城市高架橋標準結(jié)構(gòu)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(shè)計研究院有限公司，上海市 201204）

1 概述

隨著城市發(fā)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(shè)施建設(shè)的期望也逐漸提高，“綠色循環(huán)低碳”、“可持續(xù)發(fā)展”已經(jīng)成為城市建設(shè)的基本理念。城市高架橋在城市基礎(chǔ)設(shè)施中規(guī)模及影響大、交通功能重要、使用頻率高、結(jié)構(gòu)安全性和耐久性要求高，養(yǎng)護維修工作量大，因此其結(jié)構(gòu)選型更應基于上述理念，從設(shè)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(nèi)，考慮橋梁的各種性能指標。

2 現(xiàn)狀城市高架橋梁結(jié)構(gòu)形式

城市高架橋梁多為中等跨徑結(jié)構(gòu)，以梁式橋為主，標準跨結(jié)構(gòu)通常采用的有預應力混凝土連續(xù)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(jié)構(gòu)形式。混凝土梁可采用支架現(xiàn)澆式、預制裝配式、預制節(jié)段拼裝式等施工方式，鋼結(jié)構(gòu)、鋼混組合結(jié)構(gòu)一般采用大節(jié)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(jié)構(gòu)日益成為城市高架橋梁的主流結(jié)構(gòu)形式。因此城市高架橋中，全線標準結(jié)構(gòu)一般采用小箱梁、T梁等預制裝配式結(jié)構(gòu)，大跨徑節(jié)點處一般采用鋼混組合梁結(jié)構(gòu)。

3 鋼混組合梁設(shè)計優(yōu)化

以往的鋼混組合梁一般設(shè)計為密排的工字鋼梁或箱梁結(jié)構(gòu)，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(yǎng)護維修工作量也較大，造價較高，要想使鋼混組合梁競爭優(yōu)勢更加明顯，關(guān)鍵是降低以上幾項指標，從而獲得較好的全壽命周期經(jīng)濟性。

組合梁的用鋼量與其總體梁、板選型、結(jié)構(gòu)布置及施工方法選擇等系統(tǒng)化設(shè)計有關(guān)，為使組合梁結(jié)構(gòu)用鋼量經(jīng)濟合理，宜采用少主梁、輕型化的結(jié)構(gòu)形式。

（1）鋼板梁組合梁優(yōu)化方式

當跨徑較小時一般采用鋼板梁組合梁，當橋?qū)挷淮笥?2m時可優(yōu)化為雙主梁形式，橋?qū)捲?2m以上時可采用3片主梁或4片主梁的形式，優(yōu)化后的斷面見圖1。其經(jīng)濟合理跨徑為30～70m。

圖1 優(yōu)化后的鋼板梁組合梁

與常規(guī)鋼板梁組合梁相比，優(yōu)化后的鋼板梁組合梁在鋼梁各板件及焊接、涂裝等數(shù)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(yōu)化方式

當跨徑較大或結(jié)構(gòu)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(yōu)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(yōu)化后的斷面見圖2。寬幅槽形鋼主梁組合梁經(jīng)濟合理跨徑為50～90m，窄幅鋼箱梁組合梁經(jīng)濟合理跨徑為60～110m。

圖2 優(yōu)化后的箱形截面組合梁

與常規(guī)箱形截面組合梁相比，優(yōu)化后的組合梁在鋼梁各板件及焊接、涂裝等數(shù)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(jié)構(gòu)的高架橋標準跨徑為30～35m，鋼混組合梁跨越能力強，根據(jù)不同的鋼結(jié)構(gòu)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(guī)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(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，考慮景觀及經(jīng)濟性三種跨徑的高架橋墩統(tǒng)一為9m高，橋?qū)挒槌鞘须p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(shù)量較少，橋下空間通透，整體結(jié)構(gòu)比例與均高9m的高架橋較為協(xié)調(diào)。

圖3 總體立面示意圖（單位：m）

除了標準跨，還要考慮高架結(jié)構(gòu)標準跨徑與跨越橫向相交道路的節(jié)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(jié)構(gòu)跨徑，基本能跨越相交的常規(guī)橫向道路，可較好地保證高架橋全線結(jié)構(gòu)梁高和外立面線形的連續(xù)性，視覺效果較好。

