绿色设计理念在公路桥梁设计中的运用

摘要 公路桥梁在施工的过程中，通常施工周期都比较长，容易对环境产生影响，且在施工的过程中还会造成资源浪费，不符合绿色发展的要求，因此在当前的技术应用中，绿色设计理念成为项目关注的焦点。文章在研究公路桥梁设计的过程中融入绿色设计理念，采用预制装配化绿色建造技术、悬索桥的组合桥面板技术等新型技术，在缩短工期、减少环境的污染、降低建设成本以及优化公路桥梁结构等方面具有重要作用，满足公路桥梁绿色设计需求。

关键词 绿色施工;公路桥梁工程;施工技术

中图分类号 U442.5 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）06-0150-03

引言

绿色设计理念在公路桥梁设计中具有重要作用，能够降低对环境的污染和节约设计成本的同时，还能满足公路桥梁设计绿色发展要求[1]。而在公路桥梁设计中，实施预制装配化绿色建造技术、悬索桥的组合桥面板技术等新型技术能够满足设計创新需求，符合当前社会绿色发展的行业建设要求，在公路桥梁设计中应用绿色设计理念具有重要意义。

1 预制装配式桥梁特点

在当前的公路桥梁设计中，在条件允许的情况下都会采用原位现浇法施工，在公路桥梁设计中现浇法施工能够发挥重要的作用，但由于工地普遍存在脏乱现象，而且出现了材料浪费和环境污染等，对城市交通设施和景观等带来不必要的制约因素[2]。在国内预制装配式桥梁构件中，主要分为上下部两个结构，在上部结构中，主要涉及预制小箱梁、钢箱梁以及预制节段箱梁等，而下部结构主要涉及预制盖梁以及预制桥墩等，如图1所示。

上下部结构应用工厂预制、现场拼装等措施，这种桥梁称之为“预制装配式桥梁”。研究桥梁跨度需要结合跨径、道路平曲线形科学选择上部结构装配式构件，而构件适用范围主要见表1。下部结构装配式构件分类如表2所示。

预制装配式桥梁施工相比于传统施工，具有绿色可持续发展特点，体现在以下方面：一是工厂化预制构件质量及外观都较优异;二是材料和机械周转投入中能减少80%，降低70%建筑垃圾;三是节省25%～30%工期，节约70%人工投入和50%施工用地;四是降低粉尘、噪声、施工安全等影响，满足市政交通正常运行需求。在公路桥梁设计中有较大发展空间，采用标准化、工厂化、装配化、信息化、一体化以及智能化设计和生产措施可促进预制装配式桥梁在发展中有效应用。

2 预制装配化建造技术

2.1 预制装配式桥梁上部结构

在节段拼装箱梁断面的选择中，需要全面分析节段梁榀数、运输以及工厂预制等。在当前的节段拼装箱梁的断面形式中，比较常用的是单箱单室，针对变宽的上部结构而言，需要综合分析箱梁的标准化程度、结构受力等。

2.1.1 节段分块

预制节段需要满足流水线、工厂化和模块化的设计要求，遵守结构尺寸标准化、模数化和对称性原则，进而设置划分节段和接缝位置，减少梁段种类。研究国外桥梁建设经验，当桥梁的箱梁跨径为32 m或者40 m时，单个箱梁的节段长度建议保持在2.5～4 m之间，节段最大预制重量不能过大，通常保持100～150 t即可。若使用短线法预制，构造设计需满足施工标准[3]。梁节段曲线半径较小，纵向长度过长，模板很难应用，节段长度需适当减小。

2.1.2 体外预应力

施工工艺具有差异性，节段拼装预应力体系逐跨拼装中，须应用体外预应力;悬臂拼装采用混合束以体内预应力为主。桥梁建设中融合体外预应力和节段施工技术的项目较多，比如芜湖长江公路二桥引桥、福建洪塘大桥引桥等，国内预应力混合技术应用将该技术和桥梁节段梁体外、内预应力融合的项目也多，如嘉绍大桥引桥、乐清湾1、2号桥引桥以及崇启长江大桥引桥等，相关统计如表3所示。

2.1.3 节段剪力键连接技术

连接技术满足预制节段高效传递剪力和固定节段相互位置，保障其整体性，需要在预制拼装桥梁节段中设置好齿块式剪力键。单齿键和多齿键受力都有优越性，当前以密键形式的剪力键为主。剪力键设置需关注美观、受力以及施工因素，布置须遵循以下原则：

（1）布置均匀，梯形截面需保持45°倾角，采用的高度和混凝土最大粗骨粒径相比需大于2倍。

（2）将密键形式应用到腹板中，需要对腹板全高度布置，保持梁高的75%，采用的剪力键横向宽度至少需要保持腹板宽度的75%。

（3）在顶、底板剪力键的设置中，需要应用比较大的疏键。

（4）预制节段体内预应力孔道岩及剪力键冲突需要科学处理，节段厚板较薄可适当取消冲突剪力键，反之，可以保留，且采用局部减小措施来减小剪力键。如图2所示。

2.2 预制装配式桥梁下部结构

2.2.1 下部结构预制分类

分析桥梁下部结构，由立柱、盖梁以及承台和桩基组成。中小跨径桥墩涉及的混凝土桥墩有单柱、双柱以及多柱桥墩，为满足预制墩柱运输、安装便利性，采用的预制立柱须保持在12～17 m之间，立柱重量小于150 t，比如，上海S7公路和凤翔北路高架桥等项目，低墩都采用整体预制式的立柱。预制盖梁涉及整体、部分、节段和分段预制盖梁[4]。在运输、制作、安装和质量控制等环节效率比较高，应用广泛，能够在设置4车道以下的桥面中应用，但桥梁高度小于15 m，重量小于200 t。

