［摘要］傾彎組合梁橋在我國雖然只有十幾年的研究、建造歷史，但國內(nèi)在設(shè)計理論和制造工藝領(lǐng)域的研究工作已有了長足進展，而且已成功地建成了一批預彎組合梁橋。本文擬根據(jù)國內(nèi)的工程實例對預奇組合梁橋的經(jīng)濟指標進行探討，以便為今后的同類工程提供借鑒。
關(guān)鍵詞 橋梁 預彎梁 經(jīng)濟性 結(jié)構(gòu)高度

一、國內(nèi)外預彎組合梁發(fā)展現(xiàn)狀
預彎組合梁亦稱為預彎預應力混凝土梁，有時也簡稱為預彎梁。這種橋型結(jié)構(gòu)早在對世紀的年代出自歐洲，60年代引入日本，80年代中期引進我國【1，2】。目前在日本和韓國應用得較多，且已建立了較完備的設(shè)計、施工規(guī)范或技術(shù)標準【3】，形成了工業(yè)化的生產(chǎn)能力。在公路或城市橋梁設(shè)計、施工中，只要選擇預彎組合梁的型號，則可有專業(yè)化的預彎梁制造商完成其制造、運輸和安裝工作。國外在預彎組合梁橋的應用上早已突破了簡支梁的限制，并且建成了多座預彎組合連續(xù)梁。根據(jù)文獻【4，5】介紹，日本建成的預彎組合梁橋的最大簡支跨徑已達到44m（建設(shè)省名四國道工程，R155號OB橋，1996年建成）；最大跨徑的兩路連續(xù)梁橋為40.703+41.339（京都府小貝小橋，1997年建成）。文獻【6】給出了預彎組合簡支架橋的最大跨徑可以達到60m。據(jù)資料統(tǒng)計，截止1996年，僅在日本就已建成簡支預彎組合梁橋512座，其中鐵路橋梁9座，其余均為公路橋；截止1998年年底，日本已建成公路預彎組合連續(xù)梁橋47座。同時可以發(fā)現(xiàn)，20世紀80年代后建造的預彎組合梁橋數(shù)量占80％左右，而且90年代以后建造的預彎組合梁橋數(shù)量就接近200座。
我國在預彎組合梁橋方面的研究工作雖然起步較晚，但進步也很快。根據(jù)對已掌握的有關(guān)資料的分析，在我國最先引進預彎組合梁概念的是同濟大學的張士鐸教授。他首先提出了預彎組合梁初步設(shè)計方法，其中包括截面尺寸擬定，撓度及上拱度的估算方法，并且通過計算示例給出了預彎組合梁的主要計算步驟。1989年同濟大學與鄭州市公路管理處合作在河南省交通廳立項開展了預彎組合梁橋的研制工作，并修建了試驗橋。交通部天津水運科學研究所的留日訪問學者竺存宏先生回國后帶回了日本有關(guān)預彎組合梁的設(shè)計、施工技術(shù)，并且結(jié)合我國公路橋梁的實際情況開展了預彎組合梁的試驗研究，該項研究工作由交通部列入國家“七五"重點攻關(guān)項目。1990年，湖南大學與長沙市規(guī)劃設(shè)計院合作在長沙市修建了試驗橋。西安公路學院與天津水運科學研究所合作對預彎組合梁的作用機理、截面應力及剛度的計算方法進行了研究。
筆者所在的哈爾濱建筑大學自1990年開始預彎組合梁的研究工作。先后在交通部（“八五"行業(yè)聯(lián)合科技攻關(guān)計劃）、吉林省交通廳、黑龍江省交通廳及哈爾濱市建委立項，開展了預彎組合梁橋的非線性全過程分析理論，全壽命時效分析理論，極限強度，施工技術(shù)及工裝設(shè)備等方面的研究工作，并完成了三座預彎組合梁橋的設(shè)計和施工指導工作［7'］。 1996年由（原）國家教委優(yōu)秀青年教師基金資助開展了預彎組合連續(xù)梁橋型結(jié)構(gòu)的研究，并已完成了理論研究部分。
目前，國內(nèi)在預彎組合梁橋設(shè)計理論研究方面已突破了日本《預彎組合梁橋設(shè)計施工指南》（1983，1998）中的彈性應力設(shè)計方法，并在極限強度、時效分析等方面取得了許多可喜的成果。在預彎組合梁的現(xiàn)場施工技術(shù)、工藝設(shè)備等方面的研究也已取得了很大進展。根據(jù)國外的發(fā)展情況可以預測，預彎組合梁結(jié)構(gòu)在我國21世紀的中、小跨徑的橋架結(jié)構(gòu)中將占有一席之地。本文擬介紹國內(nèi)建成的幾座預彎組合梁橋，并結(jié)合這些橋梁進行其技術(shù)、經(jīng)濟性的比較和論證。

