中小跨径梁桥的设计与经济比较

摘要：桥梁在我国交通工程中起到控制交通命脉的作用，而中小跨径桥梁是我国公路桥梁建设规模最大的类型。通过对桥梁设计原则和中小跨径桥梁的设计分析，指出工程经济性是中小跨径桥梁的重要设计指标，并重点分析了不同跨径不同结构型式的预应力混凝土T梁桥、箱梁桥的工程造价。

关键词：中小跨径；梁桥；设计；经济性

Abstract: Bridges play a role of control traffic lifeline in traffic engineering of China, while small and medium-span bridge is the largest type of construction of all bridges in the road.. Analysis the bridge design principles and small and medium-span bridge design, engineering economics is the important design specifications of small and medium-span bridge, and analyze the project cost of the different span and different structure typprestressed concrete bridge with T-beam and box girder.

Keywords: small and medium-span; beam bridge; design; economy

中图分类号：K928.78文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

0 引言

近年来，我国公路工程建设迅猛发展，桥梁作为公路工程的重要组成部分也取得了较大的发展。据统计，截止2011年底，我国公路桥梁的数量已经超过60万座，而40m以下的中小跨径桥梁占桥梁总量的90%以上。由于中小跨径桥梁在公路桥梁总数中所占比例大，做好这一类桥梁的设计，对保证公路的使用功能有着非常重要的意义[1]。但目前大规模新建桥梁中，由于在桥梁勘察设计规范标准方面还存在一些问题，普遍存在着盲目追求大跨径桥梁的倾向，导致对中小桥梁的建设缺乏生机。目前，我国中小桥梁建设仍以板、梁、拱等传统结构为主，在这些桥梁中应尽可能采用标准化、规范化、经济合理化设计，从而提高桥梁的建设速度和质量，同时还可以降低工程造价。

1 桥梁设计的基本原则及存在的问题

1.1 桥梁设计的基本原则

桥梁是架设在江河湖海上便于车辆行人等能顺利通行的建筑物，作为我国交通工程建设的重要组成部分，起到控制交通命脉的作用，在我国交通基础设施建筑中具有十分重要的地位。因此，桥梁在服从路线走向和整体设计的前提下，还需有足够的承载能力和泄洪能力，保证行人和车辆的通行。公路桥梁的设计还应遵循经济、美观、环保的原则，通过因地制宜地选择施工材料和优化施工组织设计方案，采用新的设计理念和方法，采用新设备、新工艺、新材料及各种构件，从而减低桥梁的总造价和材料消耗。

1.2 中小跨径梁桥设计存在的问题

近年来，随着我国经济的快速发展，公路桥梁工程的建设数量巨大，对于已建成公路桥梁的调查表明，由于我国公路桥梁在规范标准、工程设计、建设以及管养方面存在的很多不足，不少桥梁都出现了病害，甚至发生结构损坏、垮塌的情况，而40m跨径以下中小跨径桥梁出现的问题最为严重，频率也最高。

公路桥梁在运行中需要承受永久荷载、可变荷载和偶然荷载等三大类荷载，一般桥梁永久荷载的比例一般超高总荷载的50%以上，但其荷载相对稳定对桥梁结构的影响不大，对桥梁结构使用性能影响较大的荷载是可变荷载，但我国《公路工程技术标准》中对汽车荷载与国家在行业标准的规定上存在不对应、不匹配的问题，而且我国公路桥梁规范规定的车辆荷载安全系数为1.4，这导致实际的交通荷载超出公路桥梁设计荷载标准，容易造成桥梁在使用中出现问题。我国中小桥梁设计主要是对变形指标和抗力指标进行控制，大多是按规范要求进行结构计算和构造设计，不太重视正常使用极限状态，对结构耐久性方面的设计考虑不够，在一定程度上导致了桥梁使用性能差、寿命短等不良后果。此外，在设计中还存在过分依赖计算机程序软件、过分相信标准图、缺乏整体设计理念、过分依赖规范、不注意整体构造配合设计、对新材料新工艺认识不足、未考虑后期养护维修需要等问题，从而增加了桥梁在建设和施工中的成本。