（2）經(jīng)濟性

對三種跨徑進行了結(jié)構(gòu)初步設(shè)計和概算比較，結(jié)果見表1。

表1 三種跨徑造價比較表

三種跨徑的組合梁結(jié)構(gòu)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(jù)現(xiàn)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?qū)挸鞘锌焖俾犯呒軜驗槔齕2]。對于鋼混組合梁，標準跨徑取為45m，在24.5m橋?qū)捒刹贾?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(jié)構(gòu)。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(xiàn)澆橋面板的合理布置寬度，24.5m橋?qū)挾葍?nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；鋼材塑性、韌性好適于承受動力荷載，抗震性能好；鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均勻，接近于各向同性勻質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自重大，與鋼結(jié)構(gòu)相比其跨越能力弱，同時對下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)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(guī)城市高架橋標準段采用混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)，在局部大跨徑的節(jié)點采用鋼混組合梁結(jié)構(gòu)，使得全線結(jié)構(gòu)外形較難統(tǒng)一，節(jié)點相接處兩種結(jié)構(gòu)的梁高及材料色差均相差較大，影響結(jié)構(gòu)景觀整體的秩序感和韻律感。若全線采用鋼混組合梁結(jié)構(gòu)，則整體外立面及材料質(zhì)感均能保持一致，可獲得較好的視覺連續(xù)性。

（4）環(huán)保及可回收利用性比較

據(jù)相關(guān)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(jié)構(gòu)相差不大且占比較小，未計入比較項，見表2。

表2 兩種結(jié)構(gòu)碳排放量比較表

從表2看目前鋼結(jié)構(gòu)碳排放量仍要比小箱梁結(jié)構(gòu)高。但從結(jié)構(gòu)材料拆除后的可回收利用性而言，混凝土結(jié)構(gòu)拆除形成的建筑垃圾，會對環(huán)境帶來較大沖擊，而鋼鐵的制作工藝先進，可無限次循環(huán)利用，并且回收利用廢鋼將大大降低鋼結(jié)構(gòu)的碳排放量[3]，因此其回收利用優(yōu)勢對綠色循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展、可持續(xù)資源的儲備、環(huán)境保護等方面是混凝土結(jié)構(gòu)無法比擬的。

（5）施工性比較

鋼混組合梁工廠化生產(chǎn)程度高，質(zhì)量易于控制，可靠性高，鋼結(jié)構(gòu)工廠分段方式靈活，主體鋼結(jié)構(gòu)重量輕，現(xiàn)場可采用大節(jié)段少支架拼裝、整聯(lián)頂推，甚至整孔（聯(lián)）架設(shè)等多種安裝方式，鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸簡單，質(zhì)量容易控制，由于上部結(jié)構(gòu)重量輕，可減少對影響全橋施工工期較大的樁基數(shù)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(shè)備，施工方式成熟，但運輸及吊裝重量重，以模型結(jié)構(gòu)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(shù)多，現(xiàn)場安裝施工工期較長；小箱梁預制板件尺寸較薄，易出現(xiàn)預制質(zhì)量問題，后期產(chǎn)生病害的幾率較高。

（6）全壽命周期經(jīng)濟性比較

對兩種結(jié)構(gòu)方案進行了設(shè)計使用年限100a內(nèi)，包括建設(shè)、運營養(yǎng)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(shù)，則養(yǎng)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(jié)構(gòu)全壽命周期成本計算表

綜上，鋼混組合梁結(jié)構(gòu)受力和使用性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)更加可靠，在城市高架橋中使用更具景觀性，雖然建設(shè)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(shù)先進性。

表4 鋼混組合梁結(jié)構(gòu)全壽命周期成本計算表

6 結(jié)語

通過采取更加合理的結(jié)構(gòu)布置形式對鋼混組合梁進行設(shè)計優(yōu)化，使得該結(jié)構(gòu)對材料的利用更加充分，更為經(jīng)濟耐久，更便于養(yǎng)護管理；通過對優(yōu)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(jīng)濟性相當，但前者景觀性、技術(shù)先進性、環(huán)保及可回收利用性優(yōu)勢更加明顯，更適合于“綠色、循環(huán)、低碳”的城市建設(shè)理念，在城市高架橋梁中不僅可用于某些大跨節(jié)點，更可作為標準跨的常規(guī)結(jié)構(gòu)方案，在城市橋梁建設(shè)中將有更好的應用前景。

參考文獻：

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[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.