二、國內(nèi)已完成的工程實例簡介
根據(jù)已掌握的資料，截止2000年我國已建成的預彎組合梁橋已有6座，其中公路橋兩座，城市立交橋略座。以下對這6座建成的預彎組合梁橋作以簡要的介紹。
第一座是1988年在遼寧省桓仁縣建成的坑火洛橋。該橋3孔16m跨徑的公路橋，其主梁間跨16m，梁高55cm，結(jié)構(gòu)高跨比為1、29.1。橋梁設(shè)計荷載為汽－15、掛－80級。本溪市公路管理處按照同濟大學提出的初步設(shè)計方法對該橋進行了設(shè)計計算。盡管該橋的計算方法不夠完善，但畢竟是我國建造的第一座預彎組合梁橋。零的突破反映出我國橋梁工程技術(shù)人員的聰明智慧，創(chuàng)造性和膽識。
第二座是1989年建成的湖南省長沙市袁家?guī)X立交橋。袁家?guī)X立交橋是一座行人、非機動車和機動車分道通行的雙環(huán)道三層立交橋。為減小該立交橋總體布局的建筑高度并減少工程總投資，在該立交橋第二層的非機動車道上采用了兩孔17m跨徑的預彎組合梁，橋?qū)?．2m。其主梁間距為1.03m，梁高為52cm，高跨比僅為1/32.7。根據(jù)該橋的使用功能，設(shè)計荷載取為汽一10標準車X0.8與4kN／平方米的人群荷載取大者。該橋由長沙市規(guī)劃設(shè)計院設(shè)計，湖南大學參與了部分計算與研究工作。該橋采用單梁加載工藝生產(chǎn)了 16片預彎組合梁。盡管該預彎組合梁橋跨僅用于非機動車和人群，但在多層立交橋中采用高跨比較小的預彎組合梁結(jié)構(gòu)來降低建筑高度并帶來經(jīng)濟效益的做法得到了橋梁工程師們的認同。
第三座是1991年建成的河南省鄭州市王寨河公路橋。該橋為兩孔15m跨徑的預彎組合梁橋，橋?qū)挒閮?5＋2X0．75m。其主梁間距1.1m，架高65厘米，高跨比為1/23。設(shè)計荷載達到汽－超20、掛一120。該橋由同濟大學設(shè)計并研制，鄭州市公路總段負責施工，采用單梁加載工藝生產(chǎn)了20片預彎組合梁。由于該橋位于公路堅曲線的最低點，無須限制橋梁的結(jié)構(gòu)高度，故該橋采用預彎組合梁后沒有帶來明顯的經(jīng)濟效益。但其主梁設(shè)計中采用的計算方法已比較成熟。
第四座是1994年建成的黑龍江省哈爾濱市新陽路立交橋。該橋是一座三層分離式立交橋，第一層用于機動車轉(zhuǎn)彎、非機動車及人行：第二層、第三層分別為東西向和南北向直行橋。由于第二層、第三層直行橋的長度分別受到鐵路專用線和城區(qū)道路的限制，加之北方地區(qū)冬季冰雪路面防滑要求，橋梁的縱坡小于3．5％，使得該立交橋各層的建筑高度受到嚴格的限制。為此，在兩層立交橋的高程控制橋跨上分別采用了兩跨21m和一跨22m的預彎組合梁。該橋橋?qū)?8.6m，主梁間距1.32m，梁高均為70cm，其高跨比分別達到1/30和1/31.橋梁的設(shè)計荷載采用汽一20，掛一100級。預彎組合梁橋跨由哈爾濱建筑大學設(shè)計，哈爾濱市市政工程設(shè)計研究院配合。在預彎組合梁橋跨設(shè)計中首次采用了非線性全過程分析理論和全壽命時效分析理論。該橋采用雙梁對彎工藝，現(xiàn)場生產(chǎn)制造了48片預彎組合梁，其單孔跨徑和一次生產(chǎn)的預彎組合梁片數(shù)均為當時國內(nèi)之首。新陽立交橋頂彎組合梁橋跨的建成表明我國的預彎組合架設(shè)計、施工已達到了一個新的水平，基本形成了我國自己的預彎組合梁設(shè)計理論體系。該橋設(shè)計中由于采用了預彎組合梁結(jié)構(gòu)，收到了較高的經(jīng)濟效益和很好的社會效益。
第五座是1996年建成的黑龍江省哈爾濱市中山路立交橋。該橋是一座二層全苜蓿葉型立交橋，跨越哈爾濱市的南北向主干線中山路。為保證立交橋建成后不破壞中山路的景觀，且施工中盡量縮短中山路中斷交通的時間，主跨須采用輕型且易快速施工的結(jié)構(gòu)，為此選擇了跨徑為27.6m的預奇組合梁作為該立交橋的主跨結(jié)構(gòu)。橋梁凈寬為2 x 11.7＋2x0.75（m）、雙向分離，主梁間距1.34m，梁高90厘米，高跨比達到1/30.7.該橋的設(shè)計荷載為汽一20、掛一l00級，人群荷載3．5 kN/平方米。主跨預彎組合梁由哈爾濱建筑大學設(shè)計，哈爾濱市市政工程設(shè)計研究院配合。主跨施工中采用雙梁對彎工藝，現(xiàn)場生產(chǎn)了18片預彎組合梁。該橋的建成使國內(nèi)預彎組合梁橋的設(shè)計跨徑又向前推進了一大步。
第六座是2000年建成的黑龍江省哈爾濱市鄉(xiāng)政街立交橋。該橋是一座分離式立交橋，為減小橋梁及引道的總長度，其主跨采用 27.6m的預彎組合梁跨越機場專用高速公路。橋梁凈寬16． 6m，主梁間距1.346m，梁高90cm，其高跨比仍為l/30.7.但該橋的設(shè)計荷載達到汽一超20、掛一120級。主跨預彎組合梁仍由哈爾濱建筑大學設(shè)計，哈爾濱市市政工程設(shè)計研究院配合。施工中仍采用雙梁對彎工藝，現(xiàn)場生產(chǎn)了13片預彎組合梁。
上述六座橋梁基本反映出我國在預彎組合梁橋領(lǐng)域的科研、設(shè)計及施工技術(shù)水平。目前結(jié)合哈爾濱市二環(huán)路快速干道工程，一跨38m和三跨33m的預彎組合簡支梁橋正在設(shè)計之中，這將使我國的預彎組合梁橋數(shù)量再創(chuàng)新高。但值得注意的是上述橋梁均為簡支結(jié)構(gòu)，而在預彎組合連續(xù)梁橋方面，盡管國內(nèi)已開展了一些理論研究工作，但尚未付諸工程實踐。

