大跨寬幅波形腹板鋼箱組合梁橋方案比選

李秋 林杰

摘 要：荊江大橋為武松高速上跨越長江干堤的大型橋梁，其主跨跨徑為120 m，單幅寬度為20.5 m，為典型的大跨寬幅橋梁。從結構受力特點、設計施工難度、工程經濟成本等多方面，對比預應力混凝土連續梁橋方案與波形腹板鋼箱組合梁方案的優劣性，得出波形腹板鋼箱組合梁方案具有一定的優勢，此結構將常規混凝土箱梁腹板及底板替換為鋼結構，形成鋼底板+波形鋼腹板+砼頂板的組合箱梁結構，主梁自重可減小約30%，從而使得橋墩及樁基的工程量有所減少，并從根本上解決了大跨寬幅橋梁腹板及底板后期開裂的問題。

關鍵詞：大跨;寬幅;波形鋼腹板;組合梁

中圖分類號：U442.55 文獻標識碼：A

1 工程背景

武漢至松滋高速公路江陵至松滋段位于荊州市的南部，荊江大橋為武松高速上跨越長江堤防荊江大堤的一座大跨橋梁。橋址區屬于沖洪積平原地貌，地形平坦開闊，區內沖積物鉆孔揭露厚度較大，小麥、水稻、油菜等農作物發育。

路線平面與荊江大堤夾角約73.3度，橋梁位于整體式路基段，雙向八車道。橋位區橋梁設計線標高為52.48～53.54 m，橋軸線地面高程為33.78～43.79 m，地面相對高差約10 m（主要由于荊江大堤填筑）。路線與荊江大堤堤頂高差約為9.5 m，與地面高差約為19 m，荊江大堤外腳線與內腳線的水平距離約為80 m。荊江大橋推薦方案主橋采用（65+120+65）m波形腹板鋼箱組合梁，主梁單幅寬度為20.5 m。

2 橋跨及橋型布置

2.1 橋跨布置的影響因素及橋跨確定

荊江大橋為跨越長江干堤的大型橋梁，針對本橋大跨寬幅的特點，應結合工程地質情況研究相適應的橋梁方案。本橋跨徑較大，但橋墩較矮，為避免整體升降溫對橋墩造成過大的附加應力，本橋不建議采用墩梁固結體系。同時本橋位于長江干堤位置，橋跨布置及主墩尺寸需滿足防洪要求。

經過分析，對于100～150 m跨徑的橋梁來說，斜拉橋、懸索橋造價均較高，而拱橋不適用于本橋地形，連續梁橋為此橋位處經濟合理的橋型方案。設計階段在橋跨擬定時重點考慮如下幾項因素：

（1）根據荊州長江河道管理局要求，跨越堤防的大橋橋墩要求遠離堤防堤身及襟腳地，且最近距離堤腳不得少于5 m。此外，長江大堤堤頂至梁底最小凈空不得小于5 m。

（2）荊江大堤外腳線與內腳線的水平距離約為80 m，路線平面與荊江大堤夾角約73.3度，考慮斜交后堤外腳線與內腳線水平距離約為95 m，橋梁孔跨宜適當加大。

（3）橋位處荊江大堤堤頂標高43.79 m，堤頂至梁底凈空不得小于5 m。

（4）橋位處地形平坦開闊，橋梁跨越荊江大堤后的地形條件均適合落墩，因此從減小主橋規模、節省造價的角度出發，本橋跨徑應取滿足各項限制條件的最小跨徑。

（5）橋梁布跨時應結合互通和接線橋布置情況綜合考慮。

綜合考慮以上條件，并結合互通和接線橋布置情況，荊江大橋主跨推薦采用（65+120+65）m跨徑。

2.2 橋型方案研究

本橋主跨跨徑為120 m，對于此跨徑的橋梁來說，從經濟型上考慮，斜拉橋、懸索橋造價均較高，而拱橋不適用于本橋地形，不宜作為擬建大橋的建設方案。梁式橋以其簡潔的外形、明確的受力特點和造價低廉的優勢在國內交通建設中被廣泛采用。

本橋位于雙向八車道整體式路基段，路基寬度42.0 m，單幅主梁寬度20.5 m，為單箱雙室結構，主梁寬度較大，若全部采用混凝土主梁形式，則上部結構重量較大，施工稍顯困難。同時由于梁體較重，箱梁節段劃分不宜過大，也會造成懸澆節段過多施工工期偏長。本橋主墩最大墩高為11 m，橋墩高度較小，主梁在整座橋梁重量中占比較大，上部結構重量過大也將直接導致橋墩基礎規模的增加，從而提高橋梁造價。同時，本橋為連續梁橋，每個主墩墩頂各設置兩個支座，經計算，采用混凝土主梁后支座需5 000 t以上規格，支座后期檢修及更換均很困難。此外，寬幅、大跨連續梁橋存在跨中過度下撓及腹板、底板開裂的風險。

波形鋼腹板連續梁橋是預應力砼連續梁橋的一種衍生結構，其取消了混凝土箱梁的混凝土腹板，改為波形鋼腹板代替，利用鋼結構的材料性能，從根本上解決了大跨連續梁腹板開裂的問題，另外波形鋼腹板也賦予了梁橋一定的景觀效果。針對本橋橋梁寬度大的特點，主梁底板寬度較大，為了減小混凝土底板開裂風險，可同時將混凝土底板用鋼底板代替，形成鋼底板+波形鋼腹板+砼頂板的組合箱梁結構，不僅可避免波形腹板與混凝土底板連接的麻煩，而且可以使主梁自重進一步減小至原來的70%左右，同時可以避免寬幅底板后期開裂的風險。此結構在天平高速秦安特大橋、貴州省兩渡水湘江大橋均得到了較好的應用。由于主梁重量的減輕，施工時可采用更大的懸澆節段，減少大跨橋梁的施工節段，從而節省施工工期。