2 中小跨径梁桥的结构类型及设计

2.1 中小跨径梁桥的类型

公路桥梁一般包括承重桥面荷载的上部结构、传递荷载的下部结构和附属构造物等。梁桥是我国中小跨径桥梁的常用结构，由于其具有预制生产、施工方便、工程造价低等优点，广泛应用于我国中小跨径跨河桥、城市高架、跨河大桥的引桥中[2]。按施工方法不同，可将钢筋混凝土及预应力混凝土梁桥分为整体式梁桥和节段式梁桥，整体式梁桥是将桥梁上部结构在桥位上整体现场浇筑或整体预制安装就位，而节段式梁桥是将桥梁上部结构分成若干节段，在桥位上分段现浇或分段预制拼装连接而成。预制构件是中小跨径的桥梁施工最常用的，根据施工工艺的不同主要包括预应力混凝土先简支后结构连续梁、预应力混凝土简支梁、预应力混凝土简支组合箱梁、预应力混凝土先简支后结构连续箱梁等多种梁结构型式。

2.2 中小跨径梁桥的设计

在中小跨径桥梁设计中，当对桥型没有特殊要求时，应尽可能采用标准化的设计，从而提高设计效率，保证桥梁设计质量[3]。采用规范化的设计，还有利于工程施工，减少辅助工程量，降低桥梁工程的造价。

2.2.1 中小跨径梁桥的上部设计

中小跨径梁桥上部结构形式及跨径选取原则上应尽量采用施工方便、造价经济、预制装配化结构，并根据地形、地质、水文、桥墩高度等综合确定，从桥梁美学角度出发，为保证桥梁整体的协调性，一般根据跨径与墩高的关系来确定装配式梁桥的跨径与墩高，通常将跨径与墩高的比值控制在0.618～1之间，并通过经济性对比最终确定梁桥的跨径与墩高。当在山区修建桥梁时，由于普遍存在交通运输条件差、预制场地困难、大型起吊设备不到位等现象，应尽量采用小跨径结构。

当由于条件限制，当桥梁处于曲线半径较小、平面变宽度、立面大纵坡、横向大超高等道路线形中以及对桥梁外观和桥型要求较高的城市道路中，一般考虑采用现浇的方法施工，通常采用普通钢筋混凝土箱梁和预应力混凝土箱梁，箱梁跨径与梁高的比值控制在18～20之间。

2.2.2 中小跨径梁桥的下部结构设计

桥梁的下部结构主要包括桥墩、桥台和基础等三部分[4]。中小跨径梁桥的桥墩根据高度的不同，可以选用柱式墩、等截面实体薄壁墩、等截面空心薄壁墩、变截面空心薄壁墩等，并根据实际情况设置高低墩、横系梁、水平隔板等。中小跨径梁桥的桥台主要有柱式桥台、肋板式桥台、重力式U型桥台、薄壁台等四种，柱式桥台一般用于填土高度高度小于5m的地势较为平坦的地区；肋板式桥台适用范围较广，一般用于填土高度大于5m的地势较为平坦的地区；而重力式U型桥台可以用于填土范围在4～10 m的地基条件较好的山区；薄壁台一般均设置支撑梁，用于填土高度小于6.5m的平原区或者填土高度小于6m的软土地基路段。当基础覆盖层小于5 m时，中小跨径梁桥可考虑设扩大基础，而覆盖层大于5 m和山区修建的桥梁，应采用桩基础，桩基础应穿过不稳定地质层，将桩尖嵌入完整、稳定的微风化岩层内。

3 中小跨径梁桥经济比较分析

在中小跨径梁桥工程建设中，工程经济性是影响桥梁设计的重要因素[5]。在桥梁施工中人工、材料、机械费用一定的情况下，取统一的桥梁宽度，可以对不同跨径不同结构型式桥梁的工程经济性进行分析。

3.1不同跨径梁桥的工程造价分析

对于采用摩擦桩基础柱式墩台的桥梁，对比20m、25m、30m、35m、40m等不同跨径的预应力混凝土T梁桥、箱梁桥的工程造价，结算结果如表1所示。

表1 不同跨径摩擦桩基础梁桥的工程造价

由表1可知，预应力混凝土T梁桥、箱梁桥的工程造价都随着跨径的增大而增大，20米跨径的T梁桥的工程造价比箱梁桥低70元；25米T梁桥的工程造价比箱梁桥低38元；30米跨径的T梁桥的工程造价比箱梁桥高63元；35米跨径T梁桥的工程造价比箱梁桥高62元；40米跨径T梁桥的工程造价比箱梁桥高324元。因此，不论T梁桥还是箱梁桥，跨径为20米的T梁桥单位面积造价最小。20米箱梁桥单位面积造价与20米T梁桥相差不大，但结构受力方面20米箱梁桥力学性能明显优于20米T梁桥。对于中跨径桥梁，建议选择跨径为20米的预应力混凝土先简支后结构连续箱梁桥。

