關(guān)于市政常用跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

王梅俊

（杭州交投二航院設(shè)計咨詢有限公司，浙江 杭州 310024）

0 引言

隨著我國社會市場經(jīng)濟的快速發(fā)展，各地區(qū)城市建設(shè)進程逐漸加快，城市路橋工程規(guī)模日益擴大，建設(shè)標準愈發(fā)完善，如何進一步落實建設(shè)標準，確保市政常用跨徑橋梁工程建設(shè)效果與質(zhì)量，是需要重點思考的問題。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要部分，也是影響后期橋梁運行能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。開展上部結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)當以市政橋梁跨徑數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合橋梁的形式，分別開展截面形式、截面結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)、拼縫結(jié)構(gòu)等各方面的設(shè)計，在優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時保證其與整體結(jié)構(gòu)相契合，確保市政橋梁工程建設(shè)質(zhì)量符合預期，充分體現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要價值。

1 市政常用跨徑橋梁工程

“YG橋梁工程”位于現(xiàn)狀內(nèi)線龍陽路立交范圍之內(nèi)，最初建設(shè)竣工于20世紀90年代初期，當時的橋梁結(jié)構(gòu)采用的是分幅式設(shè)計。橋梁全長約為1205m，拼接寬度約為2～3m，計劃由現(xiàn)狀的雙向四車道調(diào)整為雙向六車道，改造橋梁上部結(jié)構(gòu)，提升橋梁運行水平。根據(jù)“YG橋梁工程”的實際情況，東半幅橋梁寬度為9～18m，南北由3條車道分流，形成2條直行車道、1條匝道；西半幅橋梁寬度約為12.5m，北向南為3車道，是由2條直行車道、1條輔助車道構(gòu)成。目前橋梁出現(xiàn)左右幅橋面標高不一致，表面出現(xiàn)明顯伸縮縫錯位的情況。橋梁上部結(jié)構(gòu)形式多樣，包括簡支變連續(xù)空心梁板、簡支空心梁板、現(xiàn)澆混凝土梁等，下半部分結(jié)構(gòu)為T蓋梁，東西兩幅橋梁的下半部分也出現(xiàn)了位置錯位。

根據(jù)這種情況，“YG橋梁工程”施工的目的是改善當前的錯位情況，優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計人員應(yīng)當按照工程實際情況，對存在錯位、標高不一致的位置進行調(diào)整，兼顧橋梁整體結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)與截面細節(jié)，最終提升橋梁整體水平，完成該次橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標。

2 市政常用跨徑橋梁的截面形式

根據(jù)“YG橋梁工程”的實際情況，可以看出橋梁屬于梁式橋。在各城市的市政橋梁工程中，梁式橋結(jié)構(gòu)也是較為常見的結(jié)構(gòu)體系。因此，以實際情況概況為依據(jù)，以梁式橋結(jié)構(gòu)為對象，進行研究與分析。橋梁截面是橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要構(gòu)成，設(shè)計內(nèi)容包括：主梁截面形式、主梁間距數(shù)據(jù)、截面各部分的尺寸參數(shù)、橫截面布置形式等。

橋梁截面形式受到多種因素影響，與橋梁的立面建筑高度、施工工藝、建設(shè)材料均有一定關(guān)聯(lián)。在橋梁的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中，確定截面形式不僅需要考慮橋梁的結(jié)構(gòu)，更需要考慮橋梁的跨徑數(shù)據(jù)，保證主梁具備足夠的抗彎與抗剪能力，橋梁上部結(jié)構(gòu)的抗扭能力滿足地方建設(shè)標準。

