城市高架橋標準結構采用鋼混組合梁的適用性分析

馬曉剛，徐飛廉

（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海市 201204）

1 概述

隨著城市發展、交通改善和生活水平的提高，人們在享受快捷便利交通的同時，對交通設施建設的期望也逐漸提高，“綠色循環低碳”、“可持續發展”已經成為城市建設的基本理念。城市高架橋在城市基礎設施中規模及影響大、交通功能重要、使用頻率高、結構安全性和耐久性要求高，養護維修工作量大，因此其結構選型更應基于上述理念，從設計、施工、使用期的維護，到拆除和材料的回收等整個壽命周期內，考慮橋梁的各種性能指標。

2 現狀城市高架橋梁結構形式

城市高架橋梁多為中等跨徑結構，以梁式橋為主，標準跨結構通常采用的有預應力混凝土連續大箱梁、預制預應力混凝土T梁、預制預應力混凝土小箱梁、鋼混組合梁及鋼箱梁等結構形式?；炷亮嚎刹捎弥Ъ墁F澆式、預制裝配式、預制節段拼裝式等施工方式，鋼結構、鋼混組合結構一般采用大節段少支架拼裝式或頂推等施工方式。

目前有利于快速化文明化施工的預制拼裝結構日益成為城市高架橋梁的主流結構形式。因此城市高架橋中，全線標準結構一般采用小箱梁、T梁等預制裝配式結構，大跨徑節點處一般采用鋼混組合梁結構。

3 鋼混組合梁設計優化

以往的鋼混組合梁一般設計為密排的工字鋼梁或箱梁結構，腹板上縱橫向加勁肋較密，縱梁間橫隔板間距較小，使得用鋼量較大，后期養護維修工作量也較大，造價較高，要想使鋼混組合梁競爭優勢更加明顯，關鍵是降低以上幾項指標，從而獲得較好的全壽命周期經濟性。

組合梁的用鋼量與其總體梁、板選型、結構布置及施工方法選擇等系統化設計有關，為使組合梁結構用鋼量經濟合理，宜采用少主梁、輕型化的結構形式。

（1）鋼板梁組合梁優化方式

當跨徑較小時一般采用鋼板梁組合梁，當橋寬不大于12m時可優化為雙主梁形式，橋寬在12m以上時可采用3片主梁或4片主梁的形式，優化后的斷面見圖1。其經濟合理跨徑為30～70m。

圖1 優化后的鋼板梁組合梁

與常規鋼板梁組合梁相比，優化后的鋼板梁組合梁在鋼梁各板件及焊接、涂裝等數量上均有減少，用鋼量約減少15%，涂裝面積可減少40%[1]。

（2）箱形截面組合梁優化方式

當跨徑較大或結構處于半徑較小的道路平曲線上時，通常采用的鋼混組合梁為箱形截面，鋼主梁采用槽形梁。

對于箱形截面的組合梁，其優化方式有兩種，一種是采用腹板間距較大的寬幅槽形鋼主梁，一種是采用腹板間距較小的窄幅鋼箱梁，優化后的斷面見圖2。寬幅槽形鋼主梁組合梁經濟合理跨徑為50～90m，窄幅鋼箱梁組合梁經濟合理跨徑為60～110m。

圖2 優化后的箱形截面組合梁

與常規箱形截面組合梁相比，優化后的組合梁在鋼梁各板件及焊接、涂裝等數量上也均有減少，用鋼量約可減少15%～20%，涂裝面積可減少35%～45%[1]。

4 鋼混組合梁標準跨徑選擇

一般預制裝配式混凝土結構的高架橋標準跨徑為30～35m，鋼混組合梁跨越能力強，根據不同的鋼結構主梁形式可選擇30～110m的跨徑范圍，但跨徑太大則梁高很高不利于控制整體規模，影響城市空間景觀和接坡處理，綜合考慮分別選擇30m、45m和60m跨徑布置進行比選。

根據相關工程經驗，考慮景觀及經濟性三種跨徑的高架橋墩統一為9m高，橋寬為城市雙向6車道整幅斷面，各跨徑的總體布置立面見圖3，其中30m跨徑梁高1.5m，45m跨徑梁高2.2m，60m跨徑梁高3m。

（1）景觀性

從立面圖可以看出45m跨徑的梁高較為適中，墩柱數量較少，橋下空間通透，整體結構比例與均高9m的高架橋較為協調。

圖3 總體立面示意圖（單位：m）

除了標準跨，還要考慮高架結構標準跨徑與跨越橫向相交道路的節點跨徑之間的銜接，一般城市次干路紅線寬度32～40m，主干路紅線寬度45～50m，不考慮橫向道路的人行道和非機動車道寬度則至少需要高架橋梁25～45m的跨徑，而采用45m的組合梁結構跨徑，基本能跨越相交的常規橫向道路，可較好地保證高架橋全線結構梁高和外立面線形的連續性，視覺效果較好。

（2）經濟性

對三種跨徑進行了結構初步設計和概算比較，結果見表1。

表1 三種跨徑造價比較表

三種跨徑的組合梁結構造價接近，而45m跨徑可適用性好、總體景觀佳，因此在一般高架橋高度9m左右時，推薦采用45m跨徑，具體工程可根據現場情況選擇40～45m左右的跨徑為宜。

5 高架橋鋼混組合梁與混凝土小箱梁全壽命周期比較

（1）比較模型

為便于比較，以雙向六車道整幅式24.5m橋寬城市快速路高架橋為例[2]。對于鋼混組合梁，標準跨徑取為45m，在24.5m橋寬可布置4片鋼板梁，為加快施工速度且保證橋面板的耐久性，橋面板采用橫向預應力結構。橫斷面布置見圖4。

