工業(yè)化建造山區(qū)中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)研究

許壘

摘要 隨著高速公路建設(shè)的不斷推進，山區(qū)橋梁的建造越來越多，如何采用工業(yè)化的方式完成山區(qū)橋梁又快又好地建設(shè)是橋梁建造中需要解決的重要問題。為了對工業(yè)化建造山區(qū)中小跨徑橋梁的合理上部結(jié)構(gòu)進行分析與研究，文章以蕪黃高速公路為依托，開展了基于工業(yè)化的上部結(jié)構(gòu)選型研究，分析了山區(qū)橋梁工業(yè)化建造的合理上部結(jié)構(gòu)形式，提出了山區(qū)中小跨徑橋梁的選型原則，本著工業(yè)化建造的理念對常見中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)形式進行了分析比較，從耐久、經(jīng)濟及合理且施工便利的角度分析對應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式和建造方法。

關(guān)鍵詞 工業(yè)化建造；中小跨徑；上部結(jié)構(gòu)；鋼板組合梁；短線法

中圖分類號 U445文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）13-0057-03

0 引言

目前我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正積極向著實現(xiàn)工業(yè)化建造的目標(biāo)邁進，公路工程建設(shè)正處于轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時刻，但山區(qū)高速公路工程作為我國公路工程的重要組成部分，尚未形成系統(tǒng)的工業(yè)化建造技術(shù)體系。

工業(yè)化建造的理念最早起源于建筑行業(yè)。在西方國家，預(yù)制裝配式建筑發(fā)展很久，工業(yè)化建造體系相對成熟。荷蘭在SAR理論的實踐過程中，采用標(biāo)準化的支撐體形成住宅結(jié)構(gòu)的骨架，推動了標(biāo)準化結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展。面對國家的工業(yè)化建設(shè)重任，我國原建工部提出了推進建筑工業(yè)化的要求，并推行了一系列措施[1-2]。

橋梁工業(yè)化的目的在于將現(xiàn)代化的設(shè)計、制造、運輸、安裝、管理等方式引入傳統(tǒng)的橋梁建設(shè)中，改善長期以來繁重、分散、低效、低水平的橋梁建造方式[3-5]。然而，山區(qū)高速公路橋梁往往存在地質(zhì)條件復(fù)雜、地勢高低起伏較大等問題，為裝配式下部結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提出了新挑戰(zhàn)。

橋梁的工業(yè)化建造是我國橋梁工程發(fā)展的必然趨勢之一。然而，工業(yè)化建造在我國山區(qū)高速公路工程中的發(fā)展仍舊較為有限，尚未形成完整的山區(qū)公路橋梁工業(yè)化建造技術(shù)體系。該文將詳細分析橋梁上部結(jié)構(gòu)，并形成合理的結(jié)構(gòu)形式，提出科學(xué)的建造方法。

受限于山區(qū)建設(shè)環(huán)境，山區(qū)高速公路橋梁建設(shè)中往往有大量的中小跨徑橋梁建設(shè)需求。據(jù)相關(guān)測算，單跨超過150 m的特大橋在山區(qū)高速公路橋梁中占比在10%～15%左右，而常規(guī)中小跨徑橋梁則占橋梁總數(shù)的85%～90%以上，因此山區(qū)中小跨徑橋梁成為控制工期及投資的關(guān)鍵因素之一。綜合上述分析，山區(qū)中小跨徑橋梁的選型在遵循技術(shù)先進、安全可靠、耐久適用、經(jīng)濟合理的總體原則的同時，尤其應(yīng)該體現(xiàn)以下原則和理念：

（1）以安全和耐久作為設(shè)計標(biāo)準。

（2）將環(huán)保因素作為橋型方案的重要衡量指標(biāo)。

（3）考慮全壽命周期的經(jīng)濟效益成本。

（4）充分體現(xiàn)工業(yè)化建造理念。

1 工程概況

該項目依托工程為S11蕪湖至黃山高速公路項目?；谏絽^(qū)高速公路橋梁建設(shè)的復(fù)雜環(huán)境，從工業(yè)化角度出發(fā)，對山區(qū)橋梁的結(jié)構(gòu)形式與施工方法進行創(chuàng)新，探索系統(tǒng)的山區(qū)高速公路橋梁工業(yè)化建造技術(shù)，可直接支撐山區(qū)高速公路橋梁工業(yè)化建造的發(fā)展。該項目的研究成果將為我國山區(qū)公路橋梁工程建設(shè)提供重要的實踐經(jīng)驗，有效助推我國橋梁工業(yè)化建造的發(fā)展，應(yīng)用前景廣闊，未來市場需求廣泛。

