鋼蓋梁在市政高架橋梁中的應用分析

周文駿

［同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引言

隨著城市進程的推進，城市橋梁的建設已不可能如已往一般粗放式進行，必然需要在新時代與時俱進。為實現城市橋梁工業化、快速化建造，裝配式橋梁施工方法正如火如荼地向前發展。上部結構預制在市政橋梁中已有多種結構形式及多年實踐經驗，有多套成熟的實現方案；下部結構由于其受力特點，一般多采用混凝土結構，雖不像上部結構一樣影響全線，但不能忽視其施工期間對城市面貌的影響，下部結構快速化施工仍是整個城市橋梁快速化建設閉環中不可或缺的一環。為此，國內外開展了預制混凝土下部結構的理論研究和多個工程項目實踐[1-3]，對于加快工程進度、減少施工期間交通影響、環境保護等有重大意義（見圖1）。

圖1 下部結構預制裝配式施工之實景

雖然近年來預制混凝土下部結構發展迅速，但仍多有不足之處：

（1）城市高架一般為雙向六車道、雙向八車道，采用預應力混凝土結構其蓋梁重量一般達200～300 t，由此帶來：運輸困難，對沿線橋梁及地下管線等考驗巨大；吊裝重量大，對吊裝設備要求高，施工單位成本顯著增加等難題。

（2）下部結構預制對構件加工精度要求高，一般需新建專門的預制廠，且需定制特殊加工的模板、胎架等，一次性投入成本高。

（3）灌漿質量無法檢驗，預制立柱或蓋梁為工廠化構件，承臺一般為現澆，質量均可以保證，而承臺與立柱、立柱與蓋梁的連接卻成為整個體系的阿喀琉斯之踵，不但質量無法保證，且無法檢驗其施工質量，補救更是無從談起。

當然，對預制混凝土下部構件的改進仍在進行，如:某工程主線標準段上部結構采用30 m連續小箱梁結構，設計蓋梁尺寸為23.934 m（長）×2.6 m（寬）×3.5 m（高），總重量達到370 t，采用橫向三節拼裝模式。其中，中間段長9.752 m，重約173 t，兩端懸挑段長7.091 m，重約98.5 t，為目前我國最大膠接法拼裝節段蓋梁。通過以上措施，雖然實現了多車道蓋梁的預制，但吊裝重量仍達173 t，且增加了蓋梁的現場接頭，雖實現了下部結構的預制施工，但單價巨大，難以大規模復制到類似工程。

有鑒于此，考慮在下部結構中采用鋼蓋梁，以解決常規下部結構預制施工出現的難題。現通過對鋼蓋梁的參數化研究并與常規混凝土蓋梁進行對比，分析鋼蓋梁的特點及適用條件，以供后續工程設計參考。

1 工程背景

杭州市某新建高架標準斷面為雙向六車道，橋寬25 m，下部結構采用大懸臂雙柱墩蓋梁。考慮到其距離現狀鐵路較近、橋墩施工影響現狀地面道路交通等因素，其上部結構采用鋼-混凝土組合梁，標準跨徑40 m，采用鋼槽形梁、現澆橋面板。

為進一步減少橋梁施工對周邊鐵路、現狀道路等周邊環境的影響，下部結構考慮采用預制裝配式施工。考慮到雙向六車道采用常規預應力混凝土蓋梁預制裝配式施工帶來的不便，擬通過采用鋼蓋梁解決前文中提到的種種問題。

圖2為高架橋梁標準斷面圖。

圖2 高架橋梁標準斷面圖（單位：m）

2 鋼蓋梁參數化研究

以背景工程中標準結構的下部結構為研究對象，進行蓋梁參數化設計，對不同蓋梁外輪廓尺寸、不同強度等級鋼材的蓋梁進行比較分析，繪制蓋梁的用鋼量、剛度與各參數間的關系曲線，尋求在常用的技術條件下蓋梁的合理斷面設計，以供類似工程參考。

鋼蓋梁為大懸臂雙柱墩布置，立柱間距為4.9 m，挑臂9.15 m，蓋梁端部高度1.5 m、根部高度以參數形式在研究范圍內變化。鋼蓋梁采用薄壁鋼箱結構，截面形式為單箱單室，鋼蓋梁布置見圖3、圖4所示。