三、預彎組合梁橋的枝末、經(jīng)濟性分析
1橋梁的結(jié)構(gòu)高度
預彎組合梁橋除具有結(jié)構(gòu)承載力大、吊裝重量輕、抗裂性能好、施工速度快、結(jié)構(gòu)耐久性好等結(jié)構(gòu)特性之外，其最大的優(yōu)勢在于它的結(jié)構(gòu)高度最小。橋梁的結(jié)構(gòu)高度是其重要的技術(shù)指標之一。表1的數(shù)據(jù)表明，在16～40m的中、小跨徑簡支梁橋中．預彎組合梁的建筑高度在0.6一1.2m，其高跨比范圍在1/27～1/33.3，均小于相應跨徑的其他結(jié)構(gòu)。上述特點對于多層立交橋和高速公路上的跨線橋都有重要意義。對于城市立交橋，預彎組合梁可以有效減小橋梁的總高度，減小各層橋梁的長度；對于高等級公路，可使路堤高度明顯降低并減小其長度，從而帶來經(jīng)濟效益和社會效益。
2單跨橋梁經(jīng)濟性分析
預彎組合梁橋的經(jīng)濟性是其推廣應用的重要因素之一。根據(jù)國內(nèi)建成的幾座項彎組合梁橋的有關(guān)資料，表2結(jié)出了一跨項彎組合梁橋上部結(jié)構(gòu)（含橋面鋪裝層）的主要材料用量。
表中數(shù)據(jù)表明，預彎組合梁的每平米混凝土用量較少，而鋼材用量較高，且與預彎組合梁橋的跨徑、荷載等級有關(guān)。

