某高速公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及選型研究

葉洪波 YE Hong-bo

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，鄭州 450000）

1 公路橋基本概況

①地質(zhì)概述：本橋梁為高速公路的重要組成部分，橋梁所在橋址的地表覆蓋主要由塊石土構(gòu)成，這些塊石土的厚度介于1.5m 至3m 之間。而其下方的土層則主要由粉土、砂土以及粉質(zhì)粘土等多種土壤類型組成，呈現(xiàn)出復(fù)雜的地質(zhì)特性。

②水文特征分析：本橋梁所在河段的通航水位標(biāo)定為326.473m，該地區(qū)對于防洪標(biāo)準(zhǔn)的要求較高，設(shè)計洪水頻率為百年一遇。

③灘槽分布詳情：橋梁跨越的河段具有明確的灘槽分布。具體而言，左灘寬度為55.3m，主河槽寬度達(dá)到60.35m，右灘的寬度則為53.3m。

2 方案比選簡介

方案比選的主要任務(wù)如下：

項目背景和要求：確定項目的基本背景、目標(biāo)和要求，包括交通需求、荷載要求、使用壽命、施工期限等方面的信息。交通分析：進(jìn)行對交通流量、車型、車速等方面的分析，以確保設(shè)計的橋梁結(jié)構(gòu)滿足實際交通需求。地質(zhì)和地形條件：了解項目所在地區(qū)的地質(zhì)和地形情況，這將影響到橋梁的基礎(chǔ)設(shè)計和結(jié)構(gòu)選擇。荷載分析：根據(jù)當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，進(jìn)行橋梁的荷載分析，包括靜荷載和動荷載。橋型選擇：根據(jù)項目的特點，初步確定適用的橋型，如梁式橋、拱橋、索塔懸索橋等?？紤]橋型的經(jīng)濟(jì)性、施工可行性和技術(shù)可行性。建筑材料：選擇適當(dāng)?shù)慕ㄖ牧?，考慮材料的強(qiáng)度、耐久性、抗腐蝕性等因素。支座類型：考慮使用何種支座類型，以滿足橋梁的變形和伸縮需求。技術(shù)可行性：對初步方案進(jìn)行技術(shù)可行性評估，包括結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、抗震性、施工難度等方面的考慮。經(jīng)濟(jì)可行性：進(jìn)行初步的經(jīng)濟(jì)評估，考慮建設(shè)成本、維護(hù)成本、使用壽命等方面的因素。社會和環(huán)境因素：考慮橋梁設(shè)計對周邊社區(qū)和自然環(huán)境的影響，確保設(shè)計符合可持續(xù)發(fā)展的原則。初步預(yù)算：估算每個方案的初步建設(shè)成本，以便在后續(xù)的比選中考慮經(jīng)濟(jì)性。初步方案報告：撰寫初步方案報告，詳細(xì)描述每個設(shè)計方案的關(guān)鍵特點、優(yōu)劣勢和技術(shù)參數(shù)，以便進(jìn)行后續(xù)的評審和比選。

項目方案的確定需要經(jīng)過嚴(yán)格的評選和比較，要考慮包括上述指標(biāo)在內(nèi)的各種指標(biāo)規(guī)范，經(jīng)過對各方案指標(biāo)的比選確定一個技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的方案。依據(jù)橋梁設(shè)計準(zhǔn)則，一個優(yōu)秀的方案應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)造價低廉、材料節(jié)約、勞動力投入少且橋型美觀。然而，在技術(shù)要素或使用性質(zhì)有特殊要求的情況下需要結(jié)合特殊要求以能到達(dá)特殊要求指標(biāo)后再考慮其他指標(biāo)，需特別關(guān)注設(shè)計的核心要點。技術(shù)的提升通常伴隨著造價的增加，各要素間相互制約，因此，在方案對比時，必須根據(jù)任務(wù)要求、地形資料及施工條件，明確關(guān)鍵問題，區(qū)分主次，以進(jìn)行全面評估。