2.2.2 下部结构连接技术

通过分析节段拼装桥墩连接，发现主要的连接方式有灌浆波纹钢管、灌浆套筒、普通混凝土湿接缝以及预应力钢筋连接等方式，通过对这些方式的应用能够满足预制桥墩节段、墩身、盖梁与承台之间的高效连接，而在拼装环节中，有效应用环氧胶或砂垫层进行接缝。

3 悬索桥技术结构设计

3.1 悬索桥组合桥面板技术

采用新型技术和材料是桥梁绿色设计的重要表现，有效应用组合桥面板技术、悬索桥主缆防腐成套技术以及桩基重力式复合基础等新型技术和新材料能够满足桥梁绿色设计需求[5]。需要研究钢桥面铺装以及组合桥梁面板基于解决钢桥板面疲劳的耐久性问题，提高主桥和桥面铺装的寿命，借助纵向全应力混凝土桥板面方案，并将该板面和钢主梁刚性连接来协调受力，增加桥面刚度，改善沥青混凝土桥面铺装和主梁连接整体性，须解决以下问题：

（1）钢梁和混凝土板连接。悬索桥的主梁主要以弯矩受力为主，和斜拉桥主梁有较大差别，为降低主梁重量和钢材用量，桥面板厚度以18～20 cm为主，参考斜拉桥组合梁构造。剪力钉设置中应用钢梁横隔板，将混凝土板和剪力钉连接起来。

（2）混凝土桥面板与主梁安装。绿色设计须减少施工时间，桥面板须分块预制，加工厂须将钢梁和混凝土板连接[6]。结合缆载吊机吊装能力，初步设置12 m主梁节段，主梁节段内混凝土桥面板分为8块预制，采用湿接缝使钢梁横隔板连接成整体。

（3）混凝土桥面板的耐久性。设置中虽然可采用纵向全预应力构件，但横向也存在拉应力，混凝土桥面板并不厚，施工产生的误差以及材料使用也会导致桥面板应力和所计算的值有误差，需要采取措施来保障桥梁的使用功能。研究发现可以应用高强度混凝土强化抗拉能力，但须更换混凝土桥面板方案，发生问题及时更换。

3.2 桩基重力式复合基础设计

以强风化、中风化的页岩、砂岩等基岩为例，岩石承载力较低，基础形式可选用地下连续墙，承载能力较好、刚度较大、安全储备高。这种基础施工条件差，导致施工工期长，对环保产生影响，造价也比较高。因此，采用桩基重力式复合基础设计能解决水平抗滑能力不足问题，借助地基和桩基共同体的承载方式能够强化主缆荷载水平，降低基础混凝土的使用，且开挖深度也较小，基地以下为钻孔桩，能降低工程风险。

3.3 悬索桥主缆耐久性分析

3.3.1 主缆钢丝

当前国内悬索桥主缆钢丝强度最大值为1 770 MPa，比如南京长江第四大桥、虎门二桥和马鞍山长江大桥等，而在国外超过该强度值，如蔚山哈伯大桥达到1 960 MPa，墨西拿海峡大桥和韩国光阳大桥都是1 860 MPa。悬索桥主缆钢丝采用强度为1 770 MPa，能够强化钢丝的承载效率，降低材料用量和缩短项目工期，满足绿色设计需求。近年来国外研究出锌铝合金镀层，由于耐腐蚀性强于传统热镀锌镀层的5倍，在国内外桥梁建设中都有所应用，应用该材料增加成本比较小，但可以降低后期维护成本，能够体现环保、经济、绿色和节能的优点。

3.3.2 主缆防护系统

公路桥梁设计中，可以应用“S型钢丝+干燥空气除湿”防护方案，在主缆钢丝外部缠绕S型钢丝，缠丝外部应用橡胶缠包带，在钢丝内部送入干燥空气[6]。这种方式除了能提高主缆防护体系密封性之外，还能保护S型钢丝，还具有美化桥梁景观作用。这种方案能去除主缆内部水分，保障主缆内部空气湿度，防腐防锈，提高主缆耐久性，提高公路桥梁的寿命。

4 结语

在公路桥梁设计中融入绿色设计理念，项目建设中需要综合分析施工成本、项目质量和环保问题，针对性实施绿色设计施工技术。在研究的过程中有效分析预制装配化建造技术和悬索桥技术结构设计带来的绿色设计效果，进而提高公路桥梁设计水平，能够满足新时代项目绿色建设需求。

参考文献

[1]鄢芳华， 曹海顺. 下部结构预制拼装技术在平原区高速公路桥梁中的运用[J]. 公路， 2020（9）： 137-140.

[2]季文超. 绿色施工背景下的公路桥梁施工技术[J]. 价值工程， 2019（29）： 241-242.

[3]唐歡， 鲍学英， 王起才， 等. 西北寒旱地区铁路桥梁绿色施工环境影响的区间分析[J]. 铁道标准设计， 2018（9）： 72-78.

[4]廖世俨， 鲁东福， 李宇航. 公路桥梁设计BIM软件体系与解决方案评价[J]. 建筑机械， 2021（9）： 73-76.

[5]周敉， 赵威， 刘阳， 等. 公路桥梁地震设计状况荷载组合分项系数研究[J]. 中国公路学报， 2021（2）： 317-330.

[6]苏利洪. 公路桥梁工程设计中桩基沉降简析[J]. 价值工程， 2021（27）： 92-94.

收稿日期：2022-01-25

作者简介：吴世刚（1963—），男，本科，高级工程师，研究方向：公路桥梁设计。