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1主梁布置的選擇

設計者在面對特定橋址時會面對多種橋型的選擇，但當考慮所有限制因素和當地條件時，其選擇就會受到很多限制。針對不同跨徑主梁類型的選擇，圖4給出了單跨預應力混凝土橋常用橋型選擇范圍。雙跨或三跨的跨線橋也可參照該圖進行選擇。當橋跨越鐵路時，一般采用預制梁，這樣不僅能減少對鐵路的干擾，還能減少施工的風險。同樣，對于小的跨河橋，預制梁能減少對河道的侵害，并且不需采用施工支架。而對于較大跨徑的橋，采用箱梁更為有效。對跨鐵路或是河流的更大跨徑的箱梁結構，可使用頂推法施工或使用分段預制箱梁。長的多跨橋和高架橋由于美學和經濟的原因其跨徑常大于30m。可采用預制板梁或箱梁。圖5給出了最常用的主梁選擇范圍。預制板梁通常用于跨徑小于40m的橋，因為一旦跨徑大于這個長度就需要專門的起重設備。當有深谷或其他的阻礙需要逾越時，適宜采用頂推箱梁。其預制塊段可采用多樣的施工方式，但當橋長大于2km時才顯現出經濟性。當開始構思結構類型和確定混凝土截面尺寸時，應首先在以往類似工程經驗的基礎上選擇合適的主梁方案、橫斷面尺寸和混凝土的厚度。然后再進一步考慮不同的荷載、設計標準及具體場地的地質條件。對于預制板梁，承包商通常對不同類型預制板梁的跨徑布置和梁間距提出指導意見。而其他類型的橋梁結構在一些論文、專業刊物上的文章和其他相關出版物中都有說明，并且互聯網上也有不斷搜集的論文和工程報告，從其中都能得到有用的信息資料。橋的美觀、耐久及建造可行性都會影響到主梁布置和其他細節的選擇。橋梁不但要造型美觀還要與其周圍環境相協調。耐久性常常與橋梁細節聯系在一起，而不是總體結構布置的選擇。由于橋梁場地條件和復雜性，施工極具挑戰性，因此考慮施工能力是結構選擇的主要因素。

2聯結和跨徑布置

當橋梁總長小于60m時，一般建成與墩臺形成整體的連續橋面。這樣能減少伸縮縫和支座數量并能夠消除因為這些原因引起的養護問題。對于更長的橋梁結構，應按實際情況盡可能將主梁連續長度做大。混凝土箱梁建成的連續長度已達到1．7km，混凝土斜拉橋在兩個伸縮縫間的連續長度已達到800m。主梁伸縮縫應設置在設有支承的橋墩或橋臺上，并應考慮到達伸縮縫的各個部分的檢查通道。除非有足夠的工作空間能到達支座和伸縮縫檢查、養護和更換，應盡量避免采用半伸縮縫連接。由于橋跨范圍內設置半伸縮縫、鉸接或其他的不連續點會產生由于徐變和預應力損失引起的長期變形，影響橋面線形，應予以避免。主梁和墩臺間是否需要支座取決于結構形式和下部結構的剛度。頂推箱梁結構需要設置支座使頂推過程更為便利；預制節段箱梁結構需要支座來簡化安裝；現澆混凝土板梁可以設置支座，如果上部結構變位不會對橋墩和基礎產生過大內力時，可與下部結構形成整體。位于平曲線上的橋梁設計中應注意聯結問題。曲梁總是朝著有效的“固定點”伸長或者收縮，如果導向支座與上面的主梁朝向平行設置，在導向支座中會產生不同的水平荷載分布。正因為此，一些設計者更喜歡將導向支座與固定點方向一致。然而對于曲線長橋或小半徑曲線橋，相對于伸縮縫的橫向位移會引起一些問題。曲線橋能引起主梁結構的嚴重扭轉和傾覆效應，這就要求支座相對于結構中心線橫向偏置或主梁與下部結構連接來抵消其影響。橋跨的布置往往受制于橋址處的自然條件，但應盡可能地使橋跨的布置與推薦的上部結構類型相適應。預制梁采用相同的梁長能更好地使施工設備標準化；對于連續箱梁結構，橋墩設置應使邊跨長度為相鄰內跨的70％左右，以保持負彎矩和正彎矩間的平衡。主梁采用平衡懸臂法施工時，邊跨長度要減少到約為相鄰內跨長度的60％，以減小邊墩懸臂的不平衡彎距。如果連續梁的邊跨長度小于上述的建議值，邊支座上就可能出現拉力，這種情況下就需要抗拉措施。最小跨徑和地面以上橋面的高度取決于道路、鐵路或河道的凈空要求。跨徑和橋面高度的比率為3時被認為是最適宜達到視覺平衡的，雖然對于特別高或特別低的橋墩來說難以實現。橋梁長度較短時，僅需數跨但要考慮跨間平衡設置，一般認為3或5跨比偶數橋跨有更好的視覺外觀。