圖3 蓋梁立面布置圖（單位：cm）

圖4 蓋梁斷面布置圖

蓋梁尺寸參考目前常見混凝土蓋梁主要尺寸，并結合鋼蓋梁受力確定。蓋梁主要外輪廓尺寸取值范圍如下：蓋梁高度h取2.0～3.2 m，蓋梁寬度b取1.8～3.0 m；蓋梁材料考慮采用Q345、Q370、Q420、Q460。

蓋梁的截面設計以滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）[4]中的強度、剛度、穩定性要求為準，同時兼顧其加工性能，按實際承受的各種荷載設計出合理的蓋梁截面。參數化設計蓋梁的重量、剛度與蓋梁尺寸的關系曲線見圖5～圖8所示。

圖5 蓋梁重量、剛度與蓋梁尺寸關系圖（Q345）

圖8 蓋梁重量、剛度與蓋梁尺寸關系圖（Q460）

根據參數化分析結果，鋼蓋梁的合理截面與蓋梁尺寸、采用材料具有如下關系：（1）蓋梁用鋼量隨著梁高增大而減小，隨蓋梁寬度增大而略有增加，隨采用材料的強度的提高而降低；（2）蓋梁剛度隨著梁高增大而增大，與蓋梁寬度無顯著相關關系，隨采用材料的強度的提高而降低。

結合目前工程設計中常用的蓋梁結構尺寸、常用鋼材牌號等，對Q345～Q460的鋼蓋梁推薦以下蓋梁合理截面（詳見表1），供類似工程設計參考。

表1 標準結構鋼蓋梁推薦截面匯總表

鋼蓋梁重量較常規混凝土蓋梁顯著減小，尺寸也略小于混凝土蓋梁，鋼板厚度適宜加工性能良好，剛度滿足使用要求，其特性完美契合橋梁下部結構預制裝配施工，在將來的城市高架橋建設中將具有廣闊的應用前景。

圖6 蓋梁重量、剛度與蓋梁尺寸關系圖（Q370）

圖7 蓋梁重量、剛度與蓋梁尺寸關系圖（Q420）

3 鋼蓋梁綜合效益分析

相比預應力混凝土蓋梁，鋼蓋梁的采用必然導致橋梁總體造價的增加。現以背景工程為例，對比蓋梁分別采用預應力混凝土及鋼材（Q420）時的整體造價，以對鋼蓋梁綜合效益有更進一步的認識。

預應力混凝土蓋梁尺寸根據類似工程類比及結構計算確定，蓋梁構造及鋼束配置見圖9所示。

圖9 預應力混凝土蓋梁鋼束布置圖（單位：cm）

單個標準結構橋墩分別采用預應力混凝土蓋梁、鋼蓋梁（Q420）時下部結構及基礎工程數量見表2所列。

表2 單個橋墩主要工程數量匯總表

該段高架橋梁長約2 km，全線共計50個橋墩，采用預應力混凝土蓋梁及鋼蓋梁方案時造價對比如表3所列。

表3 橋梁總體造價對比表

由以上對比分析可知橋梁造價主要集中于上部結構，下部結構蓋梁在整體造價中所占比例不大，因此采用鋼蓋梁方案橋梁整體造價增加幅度有限——僅約1.6%，但其帶來的其他正向社會效應顯著，在城市發展日趨集中及發達、橋梁預制拼裝施工要求日益強烈的當下，鋼蓋梁將具有強大的競爭力。

4 預應力鋼蓋梁、鋼-混凝土組合蓋梁對比分析

鋼結構的造價相對常規混凝土蓋梁較高，考慮在蓋梁中施加預應力或采用鋼-混凝土組合結構改善結構受力，降低蓋梁用鋼量以降低造價。

4.1 預應力鋼蓋梁分析

根據前文對鋼蓋梁的參數化分析，蓋梁受力受強度控制，考慮在蓋梁頂部施加一定數量預應力，以改善蓋梁受力、降低鋼板應力，從而達到減小鋼板厚度、降低蓋梁用鋼量目的。現選擇采用Q420標準結構鋼蓋梁進行對比分析，預應力采用強度標準值fpk=1 860 MPa的鋼絞線。預應力鋼蓋梁構造如圖10所示。