為說明在相同跨徑下，不同橋梁上部結(jié)構(gòu)經(jīng)濟指標之間的差別，文獻【9】給出了 16m預彎組合梁、預應力空心板梁、鋼筋混凝土T梁橋主要經(jīng)濟指標的對比數(shù)據(jù)，見表3。這些數(shù)據(jù)是以五寨河橋為背景、并按1991年河南省鄭州市的材料價格計算的。

表3中的數(shù)據(jù)表明，預彎組合梁雖有建筑高度小，鋼筋、混凝土用量少，吊裝重量輕及運輸安裝方法簡單等優(yōu)點，但其上部結(jié)構(gòu)每平米造價要分別高于預應力空心板梁和鋼筋混凝土T梁約30％和50％。分析其主要原因有以下幾點：
（1）鋼板用梁較大。由于鋼梁是預彎組合梁中受力主體之一，且除跨中截面以外的其他截面上作用彎矩在減小而鋼板厚度難以減少（不像鋼筋那樣可以彎起和剪斷），必然造成鋼材不能全部充分利用。
（2）16錳鋼板的價格較高。按1991年的價格計算，16猛鋼板的價格要比普通鋼筋高約28％，故材料費用本身增加。
（3）鋼梁加工費用較高。由于采用的預彎鋼梁是用鋼板焊接并用熱變形的方法制成的．故加工費用要高于鋼筋制作的費用。
以上分析表明，預彎組合梁橋上部結(jié)構(gòu)的每平米造價與同跨徑的預應力混凝土空心板梁和鋼筋混凝土T形梁相比明顯偏高。預計在20～40米的跨徑范圍內(nèi)，預彎組合梁的單孔造價也將明顯高于同寬、同跨徑的鋼筋混凝土和預應力混凝土T梁。
但是從另一方面考慮，如果以橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)的綜合造價為基礎(chǔ)，上述差異將會有所減少。這是因為隨著跨徑的增加橋梁但載內(nèi)力占全部荷載內(nèi)力的比例增加，預彎組合梁的結(jié)構(gòu)自重內(nèi)力將明顯減小，因此相應所需要的下部結(jié)構(gòu)（蓋梁、墩和柱）的造價亦會有所降低。如果將預彎組合梁橋與同跨徑的鋼一混組合梁或鋼橋相比，不僅其結(jié)構(gòu)高度小，其單孔造價也將明顯低于后兩者。