3體內或體外后張預應力

過去，體內和體外后張預應力鋼束在設計、施工和耐久性方面出現了些問題。這些問題已經被弄清并且在詳圖設計和施工方面已經建立起一個能成功使用兩種預應力體系的基礎。作為總體概念設計的一部分，設計者必須在體內鋼束和體外鋼束間作出選擇或是兩者同時采用。與體內鋼束相比較，體外鋼束的優勢在于：（1）通過取消腹板和翼板內的預應力管道簡化了節段的澆筑。并使模板、架立鋼筋和養生更容易。（2）不設預應力管道減少了腹板厚度，使得上部結構重量減少并節省下部結構的造價。（3）在條件許可的地方，預制節段結構可以使用干接縫，這使得主梁安裝簡單、快速，減少了施工費用。（4）可以到達管道的任何部分，使得安裝更加簡單。鋼束敷設更加順暢且不會產生體內預應力鋼束遇到的管道堵塞的情況。（5）鋼束布置簡單。（6）因為可以直接接觸管道且各鋼束可各自灌漿，不會出現體內鋼束漏漿或管道阻塞等問題，使得灌漿更容易。（7）減少了高強鋼絞線的摩擦應力損失。（8）施工和長期養護中檢查鋼束更加容易。（9）鋼束在需要時可以更換。（10）易于主梁升級和承載力增強設置附加鋼束。與體內鋼束相比較，體外鋼束的不足在于：（1）體外束采用HDPE管道防護，需灌注水泥漿或填蠟，這使得預加應力體系的初期材料造價較高。（2）在控制性斷面鋼索偏心距減小，增加了預加力材料數量。（3）在極限抗彎條件下，體外鋼索需要更多的預加應力來產生相同的抵抗力矩。（4）依賴于錨固的整體性來保持預加應力，如果某處錨固失效整個鋼索也會失效。（5）錨固點和轉向塊承受很大的集中力，需要錨固在主梁結構中。（6）如果鋼索的自由長度太長，鋼索易產生振動，可能產生疲勞和腐蝕問題。（7）外露的鋼索更易受到事故損環。（8）鋼索、錨固點和轉向塊的安裝、以后的檢查以及鋼束必要的更換等都需要較好的可到達性。體內鋼束和體外鋼束都會使結構堅固、有效，兩者的選擇常受當地需要和實際經驗的影響。現在許多橋同時采用體內和體外預應力以取兩者之長。

