速公路上跨天橋的合理橋型，通過對開陽高速公路全線17座上跨天橋優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟比較以及成功實施，說明了高速公路上跨天橋通過優(yōu)化設(shè)計達到造型優(yōu)美、安全可靠、造價合理的原則是完全可行的。

經(jīng)過多年的橋梁工業(yè)的發(fā)展，跨線橋的橋型種類選擇多樣，根據(jù)不同需求選擇不同的結(jié)構(gòu)形式，主要有鋼板組合梁、拱橋、小斜拉橋以及鋼管桁架梁等[4-7]。國內(nèi)外對景觀要求均有嘗試，但是結(jié)合造價及結(jié)構(gòu)性能，效果都不是很理想。結(jié)構(gòu)形式傳統(tǒng)，較難從根本上解決問題。同時，工業(yè)化在支線上跨橋上的應(yīng)用并未能有效推廣。支線上跨橋的建造不同于普通橋梁的建造，跨越公路或高速公路施工對橋下道路交通影響大，工業(yè)化建造能大大減少對交通的影響，但目前國內(nèi)支線上跨橋的工業(yè)化建造在降低對交通的影響這一塊效果不好。綜上所述，對基于工業(yè)化建造的支線上跨橋選型的研究，尚有待進一步研究。

1 支線上跨橋工業(yè)化建造的要求

1.1 施工便利性要求

橋梁道路縱橫交錯，上跨橋的需求日益提高。由于支線上跨橋是跨越公路或高速公路，對于高速公路而言，一般架設(shè)上跨橋時不會封閉高速道路。上跨橋施工對交通的影響必須控制到最小化，這不同于一般橋梁的施工要求。因為上跨橋施工必須將其對交通的影響控制到最小化，也就意味著對施工速度的要求必須提高。縮短工期能夠有效降低對交通的影響，同時響應(yīng)了當(dāng)代橋梁建造快速化施工的要求，也能節(jié)約成本。

1.2 美學(xué)景觀功能要求

橋梁美學(xué)的客觀性是指橋梁美學(xué)是客觀存在的，其客觀基礎(chǔ)具體指其結(jié)構(gòu)形態(tài)、材料、技術(shù)和功能要求等?？缇€橋是高速路聯(lián)絡(luò)主線兩側(cè)空間的橋梁，和高速公路的關(guān)系極為緊密。高速公路如同流動的音樂，跨線橋則是密密麻麻的音符。因此，如何把支線上跨橋的物質(zhì)功能和精神功能統(tǒng)一起來，使多樣的“彩虹”不僅方便高速公路兩側(cè)的交通，而且能美化道路景觀環(huán)境，帶給我們精神的愉悅和文化的享受。但有一段時間，橋梁景觀設(shè)計上出現(xiàn)一種“偽橋型”和片面追求結(jié)構(gòu)怪異的現(xiàn)象。這種違背橋梁基本原則的設(shè)計方法是橋梁景觀設(shè)計上的一種誤區(qū)。在這種形勢下，對支線上跨橋適用性設(shè)計演進的脈絡(luò)進行一次系統(tǒng)的梳理，就顯得尤為必要了。

1.3 經(jīng)濟性要求

隨著對可持續(xù)發(fā)展、低碳經(jīng)濟和全壽命設(shè)計理念的重視，橋梁設(shè)計中遵循的“安全、適應(yīng)、經(jīng)濟、美觀、耐久、環(huán)?！绷椩瓌t已成為大家的共識。然而，隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展和國家投入的增加，經(jīng)濟性原則在中國橋梁界似乎越來越被忽視。有些工程技術(shù)人員認(rèn)為跨度的突破就是“創(chuàng)新”，并為此付出成倍的代價，甚至造成嚴(yán)重的比例失調(diào)。但是對于支線上跨橋梁而言，由于沿線數(shù)量巨大，如果不考慮其經(jīng)濟性，則可能導(dǎo)致建造成本大幅提升。因此在支線上跨橋選型中必須將造價保持在一個合理的范圍內(nèi)。

2 基于工業(yè)化建造的支線上跨橋梁選型方法

2.1 上跨橋選型原則

對于初步擬定的橋型方案，采用控制性原則進行遴選。對于滿足控制性原則的橋型，繼續(xù)采用關(guān)鍵參數(shù)進行篩選；對于不滿足控制性原則的方案，進行調(diào)整，經(jīng)調(diào)整后滿足要求，繼續(xù)采用關(guān)鍵參數(shù)進行篩選；經(jīng)調(diào)整后仍不能滿足控制性原則的要求，則排除該橋型方案。

對于橋型自身特點影響的控制性原則為半強制性原則。對于各橋型的合理跨徑，本文采用經(jīng)驗值與目前國內(nèi)、國際的跨徑紀(jì)錄相結(jié)合的方式給出。對于合理墩跨比(矢跨比)，以經(jīng)驗值給出。

對于各橋型的合理跨徑，一般要求初步擬定橋型方案的跨徑不得超出合理跨徑范圍，對于特殊情況，超出合理跨徑范圍的橋型方案，應(yīng)設(shè)立專門的研究進行專題研究。對于各橋型的合理墩跨比(矢跨比)，一般要求不得超出合理范圍上限，對于超出合理范圍上限的需要進行專題研究。

2.2 上跨橋選型比較方法

假設(shè)法初擬方案。根據(jù)橋梁建設(shè)條件、橋位處初步確定的平面及立面參數(shù)，假設(shè)在該橋位修建A橋型，根據(jù)A橋型自身的關(guān)鍵參數(shù)，初步擬定大致符合該橋位條件的橋型方案。對多種能夠大致滿足該橋建設(shè)條件及平面立面參數(shù)的橋型，分別采用假設(shè)法初擬橋型方案。采用假設(shè)法初擬橋型方案，首先需要明確橋梁建設(shè)條件及建橋的平面、立面參數(shù)。以平面、立面參數(shù)指導(dǎo)，假設(shè)橋型，進行方案擬定，具體技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 假設(shè)法擬定初選方案技術(shù)流程