圖10 預應力鋼蓋梁鋼束布置圖（單位：mm）

施加不同數量預應力鋼束時，蓋梁參數化分析結果見表4所列。

表4 預應力鋼蓋梁截面設計結果匯總表

張拉預應力鋼束后，鋼蓋梁用鋼量及剛度變化與張拉預應力鋼束的關系曲線如圖11所示。

圖11 蓋梁重量、剛度與鋼束數量關系圖

張拉預應力鋼束后可有效地改善蓋梁受力，減小頂板厚度，鋼蓋梁總重量可有一定程度減小，每采用1 t預應力鋼絞線可減少鋼蓋梁重量約3.6 t。但考慮到預應力鋼筋的綜合單價相對鋼結構較高（一般為鋼材的2倍左右），蓋梁造價降低有限，同時增加了一道施工工序，加大了施工難度、延長了施工周期，且蓋梁剛度有一定程度降低，其綜合效益不佳，在標準結構的鋼蓋梁設計中不推薦采用。

4.2 鋼-混凝土組合蓋梁分析

標準結構蓋梁為大懸臂雙柱墩結構，主要承受負彎矩，在蓋梁下緣設置一定厚度的混凝土底板形成鋼-混凝土組合結構，以達到減小鋼板厚度、降低蓋梁用鋼量目的。現選擇采用Q420標準結構蓋梁進行對比分析，混凝土強度等級為C50。鋼-混凝土組合蓋梁構造如圖12所示。

圖12 鋼-混凝土組合蓋梁截面示意圖

鋼-混凝土組合蓋梁分析結果見表5所列。采用鋼-混凝土組合結構可顯著減小鋼結構底板厚度，減少蓋梁鋼材數量，但隨著混凝土材料的使用，蓋梁重量顯著增大，以研究的標準結構蓋梁為例，蓋梁總重由69.6 t增加至101.7 t，會給施工運輸及蓋梁架設帶來一定的困難，但蓋梁的重量仍在常規施工機械的能力范疇內，蓋梁的總體造價相比鋼蓋梁會有所降低，且蓋梁剛度有一定程度增大。工程應用時，可結合實際工程的特點經對比分析后選擇采用鋼蓋梁或鋼-混凝土組合蓋梁。

表5 鋼-混凝土組合蓋梁設計結果對比表

5 結 論

（1）橋梁下部結構的預制施工的優點已在多個工程項目得到實踐驗證，但對于雙向六車道、雙向八車道橋梁其蓋梁重量一般均超過200 t，運輸、吊裝及現場安裝均有一定的困難，給下部結構預制施工的推廣應用帶來了一定的障礙。在此背景下，采用鋼蓋梁可有效減輕蓋梁重量，解決預制混凝土蓋梁的種種問題，為下部結構的預制施工開辟一條嶄新的道路。

（2）鋼蓋梁會引起橋梁造價增加，但橋梁下部結構的蓋梁在整體造價中所占比例不大，橋梁整體造價增加幅度有限。以背景工程為例，采用鋼蓋梁導致橋梁整體造價增加約1.6%。但其將帶來橋梁整體施工工期縮短、大幅度減少橋梁施工時對現場的污染、減少對現狀道路交通的影響等正面社會效應，在城市發展日趨集中及發達、橋梁預制拼裝施工要求日益強烈的當下，鋼蓋梁將具有強大的競爭力。

（3）在鋼蓋梁中施加預應力可減小頂板厚度，減輕蓋梁重量及造價。但考慮到預應力鋼筋的綜合單價相對鋼結構較高（一般為鋼材的2倍左右），蓋梁造價降低有限，同時增加了預應力張拉施工工序，加大了施工難度、延長了施工周期，蓋梁剛度也有所降低，其綜合效益不佳，在標準結構的鋼蓋梁設計中不推薦采用。

（4）采用鋼-混凝土組合結構可顯著減小鋼結構底板厚度，減少蓋梁鋼材數量。但隨著混凝土材料的使用，蓋梁重量顯著增大，以研究的標準結構蓋梁為例，蓋梁總重由69.6 t增加至101.7 t，會給施工運輸及蓋梁架設帶來一定的困難。另方面，蓋梁的重量仍在常規施工機械的能力范疇內，蓋梁的總體造價相比鋼蓋梁會有所降低，且蓋梁剛度有一定程度增大。工程應用時，可結合實際工程的特點經對比分析后選擇采用鋼蓋梁或鋼-混凝土組合蓋梁。