4橋梁造價

一般來說，橋跨越短每平方米橋面的造價越低。橋跨小于20m時預應力混凝土橋是不經濟的，此時更適宜用普通鋼筋混凝土結構。在通達受限制的情況下，例如跨越河流或鐵路，預制預應力梁往往是經濟的方案。橋跨越大，每平方米橋面所用的混凝土、鋼筋和預應力鋼材隨之增加，從而引起工程造價的提高。如果有大的臨時性工程也會增加總的造價。在有不良地質或為避開地下障礙，需要復雜或花費大的基礎，下部結構的造價就占了總造價的大部分比例，此時最好加大跨徑調整上下部結構造價的平衡。影響橋梁造價的其他因素還包括橋位及場地條件、設計、勞工費用、材料單價和場地限制等。在英國，一座典型的單跨公路跨線橋或下穿橋每平方米橋面的造價大概為850英鎊，其中橋臺占總造價的一大部分。一座典型跨徑達20m的三跨高架橋，每平方米的造價大概為700英鎊。跨徑越大每平方米橋面的造價就越大。一座跨長40m的多跨跨線橋每平方米的造價大概為850英鎊，而跨徑70m的橋其造價增加到每平方米約1200英鎊。斜拉橋每平方米的造價超過2500英鎊。人行橋因其橋面面積小、橋臺較高及支架費用大，每平方米橋面的造價更高。在進行橋梁概念設計時，通常要對不同主梁類型和跨徑布置做造價對比。雖然橋梁美學和環境評估等因素會影響最終的方案選擇，但對主梁和下部結構數量及施工費用進行估算并提出性價比最高的方案是非常重要的。對于長的多跨高架橋，選擇最高性價比的最佳跨徑的途徑就是使橋梁上部和下部結構造價相平衡。跨徑越大其上部構造數量和造價增加，但是可以通過減少下部橋墩數量來減少造價。上部結構造價一般直接與跨徑成比例。下部結構的造價（用每平方米橋面的造價來表示）一般隨跨徑加大而減少。但采用樁基的地方，因為需要增加額外的樁來承擔增加的荷載，造價曲線會出現突變點。橋梁上部和下部結構的造價可繪制如圖6所示的曲線圖，從而選出最佳跨徑。每噸體外鋼束的造價比等量體內鋼束的造價高，但可以通過其他方面費用的節省予以抵消。體外鋼束可以使混凝土截面尺寸，特別是腹板的厚度減小。另外，鋼筋的固定和混凝土澆筑更容易些。采用體外鋼束的節段施工以及逐跨架設施工的，可實現長高架橋快速組裝，進而縮短了施工工期，減少了總造價。

5材料數量

對于每座橋來說，數量各不相同。橋面寬度、活載和其他因素都會影響最終的材料數量。但上部結構所用的混凝土、鋼筋及預應力鋼材的數量對于給定的跨長和主梁類型存在一合理的范圍。在設計過程中，與以往的類似工程材料量比較，從而得出有效的橋跨布置是非常重要的。圖7給出了跨徑從30～150m梁典型的材料數量范圍。預制節段施工容易完成較薄的斷面構件，與現澆施工相比能節省混凝土數量。頂推箱梁施工出于設計需要，混凝土數量比其他施工方法稍多。預制節段梁和預制梁由于早期熱效應和不均勻收縮較小，和其他施工方法相比所需縱向鋼筋量較小，因而每平方米橋面所用的鋼筋量較小。然而，頂推箱梁在頂推過程中要承受臨時荷載和結構受力要求，需要較多的鋼筋。對于預應力混凝土梁來說，預制節段梁與現澆梁相比，由于其徐變和鋼束應力長期損失均較小，需要的預應力數量較少，節省了造價。頂推箱梁需要額外的預加應力來滿足施工條件。如果用體外鋼束代替體外鋼束，由于有效抗矩減小，預加力數量有所增加。但由于摩擦損失的減小會在一定程度上有所抵消。不同的設計規范和荷載標準會較大地影響橋梁的材料數量。標準鐵路荷載比公路的荷載重，這就需要更多的預加應力，而人行橋的荷載較輕，材料數量就比較少。按BS5400標準設計的橋梁會比采用AASH－TO設計的相同結構需要更多的鋼筋和預加應力鋼材。

作者：劉靜 李睿林 單位：中交第一公路勘察設計研究院有限公司 青海省高等級公路建設管理局