目前來說，梁式橋結(jié)構(gòu)的橋梁截面形式包括板式、梁肋式、箱型3種，其中板式又可以細分為實心板、空心板。實心板截面形式的形態(tài)簡單、施工便捷，整體剛度較大，但是在施工時需要設(shè)置模板結(jié)構(gòu)、支架結(jié)構(gòu)，以現(xiàn)澆混凝土工藝輔助，存在自重大的特點；空心板則是為了減輕板式橫截面結(jié)構(gòu)自重，簡化現(xiàn)場澆筑工藝過程。在“YG橋梁工程”中，對橋梁跨徑較小的部分使用這一形式[1]。

梁肋式截面以T形截面為主，頂板寬翼緣受壓，設(shè)計人員需根據(jù)橋梁的實際情況布置足夠多的鋼筋，提升橋梁截面的受正彎矩的能力。該工程中存在部分簡支梁式結(jié)構(gòu)，跨徑為13～50m，可以將該橫截面布置為橋T梁形。

在市政橋梁工程中，常見的幾種截面形式各有不同，均有自己的特點，設(shè)計人員選擇截面形式，應(yīng)當充分考慮橋梁工程的實際情況，考慮橋梁整體結(jié)構(gòu)的需求；更需要考慮橋梁的使用性能、抗彎抗剪承載力需求。比如，在“YG橋梁工程”中，通過設(shè)置T梁式截面與空心板式截面，降低橋梁上部結(jié)構(gòu)自重，提升橋梁的抗扭性能。

3 市政常用跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思路

“YG橋梁工程”位于現(xiàn)狀道路之上，處于道路曲線段，主體結(jié)構(gòu)形式多樣，部分位置的兩幅橋跨徑不一致，墩臺交錯布置。原本的老橋采用的是以直代曲形式，導致橋梁結(jié)構(gòu)的邊線參差不齊。因此，在“YG橋梁工程”的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)當充分考慮新建工程部分、改造部分與現(xiàn)狀老橋部分的適應(yīng)性與匹配度，考慮橋梁工程施工的可能性與便捷性。若上部結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁一類的預制結(jié)構(gòu)，就容易出現(xiàn)測量誤差，導致工廠內(nèi)預制的上半部解耦股與現(xiàn)場吊裝的實際情況不匹配，影響橋梁吊裝，造成資源浪費。

綜合考慮多種情況，對“YG橋梁工程”上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)當采取多樣化的思路。

其一，在K1—K6跨、K9—K12跨位置，以現(xiàn)澆箱梁形式進行拼橋，設(shè)計現(xiàn)澆箱梁的梁寬2.0m，高1m，讓梁的寬度與高度同原本橋梁對齊。設(shè)計人員應(yīng)當考慮工程現(xiàn)場的實際情況，現(xiàn)場吊裝時可能遇到的空間局限情況、周圍障礙物情況等，合理設(shè)計箱梁斷面懸臂的寬度，促使上部結(jié)構(gòu)與老橋結(jié)構(gòu)有效銜接。設(shè)計人員考慮現(xiàn)場空間局促，容易出現(xiàn)預應(yīng)力張拉空間不足的情況，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)澆箱梁的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化計算，調(diào)整細節(jié)參數(shù)，從而保證這一部分結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性滿足建設(shè)要求。

其二，在K8、K9兩跨位置，根據(jù)其需要跨越現(xiàn)狀龍陽路，并且受龍陽路地面道路凈空限制等情況進行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于這一部分的上部結(jié)構(gòu)不具備搭設(shè)支架、現(xiàn)場澆筑的條件，設(shè)計人員設(shè)計上部為預制鋼結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場吊裝工藝。設(shè)計鋼箱梁的梁寬度24m，高0.9m，設(shè)計兩側(cè)懸臂。

在“YG橋梁工程”上部結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，應(yīng)當明確以下注意事項：

其一，市政橋梁日常使用頻率較高，需要承受較大的外部作用力。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)當認真分析外部作用力，采取提升市政常用跨徑橋梁的強度等方式應(yīng)對外部作用力，避免上部結(jié)構(gòu)的承受力較弱，影響橋梁使用質(zhì)量。