圖4 鋼混組合梁橫斷面圖（單位：m）

對于小箱梁，標準跨徑取為30m，綜合考慮小箱梁邊梁懸臂及梁間現澆橋面板的合理布置寬度，24.5m橋寬度內可布置7片小箱梁。橫斷面布置見圖5。

圖5 小箱梁橫斷面圖（單位：m）

（2）受力和使用性能比較

鋼混組合梁的鋼結構所用材料強度高、自重輕，可更好地適應高架中大跨度和線形復雜的橋梁結構；鋼材塑性、韌性好適于承受動力荷載，抗震性能好；鋼材內部組織結構均勻，接近于各向同性勻質體，實際工作性能更符合計算理論，因此可靠性高，作為主體結構其受力性能和耐久性更好。但也存在疲勞、噪音等問題。

預應力混凝土小箱梁，結構自重大，與鋼結構相比其跨越能力弱，同時對下部結構和基礎的要求高，混凝土是非均勻的多孔材料，容易受凍融、堿集料反應、鋼筋銹蝕、中性化等作用的影響而破壞。

（3）景觀性比較

一般小箱梁均需采用梁距較小的布置方式，梁體密布，顯得較為零亂。而鋼混組合梁采用少主梁大挑臂的布置形式，外形簡潔通透，景觀性更好。

常規城市高架橋標準段采用混凝土小箱梁結構，在局部大跨徑的節點采用鋼混組合梁結構，使得全線結構外形較難統一，節點相接處兩種結構的梁高及材料色差均相差較大，影響結構景觀整體的秩序感和韻律感。若全線采用鋼混組合梁結構，則整體外立面及材料質感均能保持一致，可獲得較好的視覺連續性。

（4）環保及可回收利用性比較

據相關研究顯示，我國目前每噸鋼材的二氧化碳排放量約為2000kg左右[3]，每方C50混凝土的二氧化碳排放量約為565～605kg[4]，以上述高架橋模型為例，對1km長的高架橋采用鋼混組合梁和混凝土小箱梁，其材料的二氧化碳排放量進行了簡單的計算比較，其中墩柱、蓋梁、承臺等材料用量兩種結構相差不大且占比較小，未計入比較項，見表2。

表2 兩種結構碳排放量比較表

從表2看目前鋼結構碳排放量仍要比小箱梁結構高。但從結構材料拆除后的可回收利用性而言，混凝土結構拆除形成的建筑垃圾，會對環境帶來較大沖擊，而鋼鐵的制作工藝先進，可無限次循環利用，并且回收利用廢鋼將大大降低鋼結構的碳排放量[3]，因此其回收利用優勢對綠色循環經濟的發展、可持續資源的儲備、環境保護等方面是混凝土結構無法比擬的。

（5）施工性比較

鋼混組合梁工廠化生產程度高，質量易于控制，可靠性高，鋼結構工廠分段方式靈活，主體鋼結構重量輕，現場可采用大節段少支架拼裝、整聯頂推，甚至整孔（聯）架設等多種安裝方式，鋼結構可作為澆筑橋面板混凝土的支架支撐使用，便于施工；橋面板結構尺寸簡單，質量容易控制，由于上部結構重量輕，可減少對影響全橋施工工期較大的樁基數量，施工速度快。

小箱梁施工也較方便，可采用架橋機、吊車或龍門吊等機械設備，施工方式成熟，但運輸及吊裝重量重，以模型結構為例，一片小箱梁重量約為單片鋼梁的1.6倍，而且小箱梁梁片數多，現場安裝施工工期較長；小箱梁預制板件尺寸較薄，易出現預制質量問題，后期產生病害的幾率較高。

（6）全壽命周期經濟性比較

對兩種結構方案進行了設計使用年限100a內，包括建設、運營養護和最后拆除階段等全壽命周期成本的計算，見表3、表4。

從表3、表4可以看出，鋼混組合梁全壽命周期成本較混凝土小箱梁高出約8%，若能采用耐久性更好的涂裝體系或使用耐候鋼等，減少后期涂裝次數，則養護成本能有較大幅度的下降，全壽命周期成本可與混凝土梁相當。

表3 混凝土結構全壽命周期成本計算表

綜上，鋼混組合梁結構受力和使用性能優良，結構更加可靠，在城市高架橋中使用更具景觀性，雖然建設期成本較高，但全壽命周期成本與混凝土梁接近，因此更具有技術先進性。

表4 鋼混組合梁結構全壽命周期成本計算表

6 結語

通過采取更加合理的結構布置形式對鋼混組合梁進行設計優化，使得該結構對材料的利用更加充分，更為經濟耐久，更便于養護管理；通過對優化后的鋼混組合梁與混凝土小箱梁進行多方面比較，可以看出鋼混組合梁與混凝土梁全壽命周期經濟性相當，但前者景觀性、技術先進性、環保及可回收利用性優勢更加明顯，更適合于“綠色、循環、低碳”的城市建設理念，在城市高架橋梁中不僅可用于某些大跨節點，更可作為標準跨的常規結構方案，在城市橋梁建設中將有更好的應用前景。

參考文獻：

[1]日本橋梁建設協會.新鋼橋的誕生Ⅱ[M].日本東京:2004.

[2]上海浦東建筑設計研究院有限公司.濟陽路（盧浦大橋—閔行區界）快速化改建工程可行性研究報告[Z].2016.

[3]上官方欽,張春霞,胡長慶,等.中國鋼鐵工業的二氧化碳排放估算[J].中國冶金,2010(5):37-42.

[4]俞海勇,王瓊,張賀,等.基于全壽命周期的預拌混凝土碳排放計算模型研究[J].粉煤灰,2011(6):42-46.