大跨寬幅波形腹板鋼箱組合梁橋方案比選

李秋 林杰

摘 要：荊江大橋為武松高速上跨越長江干堤的大型橋梁，其主跨跨徑為120 m，單幅寬度為20.5 m，為典型的大跨寬幅橋梁。從結(jié)構(gòu)受力特點、設(shè)計施工難度、工程經(jīng)濟成本等多方面，對比預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋方案與波形腹板鋼箱組合梁方案的優(yōu)劣性，得出波形腹板鋼箱組合梁方案具有一定的優(yōu)勢，此結(jié)構(gòu)將常規(guī)混凝土箱梁腹板及底板替換為鋼結(jié)構(gòu)，形成鋼底板+波形鋼腹板+砼頂板的組合箱梁結(jié)構(gòu)，主梁自重可減小約30%，從而使得橋墩及樁基的工程量有所減少，并從根本上解決了大跨寬幅橋梁腹板及底板后期開裂的問題。

關(guān)鍵詞：大跨;寬幅;波形鋼腹板;組合梁

中圖分類號：U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 工程背景

武漢至松滋高速公路江陵至松滋段位于荊州市的南部，荊江大橋為武松高速上跨越長江堤防荊江大堤的一座大跨橋梁。橋址區(qū)屬于沖洪積平原地貌，地形平坦開闊，區(qū)內(nèi)沖積物鉆孔揭露厚度較大，小麥、水稻、油菜等農(nóng)作物發(fā)育。

路線平面與荊江大堤夾角約73.3度，橋梁位于整體式路基段，雙向八車道。橋位區(qū)橋梁設(shè)計線標(biāo)高為52.48～53.54 m，橋軸線地面高程為33.78～43.79 m，地面相對高差約10 m（主要由于荊江大堤填筑）。路線與荊江大堤堤頂高差約為9.5 m，與地面高差約為19 m，荊江大堤外腳線與內(nèi)腳線的水平距離約為80 m。荊江大橋推薦方案主橋采用（65+120+65）m波形腹板鋼箱組合梁，主梁單幅寬度為20.5 m。

2 橋跨及橋型布置

2.1 橋跨布置的影響因素及橋跨確定

荊江大橋為跨越長江干堤的大型橋梁，針對本橋大跨寬幅的特點，應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)情況研究相適應(yīng)的橋梁方案。本橋跨徑較大，但橋墩較矮，為避免整體升降溫對橋墩造成過大的附加應(yīng)力，本橋不建議采用墩梁固結(jié)體系。同時本橋位于長江干堤位置，橋跨布置及主墩尺寸需滿足防洪要求。

經(jīng)過分析，對于100～150 m跨徑的橋梁來說，斜拉橋、懸索橋造價均較高，而拱橋不適用于本橋地形，連續(xù)梁橋為此橋位處經(jīng)濟合理的橋型方案。設(shè)計階段在橋跨擬定時重點考慮如下幾項因素：

（1）根據(jù)荊州長江河道管理局要求，跨越堤防的大橋橋墩要求遠(yuǎn)離堤防堤身及襟腳地，且最近距離堤腳不得少于5 m。此外，長江大堤堤頂至梁底最小凈空不得小于5 m。

（2）荊江大堤外腳線與內(nèi)腳線的水平距離約為80 m，路線平面與荊江大堤夾角約73.3度，考慮斜交后堤外腳線與內(nèi)腳線水平距離約為95 m，橋梁孔跨宜適當(dāng)加大。

（3）橋位處荊江大堤堤頂標(biāo)高43.79 m，堤頂至梁底凈空不得小于5 m。

（4）橋位處地形平坦開闊，橋梁跨越荊江大堤后的地形條件均適合落墩，因此從減小主橋規(guī)模、節(jié)省造價的角度出發(fā)，本橋跨徑應(yīng)取滿足各項限制條件的最小跨徑。

