浅谈高架桥的设计以及选型原则

浅谈高架桥的设计以及选型原则
作者：乔鹏
来源：《城市建设理论研究》2013年第10期
摘要：随着桥梁施工技术的进步，高架桥已经成为当前交通运输中非常重要的工程建设。

高架桥的设计不同于普通桥梁，各项指标都很高。

本文笔者就高架桥的结构设计进行了详细的探讨，提出了几点设计选型原则，并结合工程案例证明了其理论的可行性。

关键词：高架桥；设计原则；美化；连续梁
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1概述
随着我国公路交通事业的发展，近年来互通式立交桥和跨线高架桥越来越多。

这些立交桥和高架桥不仅是公路交通的枢纽，而且已经成为现代化城市的标志性建筑。

一个好的桥型设计，能使立交桥在发挥其自身通行能力的同时，体现出对周围环境的美化作用，有的甚至被看作现代建筑中的艺术品。

因而在选择桥型时，既要考虑实施的可行性，符合经济适用的原则；同时，又要考虑建筑造型艺术，满足美观要求。

这一点已经被当今越来越多的设计者所重视，并且成为现代工程设计的一个重要特征。

本文结合笔者对“桥南村”跨线高架桥的设计，提出应该在适用的基础上，对结构进行美化设计，并针对跨线高架桥桥型设计中一些认识问题进行探讨。

2工程实例
某高架桥是机场高速公路处一座跨主线的分离式桥梁，和高速公路呈现10的角度，桥梁设计荷载汽车-20，挂车-100，此桥在R=2500m处的左右纵坡对称，坡度均为3%，桥下净空高度按略超于5m设计。

本实例桥上部采用5×20m普通钢筋混凝土等高度连续箱梁结构，下部采用无盖梁独柱式桥墩及肋板式桥台，基础为钻孔灌注桩。

3桥型选择
通常，选择桥型应根据适用、美观、经济合理以及设计施工的难易程度等因素进行综合分析，以最终确定工程实施方案。

对于跨线高架桥而言，经过国内工程技术人员多年的实践，目前所采用的型式已基本集中为预制空心板梁和等高度连续箱梁。

这中间尤其以空心板梁居多。

但是笔者认为，在设计方案时应该以首先考虑等高度连续箱梁方案为佳。

其原因是：
⑴在当今社会，人们对于美的要求越来越高，对周围的建筑物，也同样要求美观。

如今的设计师应该顺应这种要求，在对结构本身强度进行设计的同时，也应该对结构进行美化设计。

作为跨线高架桥，因为下边要通车，就更为引人注目。

因而要尽量减少横向墩的数量，加强下
部空间的透视度，增加墩的纤细感，这对整个跨线高架桥是否美观并具有现代的气势，起着很重要的作用。

而就这一点来说，只有当采用箱形连续梁方案时才能做到，因为箱形截面抗扭刚度很大，对于需要在其梁底下设置独柱单支点的支承形式特别有利。

这时，下部结构可以根据美观要求，做成无盖梁的独柱式结构。

但如果上部结构采用预制拼装式板梁的话，下部就只能做成传统形式的有盖梁式墩台结构，难以达到美观要求。

⑵等高度连续箱梁桥整体性好，耐久性强，行车舒适。

箱梁顶板和底板都具有较大的面积，能在效地抵抗弯矩，受力合理。

桥墩处也不需要设置伸缩缝，梁长伸展，加上梁高一致，整个桥梁外型简洁优美，线条流畅。

⑶对现代跨线高架桥来说，弯、坡、斜桥已越来越多。

如采用预制板桥，那对弯、坡、斜的平面布置处理就比较复杂，设计和施工随之也带来一些问题。

譬如，如何使桥梁各部位、各板块之间准确地组合，斜弯桥的各板端细部处理、端部与端部的联结构造以及墩台长度、墩台轴线交角、墩台横坡和各点高差计算等等都比较繁琐，施工中对于诸特征点的座标及高程控制要求非常严格。

再者，如果是预应力空心板，那么实际施工中每片预应力板梁在力筋张拉后的上拱值，由于混凝土龄期的不同往往会有较大差别，以至于造成板梁间连接不顺畅，或是桥面铺装层厚度不能统一、甚至摊铺困难等较为严重的后果，施工质量难以保证。

与斜交空心板梁相比，如采用等高度连续箱梁配以独柱墩，则结构轻巧，由于其上部为整体化结构，下部又无盖梁，细部构造比弯斜板桥好处理得多，上述一些不利之处几乎都可以避免，有其独到优点。

并且，等高度连续箱梁桥斜交跨越主线时，采用独柱单点支承则可将斜桥改为直桥，实际增大了主线两侧的有效净空，相应地加大了桥梁的跨径。

因此，这种独柱式结构非常适合于弯、斜桥。

⑷采用等高度连续梁体系，由于在桥墩支点处负弯矩的存在，使得其跨中正弯矩同简支空心板体系的跨中正弯矩相比显著减小，这就意味着可以节省上部结构的材料数量，减轻梁体自重，也使得下部结构桥墩部分的工程数量相应减少。

这些都可以从实例桥中得到验证。

实例桥曾对预应力空心板梁方案作了较为详细的技术经济比较，同样是5孔20m的上部构造，采用预应力空心板梁的上部所需主要材料用量为：砼(50号)数量546.9kg，钢绞13236.1kg，普通钢筋29042.2kg；而最后采用的实施方案—等高度连续箱梁的上部主要材料用量为：砼(30号)数量，普通钢筋。