3 橋型方案比較

依據前文分析，本橋提出以下兩種橋梁方案：

方案一：（65+120+65）m波形腹板鋼箱組合梁

方案二：（65+120+65）m預應力砼連續梁

兩個方案主跨布置和結構形式類似，最大的區別在于主梁形式，一般而言，鋼混組合結構橋梁在造價上會高于混凝土橋梁，但由于鋼結構主梁重量輕，橋墩和樁基的尺寸可以適當減小，也可節省部分工程造價。同時，鋼混組合梁的施工方法與后期養護也與混凝土橋梁不同。

3.1 建設規模與經濟比較

兩個方案的建設規模非常接近，波形腹板鋼箱組合梁（方案一）的全橋長和預應力砼連續梁（方案二）相同，方案一主梁采用鋼結構替代混凝土腹板及底板，增加了鋼材用量，但同時減輕了主梁重量，從而減小了下構基礎規模。最終綜合比較，波形腹板鋼箱組合梁（方案一）工程造價11 480萬，預應力砼連續梁（方案二）工程造價11 091萬，方案二經濟型略好。

3.2 施工難度

方案一波形腹板預鋼箱組合梁國內天平高速秦安特大橋、貴州省兩渡水湘江大橋均得到了較好的應用。主墩采用翻模法施工。主梁采用懸臂法施工，先吊裝鋼底板及鋼腹板，再現澆混凝土橋面板。鋼結構重量輕，吊裝重量小，施工方便快捷。

方案二變截面預應力砼連續梁橋國內應用廣泛，施工風險較小。主墩采用翻模法施工，主梁采用懸臂澆施工，施工技術成熟。但本橋主梁較寬，混凝土箱梁節段重量大，施工略顯困難。

工期：由于方案一主梁梁段輕，因此可以采用大節段施工，從而縮短施工工期。方案一工期約為20個月，方案二工期均為26個月，方案一工期較短。

因此，綜合來說，兩種方案施工風險均較小，方案一波形腹板預鋼箱組合梁施工更方便，且施工工期較短。

3.3 景觀效果

梁式橋由于橋面以上沒有橋塔及纜索等結構，景觀效果一般不易顯現。波形鋼腹板鋼箱組合梁橋可以在滿足橋梁功能性的同時，一定程度上提升大橋的景觀效果。主梁結構輕盈靈動，也可通過對鋼腹板涂裝顏色提升橋梁的色彩對比度。相比而言，預應力混凝土梁橋色調較為單一，景觀效果一般。

3.4 工程風險性

本橋橋寬為20.5 m，為大跨寬幅橋梁，采用組合結構，自重輕，施工方便，鋼結構采用整體拼裝吊裝施工，減少了工期，降低了對交通的干擾，充分利用鋼底板受拉、混凝土頂板受壓以及波形腹板受剪，受力清晰明確。

采用混凝土結構，箱室寬度大，結構較重，施工周期長，對交通干擾大，另外寬幅、大跨連續梁橋存在腹板、底板開裂及下撓等一系列較為嚴重的風險。

綜上所述，波形腹板鋼箱組合梁采用鋼結構替代鋼結構替代混凝土腹板和底板厚，主梁重量減輕約30%，有利于減小支座規格和主墩基礎工程量。此結構充分利用鋼底板受拉、波形腹板受剪的性能，解決大跨、寬幅箱梁腹板、底板開裂及下撓等一系列問題。波形腹板鋼箱組合梁采用掛籃懸臂拼裝鋼底板和波形腹板，現澆混凝土橋面板的施工方式，可大大節省施工工期。同時，波形鋼腹板鋼箱組合梁橋主梁輕盈靈動，景觀效果好。雖采用鋼結構后，工程造價比混凝土梁橋貴389萬，但仍具有較好的經濟性。因此，設計采用波形腹板鋼箱組合梁作為荊江大橋的推薦方案。

4 結語

以武松高速荊江大橋未工程實例，對波形腹板鋼箱組合梁和預應力砼連續梁進行了方案比選。波形腹板鋼箱組合梁為鋼底板+波形鋼腹板+砼頂板的組合箱梁結構，與混凝土箱梁相比可大大減小主梁自重，減小支座規格和主墩基礎工程量。同時可充分利用鋼底板受拉、波形腹板受剪的性能，解決大跨、寬幅箱梁腹板、底板開裂及下撓等一系列問題，非常適用于大跨寬幅結構橋梁。

從設計和施工角度對比了波形鋼腹板組合梁和預應力砼連續梁方案，可知波形腹板鋼箱組合梁方案自重輕、下構規模小、景觀效果好、技術風險小、施工工期短，且其工程造價與預應力砼連續梁方案相差不大，是大跨寬幅結構橋梁的重要橋型方案之一。

參考文獻：

[1]沈曦文，彭晶.寬幅大跨預應力混凝土波形鋼腹板組合箱梁橋抗震性能研究[J].青海交通科技，2020（6）：102-107.

[2]鄧飛凡，譚云浩，張子龍，等.波形鋼腹板節段梁預制施工技術研究[J].湖南交通科技，2021（3）：124-128.

[3]姜竹昌，高華睿，曹洪亮，等.大跨徑波形鋼腹板箱梁橋截面豎向溫度梯度研究[J].中外公路，2021（4）：125-130.