其二，設(shè)計人員應(yīng)當從工程實際情況出發(fā)，選擇最優(yōu)設(shè)計方案，盡可能化繁為簡，提升“YG橋梁工程”橋梁上部結(jié)構(gòu)的科學性。

其三，在設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)當充分考慮材料、結(jié)構(gòu)幾何特性、承載能力需求，綜合多個要素，確保設(shè)計效果。

4 市政常用跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法

4.1 整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

市政常用跨徑橋梁的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計無法脫離橋梁整體結(jié)構(gòu)，可以說，整體結(jié)構(gòu)是上部結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。設(shè)計人員先進行整體結(jié)構(gòu)的選擇與規(guī)劃，確定整體結(jié)構(gòu)方向之后，再進行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計，細化上部結(jié)構(gòu)，選擇合適的梁、截面形式與拼接方式，確保上部結(jié)構(gòu)符合橋梁工程的整體需求，與整體結(jié)構(gòu)相契合，有效提升橋梁的承載能力與運行服務(wù)能力。在“YG橋梁工程”的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)當先立足整體，開展整體結(jié)構(gòu)的計算，既是為上部結(jié)構(gòu)選擇奠定方向，也是為之后上部結(jié)構(gòu)參數(shù)計算提供依據(jù)[2]。設(shè)計人員可以采用“橋梁博士V4.3”軟件進行橋梁的橫向分布計算，根據(jù)主梁的數(shù)量進行計算，得到結(jié)果。之后根據(jù)計算結(jié)果，考慮主梁的通用性，對不利斷面的工況進行計算與分析，得到橫向分布系數(shù)。設(shè)計人員繼續(xù)使用Midas2020軟件進行有限元分析，按照預應(yīng)力混凝土構(gòu)件類別控制預應(yīng)力，優(yōu)化預應(yīng)力的鋼筋布置。

通過這一環(huán)節(jié)的計算與分析，設(shè)計人員應(yīng)當考慮主梁混凝土上下緣之間的應(yīng)力儲備，預留一定的儲備，滿足上部結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)的銜接需求，提升“YG橋梁工程”橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性與安全性。

4.2 上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件布置優(yōu)化

根據(jù)“YG橋梁工程”的實際情況，結(jié)合上述的設(shè)計思路，開展上部結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計人員分別從主梁間距、主梁跨中截面規(guī)格、截面變化、橫隔梁設(shè)計等角度入手，通過以下幾個構(gòu)件的設(shè)計提升上部結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。

其一，優(yōu)化設(shè)計主梁間距，合理選擇片數(shù)。一般來說，主梁的間距受到橋梁的梁高、跨徑參數(shù)影響，隨著跨徑增加而增加。因此，在條件允許的情況之下，應(yīng)當適當加寬T梁的梁翼板。設(shè)計人員根據(jù)交通運輸部頒布的橋梁標準圖與標準規(guī)范、該工程的跨徑數(shù)據(jù)，確定主梁間距為1.6m，設(shè)計主梁片數(shù)為5片。

其二，設(shè)計主梁的截面規(guī)格。主梁的截面規(guī)格主要是主梁的高度、橫截面細部尺寸。其中，主梁的高度與橋梁的跨徑應(yīng)當按照1∶18進行設(shè)計。在該工程部分建筑高度不受限時，可以適當增加梁高，減少鋼束的使用數(shù)量，或者在不增加混凝土用量的基礎(chǔ)上加高腹板高度，從而獲取更多的經(jīng)濟效益[3]。對于主梁的橫截面細部尺寸，設(shè)計人員應(yīng)當根據(jù)橋梁面板承受車輪局部荷載的數(shù)據(jù)進行設(shè)計，控制T梁翼板的厚度。設(shè)計人員應(yīng)當根據(jù)孔管構(gòu)造決定腹板厚度，根據(jù)預應(yīng)力鋼束的布置情況調(diào)整馬蹄尺寸。