3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)設(shè)計要求，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

①設(shè)計荷載：一級公路，雙向六車道。

②設(shè)計車速：80km/h。

③橋面寬度：雙幅分離式，每幅橋?qū)?7.5m：0.5m 防撞欄＋2m 人行道＋2.5m 右路肩＋11.25m 行車道＋0.75m 左路肩＋0.5m 防撞欄，兩幅橋之間間距0.5m。

④橋面坡度：縱坡3%，橫坡1.5%。

⑤通航標(biāo)準(zhǔn)：Ⅲ級航道，雙向通航孔，凈高H 為10m，凈寬B 為60m，上底寬b 為45m，側(cè)高h(yuǎn) 為6m，通航水位為326.473m。

⑥設(shè)計洪水頻率：按百年一遇洪水頻率，設(shè)計水位為337.765m。

⑦設(shè)計基準(zhǔn)期：100 年。

4 方案比選

4.1 方案一：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋

該方案設(shè)計的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，總跨徑達(dá)到199.0m，由三個跨段組成，分別為52m、95m 和52m，整體橋型布局可參見圖1。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋布置示意圖

方案的核心構(gòu)造包括：主橋上部結(jié)構(gòu)采用（52m+95m+52m）的預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，這種設(shè)計能夠提升橋梁的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。墩梁部分通過固結(jié)方式連接，增強(qiáng)了橋梁的整體性。箱梁截面設(shè)計獨特，按照1.8次拋物線的規(guī)律變化，以實現(xiàn)力學(xué)性能的優(yōu)化。主梁截面被設(shè)計為雙幅單箱單室箱梁結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在提高橋梁剛度的同時，也優(yōu)化了橋梁的空間利用率。至于橋梁的下部結(jié)構(gòu)，則選用了雙肢薄壁墩與鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)的組合。

4.1.1橫截面尺寸擬定

跨中截面的詳細(xì)參數(shù)如下：箱梁高度設(shè)計為2.5m，頂板寬度達(dá)12m，底板寬度為6.4m。頂板厚度為40cm，底板厚度為32cm，而腹板的厚度則設(shè)定為50cm。此外，橋面特別設(shè)置了1.5%的單向橫坡。

對于支點截面，其箱梁高度增至6.0m，以增強(qiáng)支撐穩(wěn)定性。頂板寬度和底板寬度與跨中截面保持一致，分別為12m 和6.4m。頂板厚度仍為40cm，但底板厚度增加至100cm，腹板厚度也相應(yīng)增至75cm，以提供更強(qiáng)大的支撐力。同樣，橋面也設(shè)置了1.5%的單向橫坡。

4.1.2基礎(chǔ)

主橋橋墩設(shè)計為雙肢薄壁墩結(jié)構(gòu)，其橫橋方向?qū)挾染_至6.4m，每個單薄壁的厚度為2m，這種設(shè)計旨在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化和優(yōu)化承載能力。承臺部分則選用了尺寸為12m×12m×4m 的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以確保穩(wěn)固的支撐力。橋梁的基礎(chǔ)設(shè)計為群樁基礎(chǔ)，特別采用的是嵌巖樁，其樁徑為1.7m。

4.2 方案二：下承式系桿拱橋

其核心設(shè)計特點在于主跨達(dá)到100m，并具備20m 的矢高，總跨徑為100m，詳細(xì)的橋型布置可參考圖2。

圖2 下承式系桿拱橋布置示意圖

此方案由以下要素構(gòu)成：主拱圈設(shè)計為鋼箱截面，高度設(shè)定為2.0m，并且主拱圈是采用拼裝方式構(gòu)建；拱上建筑橋面系統(tǒng)則選擇雙幅整體式橋面設(shè)計。在橫截面尺寸的規(guī)劃上，單個拱肋的高度為2.0m，寬度為1.5m。橋梁的下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)選用了群樁基礎(chǔ)，以增強(qiáng)穩(wěn)定性。橋面特別設(shè)計了1.5%的單向橫坡，以提升排水效率和行車安全。主梁的施工方法采用的是纜索吊裝施工，這種方法在確保施工質(zhì)量的同時，也能有效提升施工效率。