3多層、多跨橋梁的經(jīng)濟性分析
由于預彎組合梁的每平米造價高于同跨徑的常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)，因此在一座多跨橋梁上全部以預彎組合梁宋代替常規(guī)結(jié)構(gòu)將是很不經(jīng)濟的。但是在一座兩層多跨橋梁的高程控制橋跨上采用1～2跨預彎組合梁可以使橋梁總長度減少2～4跨則是事實。如果對一座多層的大型立交橋，在各個高層控制橋跨上均采用預彎組合梁，那末節(jié)約的橋跨數(shù)將是相當可觀的，由此帶來的經(jīng)濟效益和社會效益也將是明顯的。為論證上述觀點的正確性，我們給出如下的證明。
假設(shè)在一平坦地區(qū)建造一座多層分離式立交橋，地面層用于非機動車和人行，第一，第二及第三層用于機動車行駛。圖1給出了單側(cè)橋梁長度L的計算模式。

設(shè)第一層、第二層和第三層橋梁的設(shè)計參數(shù)如下：

根據(jù)堅曲線的幾何關(guān)系，可以得到豎曲線的外距計算公式：

如果是對稱豎曲線，即有ii=ii；，于是公式（1）可以簡化為公式（2），既有


上式給出了豎曲線外距與豎曲線半徑及橋梁縱坡的簡單關(guān)系。同理，由各層豎曲線的幾何關(guān)系可以建立各層橋梁長度的計算模型：

為簡捷說明問題，我們假設(shè)各層橋梁的凈空要求相同，即有H1=H2=H3=H；各層橋梁的橋面鋪裝厚度相同，即有δ1=δ2=δ3=δ；各層橋跨的豎曲線半徑相同，縱坡相同并導致其相應的外距也相同，即有R1=R2=R3=R,i1=i2=i3=i,E1=E2=E3=E；各層橋梁的橋臺建筑高度相同，即有 G1＝ G2= G3＝ G；如果我們再假定各層橋梁控制橋跨的結(jié)構(gòu)高度也相同，即有Δ1=Δ2=Δ3=Δ；那么，上過橋梁單側(cè)長度的計算公式可以簡化為如下形式：

上述公式結(jié)出了理想化的三層立交橋單側(cè)橋梁長度Li與控制橋跨結(jié)構(gòu)高度Δ之間的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)公式（4）利用微分關(guān)系不難找出橋梁結(jié)構(gòu)高度的增量變化dΔ對單側(cè)橋梁長度的影響量dLi的關(guān)系：

公式(5）表明，橋梁結(jié)構(gòu)高度已變化對每層橋梁長度將產(chǎn)生不同的影響，立交橋的層數(shù)越高，其結(jié)構(gòu)高度的影響也越大。如果我們按城市立交橋考慮，取橋下凈空高度H＝5m，取橋面鋪裝層厚度δ= 0.15m，取凸形豎曲線的一般最小半徑 R＝ 4500m，取橋梁縱坡i=3.5％（該值適合于北方冰雪地區(qū)）；并取橋臺高度G＝2.5m。按公式（2）可求出豎曲線的外距為E=2．76m。再用公式（4）、（5）可求出控制橋跨的結(jié)構(gòu)高度對橋梁單側(cè)長度及其相應增量間的對比關(guān)系，其結(jié)果由表4給出。