（5）橋梁布跨時應(yīng)結(jié)合互通和接線橋布置情況綜合考慮。

綜合考慮以上條件，并結(jié)合互通和接線橋布置情況，荊江大橋主跨推薦采用（65+120+65）m跨徑。

2.2 橋型方案研究

本橋主跨跨徑為120 m，對于此跨徑的橋梁來說，從經(jīng)濟型上考慮，斜拉橋、懸索橋造價均較高，而拱橋不適用于本橋地形，不宜作為擬建大橋的建設(shè)方案。梁式橋以其簡潔的外形、明確的受力特點和造價低廉的優(yōu)勢在國內(nèi)交通建設(shè)中被廣泛采用。

本橋位于雙向八車道整體式路基段，路基寬度42.0 m，單幅主梁寬度20.5 m，為單箱雙室結(jié)構(gòu)，主梁寬度較大，若全部采用混凝土主梁形式，則上部結(jié)構(gòu)重量較大，施工稍顯困難。同時由于梁體較重，箱梁節(jié)段劃分不宜過大，也會造成懸澆節(jié)段過多施工工期偏長。本橋主墩最大墩高為11 m，橋墩高度較小，主梁在整座橋梁重量中占比較大，上部結(jié)構(gòu)重量過大也將直接導(dǎo)致橋墩基礎(chǔ)規(guī)模的增加，從而提高橋梁造價。同時，本橋為連續(xù)梁橋，每個主墩墩頂各設(shè)置兩個支座，經(jīng)計算，采用混凝土主梁后支座需5 000 t以上規(guī)格，支座后期檢修及更換均很困難。此外，寬幅、大跨連續(xù)梁橋存在跨中過度下?lián)霞案拱濉⒌装彘_裂的風(fēng)險。

波形鋼腹板連續(xù)梁橋是預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁橋的一種衍生結(jié)構(gòu)，其取消了混凝土箱梁的混凝土腹板，改為波形鋼腹板代替，利用鋼結(jié)構(gòu)的材料性能，從根本上解決了大跨連續(xù)梁腹板開裂的問題，另外波形鋼腹板也賦予了梁橋一定的景觀效果。針對本橋橋梁寬度大的特點，主梁底板寬度較大，為了減小混凝土底板開裂風(fēng)險，可同時將混凝土底板用鋼底板代替，形成鋼底板+波形鋼腹板+砼頂板的組合箱梁結(jié)構(gòu)，不僅可避免波形腹板與混凝土底板連接的麻煩，而且可以使主梁自重進(jìn)一步減小至原來的70%左右，同時可以避免寬幅底板后期開裂的風(fēng)險。此結(jié)構(gòu)在天平高速秦安特大橋、貴州省兩渡水湘江大橋均得到了較好的應(yīng)用。由于主梁重量的減輕，施工時可采用更大的懸澆節(jié)段，減少大跨橋梁的施工節(jié)段，從而節(jié)省施工工期。

3 橋型方案比較

依據(jù)前文分析，本橋提出以下兩種橋梁方案：

方案一：（65+120+65）m波形腹板鋼箱組合梁

方案二：（65+120+65）m預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁

兩個方案主跨布置和結(jié)構(gòu)形式類似，最大的區(qū)別在于主梁形式，一般而言，鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁在造價上會高于混凝土橋梁，但由于鋼結(jié)構(gòu)主梁重量輕，橋墩和樁基的尺寸可以適當(dāng)減小，也可節(jié)省部分工程造價。同時，鋼混組合梁的施工方法與后期養(yǎng)護(hù)也與混凝土橋梁不同。

3.1 建設(shè)規(guī)模與經(jīng)濟比較

兩個方案的建設(shè)規(guī)模非常接近，波形腹板鋼箱組合梁（方案一）的全橋長和預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁（方案二）相同，方案一主梁采用鋼結(jié)構(gòu)替代混凝土腹板及底板，增加了鋼材用量，但同時減輕了主梁重量，從而減小了下構(gòu)基礎(chǔ)規(guī)模。最終綜合比較，波形腹板鋼箱組合梁（方案一）工程造價11 480萬，預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁（方案二）工程造價11 091萬，方案二經(jīng)濟型略好。