篩選法是對初擬的多個橋型方案采用控制性條件、關(guān)鍵參數(shù)以及控制性原則進行篩選，從而最終確定比選方案的方法。采用假設(shè)法與篩選法相組合的方法提出橋型比選方案的技術(shù)流程，可按如圖2所示進行。對于假設(shè)初擬的橋型方案，首先采用控制性原則進行篩選，若不滿足控制性原則，通過調(diào)整，在滿足控制性條件篩選及假設(shè)初擬方案的基本要求的前提下，能夠滿足控制性原則的要求，則繼續(xù)進行關(guān)鍵參數(shù)篩選。若無法對其進行調(diào)整或調(diào)整后仍不能滿足控制性原則的要求，則篩除該方案。

圖2 假設(shè)法與篩選法組合比選流程

3 適宜工業(yè)化建造上跨橋典型形式

3.1 異型跨線拱橋

異形拱橋造型獨特，因此一些在普通拱橋設(shè)計中不需要考慮的特殊設(shè)計參數(shù)，對于特定的異形拱橋來說卻十分重要，比如外傾式拱橋的拱肋外傾角度、斜跨拱橋的矢跨比等。確定異形拱橋特殊設(shè)計參數(shù)取用的科學(xué)方法是十分緊迫的問題。比如，異形拱橋的矢跨比的選取就與普通拱橋有所不同。矢跨比將影響拱橋主拱圈與系梁的內(nèi)力和拱橋施工方法的選擇，同時還對拱橋的外形能否與周圍的景物相協(xié)調(diào)也有很大關(guān)系。拱的荷載水平推力與垂直反力之比，隨矢跨比的減小而增大。從結(jié)構(gòu)考慮，剛性系梁剛性拱矢跨比一般為1/4～1/2。從美觀方面計，異形拱橋的矢跨比最好在l/3～1/6。如合肥機場高速的支線上跨異型拱橋，如圖3所示。

圖3 上跨合肥機場高速拱橋

3.2 全拼裝式低高度桁架梁橋

蕪湖二橋引橋及接線橋梁跨線橋梁采用了全拼裝式低高度桁架梁橋。桁架梁下弦桿及橫梁均采用鋼結(jié)構(gòu)，橋面系采用正交異性橋面板，上設(shè)10 cm混凝土鋪裝+10 cm瀝青混凝土，如圖4所示。所有組件均可在工廠加工好之后現(xiàn)場拼裝連接，進一步縮短施工周期。采用鋼管桁架梁跨線橋提高了施工速度，體現(xiàn)了工廠化制造、裝配化施工。

圖4 低高度鋼管桁架梁跨線橋

低高度桁架梁在跨線橋上的應(yīng)用，在景觀及功能方面的優(yōu)勢不夠明顯，行車壓抑感強，景觀效果較差。并且用鋼量大導(dǎo)致造價偏高。由于連接部件較多，施工工期相對鋼板組合梁更長，但相對于鋼混組合桁架梁則施工時間較短，對主線影響較小。

3.3 鋼板組合梁橋

合寧高速擴建，需要增設(shè)或改建上跨橋，合寧高速非常繁忙，改擴建要求保持4車道通行，應(yīng)盡量減少上跨橋現(xiàn)場施工時間，以減少對行車的干擾，增加施工安全，圖5所示。施工順序是首先施工主梁，接著架設(shè)鋼橋面板，現(xiàn)澆混凝土，最后施工護欄及橋面部分。采用鋼板組合梁方案的優(yōu)點是施工速度快周期短、減少施工對行車干擾；結(jié)構(gòu)自穩(wěn)，自架設(shè)，自防護，盡快能減少輔助施工措施。

支線上跨鋼板組合梁橋在造價方面優(yōu)勢明顯，在目前國內(nèi)工業(yè)化建造中標(biāo)準(zhǔn)化程度最高。因為上跨橋施工必須將其對交通的影響控制到最小化，也就意味著對施工速度的要求必須提高?？s短工期能夠有效降低對交通的影響，同時響應(yīng)了當(dāng)代橋梁建造快速化施工的要求，也能節(jié)約成本。而鋼板組合梁橋的節(jié)段拼裝速度快，正符合支線上跨橋的設(shè)計及施工要求。

4 結(jié)束語

由于支線上跨橋是跨越公路或高速公路的橋梁，其建造要求具有一定的特殊性。基于工業(yè)化建造支線上跨橋梁概念設(shè)計與選型應(yīng)綜合考慮所選橋型的適用功能性、美學(xué)景觀功能性、經(jīng)濟性、標(biāo)準(zhǔn)化程度和施工速度以及對主線交通的影響等幾個因素。

本文通過對工業(yè)化支線上跨橋建造的調(diào)研，提出幾種潛在可供選擇的橋型，分別是異形拱橋、索輔式拱橋、低高度鋼管桁架梁和鋼板組合梁橋。其中異形拱橋和索輔式拱橋能較好發(fā)揮梁索受力優(yōu)勢，造型多變美觀，對景觀環(huán)境適應(yīng)性強。低高度鋼管桁架梁，架設(shè)方便快捷，也是支線上跨橋較好的橋型選擇。鋼板梁工業(yè)化制造標(biāo)準(zhǔn)，造價低，節(jié)段拼裝施工快速化，受力性能良好，同樣是支線上跨橋的優(yōu)選方案。