4.3 方案三：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋

其總跨徑達(dá)到199.0m，具體分布為52m、95m 和52m三個跨段，整體橋型布局可參考附圖3。

圖3 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋布置示意圖

本方案主要由以下要素構(gòu)成：主橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，其跨徑組合為52m+95m+52m。箱梁截面根據(jù)1.8 次拋物線的規(guī)律變化，以實現(xiàn)最佳的結(jié)構(gòu)性能和承載能力。主梁截面則采用雙幅單箱單室的設(shè)計，旨在提高橋梁的剛度和空間利用率。橋梁的下部結(jié)構(gòu)采用箱型空心墩與鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)的組合，旨在為橋梁提供穩(wěn)固的支撐。

4.3.1橫截面尺寸擬定

跨中截面與支點截面的詳細(xì)參數(shù)如下：在跨中位置，箱梁的高度設(shè)定為2.5m，頂板寬度達(dá)到12m，為車輛通行提供充足空間。底板寬度為6.4m，確保了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。頂板、底板和腹板的厚度分別為40cm、32cm 和50cm，這些尺寸均經(jīng)過精心計算，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求。同時，橋面特別設(shè)計了1.5%的單向橫坡，以提升排水效率和行車安全性。在支點截面位置，箱梁高度增加至6.0m，頂板寬度為12m，底板寬度設(shè)計為6.4m，頂板厚度為40cm，底板厚度增加至100cm，腹板厚度也相應(yīng)增至75cm，從而確保支點處的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。

4.3.2基礎(chǔ)

采用箱型空心墩作為主橋橋墩設(shè)計，其橫橋方向?qū)挾葹?.4m，順橋方向?qū)挾葹?.5m，壁厚為0.8m。承臺部分選用了12m×12m×4m 的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。橋梁的基礎(chǔ)設(shè)計仍然為群樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)設(shè)計采用的是嵌巖樁，樁徑為1.7m，以確保橋梁的長期穩(wěn)定性和安全性。

5 橋型方案比較

三種橋型設(shè)計方案的具體參數(shù)比較如表1 所示。

表1 三種橋型方案比較

①從實用性角度來看，連續(xù)梁橋與連續(xù)剛構(gòu)橋在行車方面展現(xiàn)出顯著的平順性、通暢性和安全性，充分滿足了現(xiàn)代交通運輸?shù)男枨蟆＿@兩種橋型的施工技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，能夠有效保證工程質(zhì)量。同時，它們提供的橋下凈空較大，非常有利于泄洪。相比之下，下承式系桿拱橋由于屬于有推力體系，對地基條件有較高要求，導(dǎo)致其每百米的造價相對較高。②在經(jīng)濟(jì)性評估中，發(fā)現(xiàn)連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋在造價上均低于拱橋，顯示出更優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性。這使得連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋在橋型比選中占據(jù)有利地位。③從安全角度考慮，連續(xù)剛構(gòu)橋的經(jīng)濟(jì)跨徑與合理的受力設(shè)計較好。④在美觀方面，連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩固結(jié)設(shè)計給人一種穩(wěn)固的安全感，為人們提供了良好的視覺效果。⑤就工期而言，采用的懸臂施工方法允許在多個橋墩上同時進(jìn)行作業(yè)，且不會相互干擾，從而顯著縮短了整體施工周期。綜合以上各方面比選，方案1 的連續(xù)剛構(gòu)橋和方案3 的連續(xù)梁橋均表現(xiàn)出較高的適應(yīng)性，因此下文將進(jìn)一步從工程造價角度對兩者進(jìn)行詳細(xì)比較。

6 基于價值工程的造價比選

針對上述選出的兩種橋型的工程造價進(jìn)行選擇，主要對關(guān)鍵工藝和設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化比選。具體步驟如下：