相比之下，如果考虑钢绞线及其工艺特点，两种方案的综合用钢指标相差不多，但是在砼量上，即使不考虑标号差异(板梁砼标号相对更高一些)，普通钢筋砼等高度连续箱梁比简支空心板梁竟少用砼将近1/3。

这样，上部构造的重量大大减轻了，随之当然也节省了墩台和基础的材料用量，体现出技术经济上的优越性。

还要指出的是，跨线高架桥目前一般常用的跨径在16～25m之间，上述20m跨径两种桥型间的对比应该说具有较强的代表性。

因此可以讲，同等桥长时，在跨线高架桥的通常跨径范围内，等高度连续箱梁型式比预应力空心板梁主要材料节省、重量轻，上、下部构造均十分轻巧，具有很好的技术经济指标。

4结构造型
结构造型与各部位尺寸比例应相互协调。

例如跨径与梁高及桥下净空比例，墩柱直径与高度及桥梁跨径的比例，主桥箱梁翼缘板悬挑长度与梁高的比例等。

在这些方面，实例桥做得非常成功，墩柱和梁体结构简洁流畅，纤细轻巧，连续和谐(见图1～2)。

5横截面设计
常用的箱形梁截面有单箱单室、单箱双室、双箱单室和双箱双室截面等几种，实际采用何种横截面形式，一般应根据桥的宽度和施工方便性来决定。

对实例桥来说，采用单箱单室截面，可以方便施工，同时也节省了材料，其箱顶宽为8.5m，箱底宽4.0m，两侧翼板各挑出2.25m，并采用直腹板。

用支架法现场浇筑施工时，这种单箱单室的截面设计有利于全断面一次浇筑成型，设计成直腹板则对施工更加有利。

实例桥采用较大的翼板挑出长度，主要是为了美观，同时也考虑到要充分利用箱梁受力特性的变化情况，减小箱底宽度以适当提高正弯区截面重心，充分发挥底板受力筋的作用，减轻箱梁自重。

需要指出的是，虽然大挑臂的翼板设计有利于美观效果，但对于类似本桥这样的普通钢筋砼连续箱梁桥，如果想用施加横向预应力来增大翼板的挑出长度，则并不可取，那样既不经济，又使施工工艺变得复杂，而且箱室太窄，箱梁在局部荷载作用下，横向弯曲应力往往很大，这样箱梁的横向配筋就要大大增加。

图1 墩柱结构
图2 梁体结构
6下部构造
下部构造应能满足上部结构对支承受力的要求，同时在外形上要做到与上部构造相互协调、布置匀称。

实例桥采用无盖梁独柱式桥墩，与连续箱梁的大挑臂结构相配合，能够充分利用桥下空间，简洁明快，外形美观，通透性好，施工方便。

对于墩柱的截面型式，一般来说取作圆形看起来更美观一些，墩柱的直径要根据其同上部结构的协调关系及所需盆式橡胶支座的平面尺寸来定。

对于一般的跨线高架桥，墩柱直径可在1.0～1.6m之间，本实例桥实际采用柱直径1.1m。

实例桥还将其中间的3号墩作为制动墩，墩顶设固定支座，并加强了3号墩的墩柱及桩基配筋，来抵抗汽车制动力作用。

实例桥的独柱墩基础设置为单排双钻孔桩，桩径
1.0m，承台按斜桥向布置，这种布置型式能使承台在主线中央分隔带位置顺应主线走向，较合理。

另外，桥台的型式采用肋板式，这种型式的桥台适用性较强。

7结构施工
跨线高架式砼连续箱梁桥所采用的支架立模、现场浇筑方法，能广泛采用现代施工技术和设备，尤其能适应弯桥和有竖曲线的连续箱梁，施工中上部结构的几何位置易于调整。

此方法在梁体施工时，支架工程是主要的一项工作，目前多采用组合式钢管支架。

其质量稳定可靠，搭设速度快，可以多次周转使用。

除此以外，如能使用砼泵车等较先进的设备，则更能体现“省”和“快”。

这种非预应力的等高度连续箱梁结构，施工并不复杂，其整体现浇式梁更为经
济，而且非常美观，工期也较短，经济及社会效益明显。

也因为此法是在桥位上现浇施工，可免去大型的运输设备，省去了预制吊装用的架桥机、贝雷桁架或龙门等一些大型安装设备，其优势还在于一次可以进行多孔桥的连续浇筑施工，一气呵成，桥梁整体性好，结构的耐久性强。

8结束语
在实际工程高架桥的设计中，应当注意以下几点：
⑴在进行跨线高架桥设计时，应该把对结构的美化设计放在突出位置；在考虑结构自身强度的同时，应注重桥梁造型艺术。

⑵结构造型与各部位尺寸比例应相互协调，梁体结构要舒展流畅，讲究其线型，下部构造要简洁轻巧，通透性好。

⑶多跨等高度连续箱梁配以无盖梁独柱式桥墩，具有现代建筑风格和特色。

此桥型整体性好、耐久性强、行车舒适，所用材料省，工期较短，并且非常适合于弯、坡、斜桥形式，富有强大的生命力。

在支架法就地浇筑可以实现的情况下，应将其作为跨线高架桥优先考虑的桥型。

参考文献：
［1］：刘滨谊 . 现代景观规划设计. 东南大学出版社，2010.
［2］邵旭东 . 桥梁工程. 人民交通出版社，2003.。