其三，橫截面沿跨長度的變化。對于橫截面沿跨長度的變化方面，設(shè)計人員應(yīng)當加強對梁端部的集中控制，根據(jù)現(xiàn)場情況合理設(shè)計錨具的使用。對兩段一倍梁高范圍內(nèi)的腹板厚度進行設(shè)計，適當增加腹板厚度，促使其與馬蹄同寬。

其四，設(shè)計橫隔梁。橋梁的荷載作用按照主梁彎矩橫向分布，設(shè)計人員應(yīng)當在此處設(shè)置橫隔梁，促使主梁彎矩更加均勻。

在上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計與布置環(huán)節(jié)，設(shè)計人員還應(yīng)當優(yōu)化調(diào)整設(shè)計參數(shù)、設(shè)計變量，以此確保橋梁上部結(jié)構(gòu)的各項參數(shù)科學合理，保證“YG橋梁工程”上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]。在參數(shù)設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)當結(jié)合設(shè)計變量、約束條件、目標函數(shù)等主要因素進行設(shè)計，以設(shè)計變量的目標函數(shù)值優(yōu)化參數(shù)，將實際工程的約束條件融入設(shè)計變量。同時，應(yīng)當遵循限制應(yīng)力的要求，利用結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)方程式、靜力分析平衡方程式等進行優(yōu)化設(shè)計，進一步提升參數(shù)的精準性。

4.3 橫截面形式的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)分析“YG橋梁工程”的上部結(jié)構(gòu)橫截面形式，設(shè)計人員應(yīng)當重點關(guān)注橫截面形式的設(shè)計，在遵循多樣化設(shè)計理念的基礎(chǔ)上，進一步細化橫截面尺寸參數(shù)，確保各項指標參數(shù)滿足標準要求?！癥G橋梁工程”橋梁跨徑為市政常用跨徑，此類跨徑的橋梁具有橫截面寬度大，承重能力強的特點。根據(jù)以往的市政常用跨徑橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗，上部結(jié)構(gòu)的橫截面設(shè)計存在較多的細節(jié)，如橫截面形式選擇、懸臂設(shè)計等。細節(jié)設(shè)計會影響橋梁上部結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，若細節(jié)設(shè)計不合理，很容易引起安全隱患，影響市政橋梁的后期使用。

設(shè)計人員應(yīng)當不斷優(yōu)化橋梁的橫截面形式，根據(jù)工程實際情況，結(jié)合橋梁的跨徑參數(shù)、整體承載力、水平應(yīng)力等進行設(shè)計。在“YG橋梁工程”中，設(shè)計人員按照多元化思想，根據(jù)橋梁不同位置的跨徑情況、現(xiàn)場空間情況，靈活使用空心板式、簡支T梁式作為截面形式，從而保證橋梁后期的使用效果。設(shè)計人員根據(jù)跨徑的實際尺寸、正負彎矩絕對值等參數(shù)，設(shè)計梁肋式橫截面跨徑數(shù)據(jù)在20～50cm之間；考慮正負彎矩絕對值的情況，在上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上適當加寬，調(diào)整T形截面細節(jié)，從而獲取良好的設(shè)計效果[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，橋梁是城市市政交通服務(wù)體系的重要構(gòu)成部分，對市政常用橋梁進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，是確保橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、提升橋梁通行服務(wù)能力與周期的主要方法。以某市政橋梁工程為例，對市政常用跨徑的橋梁截面形式、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計進行深入探索，可以發(fā)現(xiàn)，上部結(jié)構(gòu)是橋梁通行服務(wù)能力與交通安全性的重要保障。設(shè)計人員應(yīng)當根據(jù)工程實際情況，嚴格按照地方規(guī)定要求，結(jié)合市政橋梁的跨徑與整體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)，調(diào)整細節(jié)參數(shù)，尤其要提升橫截面形式與拼縫處理部分的設(shè)計水平，從而有效強化橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。