山区高速公路上部结构选型及经济比选

山区高速公路上部结构选型及经济比选
发表时间：2019-04-28T15:24:45.500Z 来源：《防护工程》2019年第1期作者：王雪锋程斌
[导读] 不适宜大面积采用；对于地形复杂、预制场设置困难、跨越重要道路、互通区高墩小半径桥梁可优先采用钢结构桥梁方案。

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摘要：桥梁上部结构的选型对高速公路的整体造价影响较大，合理的上构选型对提高施工以及后期养护的便利性意义深远。

本文从山区高速公路桥梁上部结构的选型出发，对常规跨径下的不同类型的预制、钢结构上构等方案进行经济性、施工便利性分析，得出各种类型上构的适用条件，对山区高速公路上部结构的设计和施工有一定的借鉴意义。

关键词：高速公路，上部结构，钢结构
1 引言
随着我国国力的迅速提升，我国的高速公路建设取得了快速发展，各种复杂地形、地质、水文条件下修建的高速公路代表着我国公路建设事业所取得的非凡成就。

目前我国高速公路桥梁的常规跨径一般在20-40m，上部结构一般以预制混凝土上构为主，部分采用钢结构上构。

山区高速公路桥隧比一般较高，桥梁规模较大，施工周期长，桥梁上部结构的选择对项目整体造价、施工、养护便利性等影响较大，因此对山区高速公路上部结构进行合理的选型具有重要的实践意义。

2 预制混凝土上部结构综合比选
山区高速公路桥梁跨径的选择除一般的经济跨径论证外，还需结合实际桥位处的施工、后期养护等条件进行综合的分析论证。

同一路段的常规桥梁，尽量采用一种或几种相同的结构形式，以方便施工。

我国高速公路桥梁预制混凝土上部结构的主要形式有三种：空心板、小箱梁、T梁[1]。

空心板梁由于铰缝位置处横向传力性能较弱，车辆荷载作用下，铰缝位置极易产生病害，甚至出现“单板”受力的情况出现[2]，在实际项目中采用空心板的桥梁越来越少，广东地区新建项目基本已不采用这种上构形式，本文重点对小箱梁、T梁这两种上构形式进行综合分析。

常规桥梁预制上部结构梁板一般考虑采用用集中预制、现场安装施工，除特殊桥梁外，常规桥梁上部结构形式的选用原则如下：（1）不受地形、地物限制的常规桥梁：采用20m、25m、30m、40m装配式预应力混凝土小箱梁或T梁。

（2）跨河、跨路、陡坡桥梁则根据实际跨越需求及施工条件灵活选用大跨刚构、现浇箱梁、预制小箱梁或T梁。

针对对相同跨径不同类型的预制上部构造进行经济比选，比选情况如下表所示。

表1 常用跨径上部构造数量、经济指标对比表
从跨越能力、适用角度、经济指标、受力性能、施工工艺、使用性能等方面对T梁、小箱梁进行进一步分析，如下表所示：
表2 预制桥梁上构综合比较表
由以上比较可知，相同跨径下小箱梁均比T梁经济，同时小箱梁结构较低，采用闭口截面横向抗扭刚度较大，外型较为美观，但吊装重量较同跨径T梁吊装重量大，施工场地及设备的要求较T梁高。

一般20-30m跨径采用经济性较好的小箱梁，30-40m跨采用吊装重量较小、方便高墩固结的T梁。

3 混凝土、钢结构上部结构综合比选
在我国公路桥梁建设中，中小跨径桥梁混凝土结构应用占绝大多数比例，由于历史上钢材供应紧缺、钢结构加工能力不足等原因钢结构桥梁应用很少。

随着国家经济的发展、钢材产量的不断增加以及绿色环保的建筑理念逐渐深入人心，在国家“调结构、去产能”的宏观经济政策背景下，推广钢结构成为行业发展的新要求。

因此，有必要对混凝土结构与钢结构进行经济技术等综合指标的对比。

3.1 钢桥结构型式的选择
桥梁钢结构的主要类型有钢桁架梁、钢-混组合梁、钢箱梁和钢-混混合梁等四种，其中钢-混混合梁一般适用于大跨度桥梁，基本不用于常规跨径桥梁。