2 山區(qū)中小跨徑橋梁建造特點及選型原則

該文將分析山區(qū)高速公路橋梁的建造特點、山區(qū)中小跨徑橋梁的選型原則；提出山區(qū)中小跨徑橋梁建設(shè)應(yīng)重視結(jié)構(gòu)耐久性，注重環(huán)保，減少對自然環(huán)境的污染與干擾，橋梁工業(yè)化建造是滿足上述要求的重要手段；闡述了橋梁工業(yè)化建造的核心理念。

2.1 山區(qū)高速公路橋梁特點

受限于復(fù)雜的地理環(huán)境和地形地質(zhì)條件，山區(qū)高速公路橋梁與平原區(qū)橋梁相比，具有以下技術(shù)特點[2]：

（1）路線線形布置復(fù)雜。

（2）橋梁工程規(guī)模大，橋梁分布呈間斷式。

（3）橋梁建造手段以預(yù)制裝配式為主。

2.2 山區(qū)中小跨徑橋梁選型原則

受限于山區(qū)建設(shè)環(huán)境，山區(qū)高速公路橋梁建設(shè)中往往有大量的中小跨徑橋梁建設(shè)需求。據(jù)相關(guān)測算，單跨超過150 m的特大橋在山區(qū)高速公路橋梁中占比在10%～15%左右，而常規(guī)中小跨徑橋梁則占橋梁總數(shù)的85%～90%以上，山區(qū)中小跨徑橋梁成為控制工期及投資的關(guān)鍵因素之一。綜合上述分析，山區(qū)中小跨徑橋梁的選型在遵循技術(shù)先進、安全可靠、耐久適用、經(jīng)濟合理的總體原則的同時，尤其應(yīng)該體現(xiàn)以下原則和理念：

（1）以安全和耐久作為設(shè)計標(biāo)準。

（2）將環(huán)保因素作為橋型方案的重要衡量指標(biāo)。

（3）考慮全壽命周期的經(jīng)濟效益成本。

（4）充分體現(xiàn)工業(yè)化建造理念。

2.3 橋梁工業(yè)化建造核心理念

伴隨著我國城鎮(zhèn)化和城市現(xiàn)代化進程，能源與資源不足的矛盾越發(fā)突出，生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護的形勢日益嚴峻，建筑工業(yè)化作為可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)方式，已得到國家政策的大力支持，步入快速發(fā)展軌道。公路行業(yè)作為建筑業(yè)的組成部分，承擔(dān)著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重任，正面臨轉(zhuǎn)型發(fā)展的“機遇期”。以問題為導(dǎo)向，大力發(fā)展預(yù)制裝配式建造工藝，從標(biāo)準化施工上升到工業(yè)化建造，將是推進公路建設(shè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要變革。

與傳統(tǒng)橋梁建造方式相比，橋梁工業(yè)化建造具有提高工程質(zhì)量、節(jié)約建設(shè)工期、便于施工管理、利于環(huán)境保護的優(yōu)勢；通過設(shè)計、生產(chǎn)、安裝的標(biāo)準化，實現(xiàn)構(gòu)件可維修更換，便于質(zhì)量控制和管理；生產(chǎn)工廠化和安裝機械化，現(xiàn)場工序少，能提高勞動生產(chǎn)率、縮短工期；同時工地現(xiàn)場粉塵量少、噪聲污染小，對環(huán)境的破壞和影響降低，資源利用率高[3]。

橋梁工業(yè)化建造的核心理念包括：

（1）結(jié)構(gòu)的高強化、輕型化：推廣使用鋼結(jié)構(gòu)等輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)，在降低材料用量的同時減輕結(jié)構(gòu)自重，可以降低運輸和安裝成本，節(jié)約下部結(jié)構(gòu)造價。