表4中的數(shù)據(jù)表明，橋梁的結(jié)構(gòu)高度對橋長有明顯的影響，而且這種影響隨著立交橋的層數(shù)增加而增加。現(xiàn)代高速公路及城市快速干道的寬度也在隨交通量的發(fā)展而增加，因此無論從美學上還是從功能上均需要立交橋的主跨跨徑不斷增加。這自然就產(chǎn)生了橋梁跨徑與其結(jié)構(gòu)高度的矛盾。增加橋梁主孔跨徑就意味著增加梁高，也意味著增加橋梁的長度和造價。如果能夠在增加橋梁主孔跨徑的同時減小橋梁結(jié)構(gòu)的相對高度，則可以不增加或減少橋梁長度，并且不增加或減少工程投資。在這種猜況下，由于預彎組合梁橋具有很小的高跨比和相對較大的跨越能力，不能不說是一種合理的橋型方案。當橋梁的結(jié)構(gòu)高度降低0．5～ 1.5米時，對于第一層橋可以減少單側(cè)橋長 15～43m。若以 20m預應力混凝土空心極梁作為標準跨，可節(jié)約l～2跨，雙側(cè)橋長將節(jié)約2～4跨；對于第M層橋可以減少單側(cè)橋長29～86m，可節(jié)約2～4跨；對敘橋長將節(jié)約4-8跨。若有第三層橋存在，可以減少單側(cè)橋長43～129m，可節(jié)約2～7跨，雙側(cè)橋長將節(jié)約4～14跨。按上述計算對于一座三層分局式立交橋，如果在三個高程控制橋跨均采用預奇彎組合梁，全橋可望節(jié)約10～26跨20米預應力混凝土空心板梁。盡管在三個控制橋跨上部結(jié)構(gòu)的局部造價將會增加，但全橋的總造價仍將有明顯的減小。1994年哈爾濱市新陽路立交橋的設(shè)計實踐經(jīng)驗已證明了上述論點。
4．經(jīng)濟性分析結(jié)論
根據(jù)上述分析、計算，對于預彎組合梁橋的經(jīng)濟性可以給出如下結(jié)論：
（1）對于中、小跨徑的預彎組合梁橋，單孔上部結(jié)構(gòu)造價要高于常規(guī)鋼筋混凝土、預應力混凝土結(jié)構(gòu)30％～50％；考慮下部結(jié)構(gòu)的綜合造價，上述比率尚可減少；
（2）在一座橋梁的所有橋跨均采用預彎組合梁將是不經(jīng)濟的；
（3）預彎組合梁橋的單孔上部結(jié)構(gòu)造價將明顯低于同跨徑鋼橋和鋼一混凝土組合梁橋；
（4）對于兩層以上的立交橋在高程控制橋跨采用預彎組合梁，將使橋長縮短，并帶來明顯的經(jīng)濟效益。而且立交橋的層數(shù)越多，總橋長越短、經(jīng)濟效益越明顯。

四、展望未來
預彎組合梁橋的建筑高度等方面的優(yōu)勢已逐漸為我國橋梁工程師所認識．但其經(jīng)濟性問題尚未被同行們認可。通過本文的分析，剖析了預彎組合梁在多層立交橋中經(jīng)濟性的辯證關(guān)系，希望能為廣大的橋梁工程師提供一種新的經(jīng)濟性思維方法。
值得注意的是；日本的預彎組合梁橋并不僅僅用于多層立交橋，而是大量地在跨線橋、跨河橋上使用。當然，日本的經(jīng)濟實力較強，他們所追求的不僅僅是經(jīng)濟效益，而主要是一種新意，是一種美感，是一種創(chuàng)新意識。日本的預彎組合梁研究雖然起步比我們早，但大量的應用也是在對世紀80年代以后。我國在這個領(lǐng)域的理論研究起步較晚，而且在推廣應用上似乎比日本更慢。國力不能不說是一個影響因素，而思維方法、技術(shù)政策和創(chuàng)新意識方面的差距可能更大一些。
隨著我國國力的不斷增強，鋼產(chǎn)量的不斷增加，相信我國的橋梁工程師們也能用自己的智慧和力量，經(jīng)過不斷的努力，縮小在這一技術(shù)領(lǐng)域的差別。使我國在預彎組合梁橋領(lǐng)域的設(shè)計、施工水平有一個較大的發(fā)展，并在我國中、小跨徑橋型結(jié)構(gòu)中再添新枝。

參考文獻
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