6.1 確定比選對象

采用價值工程方法進(jìn)行方案選擇，不僅關(guān)注工程造價的降低，更注重提升工程功能與造價之間的比值，尋求功能與成本的最佳平衡點，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)且經(jīng)濟(jì)的建設(shè)目標(biāo)。為此，選定上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)工程作為關(guān)鍵比選對象。

6.2 資料收集

系統(tǒng)地收集了方案1 和方案3 中關(guān)于上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)工程的設(shè)計文件及預(yù)算資料，以便進(jìn)行詳細(xì)的比較分析。

6.3 功能分析與重要性評估

對于本跨河大橋的設(shè)計方案，將其功能明確定義為滿足特定的交通需求和安全標(biāo)準(zhǔn)。將這些功能細(xì)分為基礎(chǔ)、下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)三個主要部分。鑒于橋梁的整體性和安全性要求，這三部分均被視為同等重要，詳細(xì)評估如表2 所示。

表2 功能劃分表及功能比重表

基于上述功能區(qū)域的劃分，本研究選擇了使用要求、結(jié)構(gòu)安全、施工工藝以及美觀作為核心評價指標(biāo)，并制定了詳細(xì)的評價表（如表3 所示）。通過采納專家意見，為這四個指標(biāo)分別賦予了相應(yīng)的權(quán)重：使用要求占0.45，結(jié)構(gòu)安全占0.40，施工工藝占0.10，美觀占0.05。為對這些指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)的分析對比，本研究采用了德爾菲評價法，并設(shè)定了評分等級：1 代表“不好”，3 代表“同等”，5 代表“好”。

表3 功能指標(biāo)評比表

根據(jù)表2 的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，可得出以下結(jié)果：

方案1 的加權(quán)得分為9×0.45＋11×0.4＋7×0.1＋9×0.05=9.6，其功能評價系數(shù)（即得分與總分值的比例）為0.5333。

方案3 的加權(quán)得分為9×0.45＋7×0.4＋11×0.1＋9×0.05=8.4，其功能評價系數(shù)（即得分與總分值的比例）為0.4667。

6.4 方案設(shè)計與評價

根據(jù)表4 的詳細(xì)數(shù)據(jù)分析，可發(fā)現(xiàn)方案3 呈現(xiàn)出最高的價值系數(shù)，因此，推薦采用方案3 作為本次建設(shè)的首選方案。

表4 各方案價值系數(shù)計算

通過深入的基礎(chǔ)資料研究和比對，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在滿足預(yù)定功能需求的前提下，通過調(diào)整基礎(chǔ)樁身的長度和樁徑，可以實現(xiàn)顯著的成本節(jié)約。具體來說，預(yù)計能節(jié)省造價4680120 元，其中基礎(chǔ)混凝土成本可減少4273440 元，基礎(chǔ)鋼筋成本可降低866695 元。此外，下部結(jié)構(gòu)混凝土的節(jié)省額度為287143 元，而下部結(jié)構(gòu)鋼筋的成本則可大幅減少14250769 元。對于上部結(jié)構(gòu)，預(yù)計混凝土成本能節(jié)約2692 元，鋼筋成本則可節(jié)省高達(dá)7224618 元。這些調(diào)整不僅顯著降低了總體建設(shè)成本，同時還能確保項目的使用功能不受影響。

7 結(jié)論

在安全性方面，三種方案均能滿足行車和通航的安全標(biāo)準(zhǔn)，但預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在施工技術(shù)上更為成熟，從而提供了更高的施工安全性能。從功能性角度看，連續(xù)梁橋提供了優(yōu)越的行車條件，路面平順且承載能力強(qiáng)。從經(jīng)濟(jì)性角度分析，連續(xù)梁橋在設(shè)備使用和鋼材消耗上均相對較少，因此造價較低。鑒于橋梁比選的首要標(biāo)準(zhǔn)是安全性和經(jīng)濟(jì)性，因此，選擇預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，盡管其外觀不如拱橋優(yōu)越，但在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面表現(xiàn)更優(yōu)。