（2）構(gòu)件通用化：通過設(shè)計標(biāo)準化盡可能使得構(gòu)件尺寸統(tǒng)一，提倡模塊化建造理念，減少模具數(shù)量，降低工程造價。

（3）安裝便利化：預(yù)制結(jié)構(gòu)的特點和重點在于節(jié)段之間的連接。為提高建造效率，需要盡可能地減少現(xiàn)場接頭，多采用自穩(wěn)定構(gòu)件、減少輔助措施，節(jié)約工程造價的同時也降低施工難度。

（4）造價經(jīng)濟化：根據(jù)經(jīng)濟性原則，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，控制不同結(jié)構(gòu)的適用范圍。

3 山區(qū)中小跨徑橋梁常見的上部結(jié)構(gòu)形式

常見上部結(jié)構(gòu)形式：①空心板梁；②預(yù)制T梁；③預(yù)制小箱梁；④鋼板組合梁。

其中鋼板組合梁是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種新型結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋梁相比，可以減輕上部結(jié)構(gòu)自重、減小地震作用、降低下部結(jié)構(gòu)造價，同時采用預(yù)制橋面板的鋼板組合梁省去了高空支模工序，通過工廠預(yù)制和現(xiàn)場裝配的方式縮短了施工周期、提高了施工質(zhì)量，建成效果如圖1所示。與純鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼板組合梁在減少用鋼量的同時，結(jié)構(gòu)剛度、整體性及穩(wěn)定性有了提升，抗火性和耐久性也較好。我國近年來鋼板組合梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實踐表明，這種結(jié)構(gòu)形式兼具鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，適于工業(yè)化建造，是中小跨徑橋梁的重要發(fā)展方向之一。

4 山區(qū)中小跨徑橋梁常見上部結(jié)構(gòu)形式性能比較分析

該文基于研究提出的山區(qū)中小跨徑橋梁選型原則，從施工便利性、耐久性、經(jīng)濟性、運營期維護及山區(qū)環(huán)境適用性等角度，對常見上部結(jié)構(gòu)形式進行了比選，綜合分析比較表明鋼板組合梁是實現(xiàn)山區(qū)中小跨徑橋梁工業(yè)化建造的一種較為合適的橋型；基于工業(yè)化建造思路，介紹了3種具有代表性的少主梁體系鋼板組合梁，相關(guān)測算表明其具有良好的經(jīng)濟指標(biāo)，為鋼板組合梁的規(guī)?；ㄔ斓於ɑA(chǔ)。

4.1 山區(qū)中小跨徑橋梁常見上部結(jié)構(gòu)形式綜合性能比較

該文結(jié)合山區(qū)建設(shè)環(huán)境需求，從工業(yè)化建造的角度出發(fā)，對常見中小跨徑上部結(jié)構(gòu)形式的綜合性能進行比較：

（1）空心板梁：此結(jié)構(gòu)雖施工工藝簡單，但耐久性較差，尤其是鉸接縫處易產(chǎn)生病害，導(dǎo)致其養(yǎng)護費用高；山區(qū)橋梁一般結(jié)構(gòu)跨徑較大，但空心板梁只在長度20 m以下結(jié)構(gòu)中才有較高的經(jīng)濟性，且其跨越能力小，不適用于山區(qū)結(jié)構(gòu)。

（2）預(yù)制T梁：結(jié)構(gòu)為工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝，施工工藝成熟簡單，因此其造價低，且養(yǎng)護簡單、費用低；結(jié)構(gòu)耐久性一般，僅適用曲率半徑小的橋梁，在山區(qū)中橋梁建筑高度高，橋型不美觀。

（3）預(yù)制小箱梁：此結(jié)構(gòu)同樣為工廠預(yù)制，現(xiàn)場拼裝，施工工藝成熟簡單，造價略高于T梁；耐久性一般，養(yǎng)護費用低但箱室內(nèi)部檢查困難；預(yù)制箱梁重量較大，尤其在山區(qū)中吊裝較困難且景觀效果一般。

（4）鋼板組合梁：此結(jié)構(gòu)為工廠化施工，簡單便利；耐久性良好，因此維護費用主要為鋼梁的涂裝；其在山區(qū)中穩(wěn)定性好，抗扭能力強，適于工業(yè)化建造，景觀效果好；雖造價略高于小箱梁，但可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高經(jīng)濟性指標(biāo)。