3.2 施工難度

方案一波形腹板預(yù)鋼箱組合梁國內(nèi)天平高速秦安特大橋、貴州省兩渡水湘江大橋均得到了較好的應(yīng)用。主墩采用翻模法施工。主梁采用懸臂法施工，先吊裝鋼底板及鋼腹板，再現(xiàn)澆混凝土橋面板。鋼結(jié)構(gòu)重量輕，吊裝重量小，施工方便快捷。

方案二變截面預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁橋國內(nèi)應(yīng)用廣泛，施工風(fēng)險較小。主墩采用翻模法施工，主梁采用懸臂澆施工，施工技術(shù)成熟。但本橋主梁較寬，混凝土箱梁節(jié)段重量大，施工略顯困難。

工期：由于方案一主梁梁段輕，因此可以采用大節(jié)段施工，從而縮短施工工期。方案一工期約為20個月，方案二工期均為26個月，方案一工期較短。

因此，綜合來說，兩種方案施工風(fēng)險均較小，方案一波形腹板預(yù)鋼箱組合梁施工更方便，且施工工期較短。

3.3 景觀效果

梁式橋由于橋面以上沒有橋塔及纜索等結(jié)構(gòu)，景觀效果一般不易顯現(xiàn)。波形鋼腹板鋼箱組合梁橋可以在滿足橋梁功能性的同時，一定程度上提升大橋的景觀效果。主梁結(jié)構(gòu)輕盈靈動，也可通過對鋼腹板涂裝顏色提升橋梁的色彩對比度。相比而言，預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋色調(diào)較為單一，景觀效果一般。

3.4 工程風(fēng)險性

本橋橋?qū)挒?0.5 m，為大跨寬幅橋梁，采用組合結(jié)構(gòu)，自重輕，施工方便，鋼結(jié)構(gòu)采用整體拼裝吊裝施工，減少了工期，降低了對交通的干擾，充分利用鋼底板受拉、混凝土頂板受壓以及波形腹板受剪，受力清晰明確。

采用混凝土結(jié)構(gòu)，箱室寬度大，結(jié)構(gòu)較重，施工周期長，對交通干擾大，另外寬幅、大跨連續(xù)梁橋存在腹板、底板開裂及下?lián)系纫幌盗休^為嚴(yán)重的風(fēng)險。

綜上所述，波形腹板鋼箱組合梁采用鋼結(jié)構(gòu)替代鋼結(jié)構(gòu)替代混凝土腹板和底板厚，主梁重量減輕約30%，有利于減小支座規(guī)格和主墩基礎(chǔ)工程量。此結(jié)構(gòu)充分利用鋼底板受拉、波形腹板受剪的性能，解決大跨、寬幅箱梁腹板、底板開裂及下?lián)系纫幌盗袉栴}。波形腹板鋼箱組合梁采用掛籃懸臂拼裝鋼底板和波形腹板，現(xiàn)澆混凝土橋面板的施工方式，可大大節(jié)省施工工期。同時，波形鋼腹板鋼箱組合梁橋主梁輕盈靈動，景觀效果好。雖采用鋼結(jié)構(gòu)后，工程造價比混凝土梁橋貴389萬，但仍具有較好的經(jīng)濟性。因此，設(shè)計采用波形腹板鋼箱組合梁作為荊江大橋的推薦方案。

4 結(jié)語

以武松高速荊江大橋未工程實例，對波形腹板鋼箱組合梁和預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁進(jìn)行了方案比選。波形腹板鋼箱組合梁為鋼底板+波形鋼腹板+砼頂板的組合箱梁結(jié)構(gòu)，與混凝土箱梁相比可大大減小主梁自重，減小支座規(guī)格和主墩基礎(chǔ)工程量。同時可充分利用鋼底板受拉、波形腹板受剪的性能，解決大跨、寬幅箱梁腹板、底板開裂及下?lián)系纫幌盗袉栴}，非常適用于大跨寬幅結(jié)構(gòu)橋梁。

從設(shè)計和施工角度對比了波形鋼腹板組合梁和預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁方案，可知波形腹板鋼箱組合梁方案自重輕、下構(gòu)規(guī)模小、景觀效果好、技術(shù)風(fēng)險小、施工工期短，且其工程造價與預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁方案相差不大，是大跨寬幅結(jié)構(gòu)橋梁的重要橋型方案之一。

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