钢箱梁整体用钢量较大，整体的经济性指标明显高于普通钢筋混凝土结构，一般用于工期要求高、落地支架搭设困难的市政项目以及大跨索结构的桥梁中。

钢桁架梁由于杆件众多，现场拼接施工对施工精度要求较高，不适用于高速公路这种大规模、大体量的应用。

钢-混凝土组合结构桥梁，可适当降低用钢量，减少工程造价，同时具有优良的受力性，经优化设计，可适用于高墩桥梁施工建设。

因此，在当前条件下，对钢-混凝土组合结构桥梁在常规跨径桥梁中的推广应用研究，是非常必要的，具有重要的现实意义。

我国已建的20-60米的中小跨度钢桥，广泛采用钢-混组合梁桥，钢箱梁桥、钢桁梁桥应用很少。

钢-混凝土梁使两种材料组合后结构的整体工作性能明显优于二者性能的简单叠加，可充分发挥钢和混凝土两种材料的优点，具有一定的经济技术优势。

本文对钢-混组合梁和常规预制梁进行经济技术综合对比分析。

3.2 钢-混凝土组合结构型式的选择
本项目常规大中桥梁根据桥梁高跨比基本确定为20m、25m、30m和40m桥梁跨径。

对于不同墩高、不同跨径、不同桥型应进行综合比选论证，最终选定最合理的墩高、跨径及梁型选择。

下部及附属结构利用其结构所受力学性能，均利用混凝土结构的抗压能力强、宜成型等特点，采取混凝土结构。

根据钢梁的形状划分，钢混组合梁的基本类型有钢板梁、钢箱梁两种。

钢板梁-混组合梁一般采用工字钢断面，横向采用横隔板连接，构造简单，一般用于30米以下跨径。

钢箱梁-混组合梁采用箱型断面，箱体之间采用横隔板连接，结构性能较优，但结构高度由于检修的需要一般较高，适用于30米以上跨径。

根据上述分析，对20、25m米跨径钢桥推荐采用混凝土-工字钢截面，30米及以上跨径钢桥推荐采用混凝土-钢箱梁截面。

图2 30m、40m混凝土-钢箱组合梁断面
3.3 混凝土、钢结构上构综合比选
采用六车道高速公路（桥跨16.5m）20m小箱梁、25m小箱梁、30mT、40mT梁与钢-混凝土组合桥相对比，4跨一联时，对于20m、25m、30m、40m跨径上、下部结构材料数量比较情况分别列入下表。

表3 20m、25m跨小箱梁与钢混组合梁经济比较表
表4 30m、40m跨T梁与钢-混组合梁经济比较表
综合以上20m、25m、30m、40m跨径技术经济指标比较结果，钢-混组合桥梁相比预应力混凝土预制梁桥，上部结构建安费增幅57%-84%，下部结构减少7%-17%，桥梁建安费增幅为23%-42%。

由于山区高速公路桥梁工程规模大，大量采用钢箱梁或钢-混组合梁桥对控制工程总投资不利，山区高速公路常规桥梁采用混凝土桥梁方案较为合适。

但在以下几种条件下可优先考虑采用钢结构桥梁：
（1）地形条件复杂、预制梁场设置困难的区域；
（2）跨越国省道干线公路的大跨径桥梁、对工期要求高的桥梁和跨越既有高速公路、铁路的桥梁；（3）互通区的高墩小半径桥梁，采用钢结构桥梁可避免搭设高支架。

钢桥的推广建设，从材料的结构特性上，存在以下需要特别关注的问题：
（1）需要切实关注火患防控问题。

随着全社会运输量的迅速增长，公路钢桥上通行的油罐车、大货车都可能是潜在的火源，并且桥下火患事故也存在诸多不可控因素。

由于钢材外露，一旦发生火灾，在高温作用下，钢材的刚度迅速下降，承载能力也随着温度的升高而迅速下降，需引起注意;
（2）需要加强结构抗疲劳性能和构造设计。

疲劳问题是钢结构桥梁需要着重关注的问题之一，在交变荷载的作用下钢结构极易产生疲劳裂纹，严重影响桥梁使用寿命；
（3）加强后期养护。

结语：山区高速公路由于桥梁规模较大，上部结构的合理选型对整体造价影响较大；一般20-30m跨径采用经济性较好的小箱梁形式，30-40m跨采用吊装重量较小、方便高墩固结的T梁；现阶段钢-混组合桥梁的经济性指标要差于混凝土桥梁，常规20m-40m的常规跨径范围内钢-混组合梁的造价较后者增加约23%-42%，不适宜大面积采用；对于地形复杂、预制场设置困难、跨越重要道路、互通区高墩小半径桥梁可优先采用钢结构桥梁方案。

参考文献：
[1]齐景伟.山区高速公路常规跨径桥梁上部结构设计问题探讨[J].北方交通,2018(5):74-76.
[2]刘华庆.空心板铰缝病害分析及其技术改造[J].公路交通科技(应用技术版)，2018(8):219-220.。