綜上所述：鋼板組合梁是山區(qū)中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)比較適用的一種橋型方案，其與傳統(tǒng)的混凝土梁橋相比具有良好的受力性能和耐久性，同時可通過體系創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高經(jīng)濟性指標(biāo)，對于山區(qū)建設(shè)環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，能夠解決山區(qū)中小跨徑橋梁工業(yè)化建造的問題。

4.2 山區(qū)中小跨徑鋼板組合梁工業(yè)化建造思路及經(jīng)濟性分析

全鋼結(jié)構(gòu)橋梁實現(xiàn)工業(yè)化建造非常便利，但其應(yīng)用在中小跨徑橋梁中時經(jīng)濟性不占優(yōu)勢。結(jié)合發(fā)達國家的經(jīng)驗，在美國、歐洲、日本等國的橋梁建設(shè)中，組合結(jié)構(gòu)橋梁占有重要地位。對于山區(qū)高速公路中小跨徑橋梁的工業(yè)化建造而言，可以采用少主梁體系鋼混組合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)體系經(jīng)濟合理，鋼梁與橋面板均采用工廠化預(yù)制，充分發(fā)揮兩種材料的性能，且自重較輕，能夠降低下部結(jié)構(gòu)造價。

在系列研究的基礎(chǔ)上，該文形成了非支撐橫梁體系雙主梁鋼板組合梁結(jié)構(gòu)，采用全寬預(yù)制混凝土橋面板，橋面板為橫向支承板、單向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱向設(shè)普通鋼筋，橫向設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束；主梁為等高工字形截面，跨內(nèi)橫梁為小橫梁，支點橫梁為加強中橫梁，支點端橫梁為大橫梁；主梁與混凝土橋面板之間通過剪力釘群連接[4]，如圖2所示。

35 m六車道鋼板組合梁的經(jīng)濟指標(biāo)測算表明，其材料指標(biāo)更加優(yōu)化，與相同跨徑的小箱梁相比，上部結(jié)構(gòu)自重減輕40%，因而下部結(jié)構(gòu)造價明顯降低（40%左右），上部結(jié)構(gòu)造價雖然略有增加，但是總造價降低了8.6%。與相同跨徑T梁相比，Ⅱ型鋼板組合梁下部結(jié)構(gòu)造價可降低20%左右，上部結(jié)構(gòu)造價略高，從而在總體造價上略高于T梁（10%左右）。從總造價上來看，Ⅱ型鋼板組合梁經(jīng)濟性介于同等跨徑T梁和小箱梁之間，充分表明新型鋼板組合梁良好的經(jīng)濟性指標(biāo)，為鋼板組合梁的規(guī)模化建造奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

為明確山區(qū)中小跨徑橋梁的合理上部結(jié)構(gòu)形式，該文從山區(qū)高速公路橋梁的建造特點出發(fā)，提出了山區(qū)中小跨徑橋梁的選型原則，基于工業(yè)化建造的理念對常見中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)形式進行了分析比較，得到了以下結(jié)論：

（1）山區(qū)中小跨徑橋梁建設(shè)應(yīng)重視結(jié)構(gòu)耐久性，注重環(huán)保、減少對自然環(huán)境的污染與干擾，橋梁工業(yè)化建造是適應(yīng)上述原則的重要手段。

（2）綜合比較而言，鋼板組合梁是山區(qū)中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)比較適用的一種橋型方案，其與傳統(tǒng)的混凝土梁橋相比具有良好的受力性能和耐久性，同時可通過體系創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高經(jīng)濟性指標(biāo)，對于山區(qū)建設(shè)環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，能夠解決山區(qū)中小跨徑橋梁工業(yè)化建造的問題。

（3）前期的相關(guān)應(yīng)用及經(jīng)濟性測算表明，少主梁體系鋼板組合梁具有良好的經(jīng)濟指標(biāo)，例如非支撐橫梁體系全寬預(yù)制橋面板鋼板組合梁經(jīng)濟性介于同等跨徑T梁和小箱梁之間，可以應(yīng)用于山區(qū)中小跨徑橋梁的規(guī)?；ㄔ飚?dāng)中。

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