3.2 不同上部结构型式相同跨径梁桥的工程造价分析

当均采用嵌岩桩基础墩台的中小桥梁时，为对比相同跨径下不同上部结构型式的中小梁桥工程造价，分别对20m、25m、30m、35m、40m跨径的T梁、箱梁桥的工程造价进行对比分析，计算结果如表2所示。

表2 不同跨径嵌岩桩基础梁桥的工程造价

由表2可知，采取嵌岩桩基础时，20米跨径的预应力混凝土T梁桥比箱梁桥低53元；25米跨径的预应力混凝土T梁桥比箱梁桥低25元；而30米跨径的预应力混凝土T梁桥比箱梁桥则高36元；35米跨径的预应力混凝土T梁桥比箱梁桥高85元；40米跨径的预应力混凝土T梁桥比箱梁桥高289元，这表明当跨径为20米、25米时T梁桥单位面积工程造价比预箱梁桥小，但相差很小；当跨径为30米、35米时T梁桥单位面积工程造价比箱梁桥大，但相差不大;当跨径为40米时，T梁桥单位面积工程造价比箱梁桥大，相差较大。

3.3 不同上部结构型式相同梁高梁桥的工程造价分析

当均采用扩大基础墩台的中小桥梁时，为对比相同梁高下不同上部结构型式的中小梁桥工程造价，分别对梁高均为2.0米的30m跨径T梁桥和40m跨径箱梁桥的上部结构造价、下部结构造价、桥梁工程总造价进行对比分析，计算结果如表3所示。

表3 不同跨径嵌岩桩基础梁桥的工程造价

从表3可以看出，扩大基础重力式墩台三种基础型式的桥梁当上部结构型式相同时，上部结构单位面积工程造价相差较大，30米预应力混凝土T梁桥比40米箱桥要低413元；下部结构单位面积工程造价相差不大，30米预应力混凝土T梁桥比40米箱桥要高45元；单位面积工程总造价相差较大，30米预应力混凝土T梁桥比40米箱桥要低372元。

总的来说，从节约工程成本和提高施工效率的角度，在平原区建设的中小桥梁尽量考虑采用扩大基础，覆盖层厚度大和山区桥梁应采用桩基础[5]。中小跨径梁桥上部结构形式及跨径选取在桥墩高度、地形、地质等条件一定的情况下，应对桥梁造价进行对比分析，尽量采用施工方便、造价经济、预制装配化结构，从而充分发挥中小桥梁设计与建设的优势。

4 结论

公路桥梁的设计还应遵循适用、经济、美观、环保的原则，通过因地制宜地选择施工材料和优化施工组织设计方案，可以减低桥梁的总造价和材料消耗。特别是中小跨径桥梁作为我国桥梁工程建设数量最多的桥梁，桥梁工程设计人员更应全面认识并准确把握工程设计中的关键技术问题，在中小跨径桥梁设计中，应尽可能采用标准化的设计，在提高设计效率的同时，还有利于工程施工，减少辅助工程量，降低桥梁工程的造价，从而实现桥梁结构安全、行车舒适、经济合理、施工与养护维修方便的目标。

参考文献

[1]尤文刚. 中小跨径桥梁的应用分析[J]. 北方交通，2011(1):78～81.

[2]杨建光. 岩溶地区中小跨径桥梁桥跨布置及基础型式的研究[J]. 广西城镇建设,2005(1) : 124～125.

[3]JTG D62—2004，公路钢混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]. 北京:人民交通出版社, 2004.

[4]何廷全,兰日彦,何世超. 中小跨径桥梁高填土桥台合理结构型式浅析[J]. 西部交通科技，2011(10) :57～59.

[5]高继伟等．公路工程工程量计算图解手册[M]．北京:人民交通出版社，2009.