二莫互通A匝道鋼-混凝土組合梁橋設計

陳 維,劉義河,趙 亮,曲 佳

(吉林省公路勘測設計院,長春 130021)

0 概 述

鋼和混凝土是建造橋梁的主要結構材料,這兩種材料在物理和力學性能上具有不同的優(yōu)勢和劣勢.鋼-混凝土組合梁發(fā)揮了鋼與混凝土材料各自的優(yōu)點,充分利用了混凝土的抗壓與鋼的抗拉能力,使得鋼-混凝土組合梁橋相對于混凝土橋上部結構具有建筑高度低、自重輕、地震作用小、結構延性提高,鋼梁便于工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝質量高、施工費用低、施工速度快、節(jié)省支模工序和模板等優(yōu)點[1].

二莫互通是大慶至廣州、琿春至烏蘭浩特兩條高速公路國道主干線交叉樞紐互通立交,A匝道跨越琿烏高速公路,交角33°,被交叉道路寬25.5 m.該項目地處吉林省中西部松嫩平原,地勢平坦,考慮跨徑較大,同時為了降低路基平均填土高度,減少土方數(shù)量,減少占地和節(jié)約工程造價,方便施工,上部采用跨徑32+2×43+32 m鋼-混凝土組合連續(xù)箱梁結構,橋梁總體布置見圖1.

圖1 橋梁總體布置圖(單位:cm)

1 結構設計

二莫互通A匝道橋采用跨徑32+2×43+32 m鋼-混凝土組合連續(xù)箱梁結構,橋梁全長150 m.設計荷載為公路-Ⅰ級,地震基本烈度Ⅷ度,地震動峰值加速度0.20 g,橫橋向布置為:0.5 m(護欄)+9.0 m(行車道)+0.5 m(護欄),總寬 10 m,橋梁橫斷面布置見圖2所示.

上部結構鋼-混凝土組合箱梁采用單箱雙室斷面 ,橋面橫坡由腹板變高度形成.組合梁由預應力混凝土橋面板、槽形鋼梁及橋面系組成.槽形鋼梁高度125～149.4 cm,鋼箱梁翼板寬80 cm、厚25 mm,底板寬620 cm、厚20 mm.底板和腹板在中支點處做加厚處理.為提高鋼箱梁的剛度和整體穩(wěn)定性,采用在鋼箱梁內(nèi)設置鋼隔板、加勁肋等構造措施,并在支點處隔板內(nèi)灌注混凝土,中支點兩側底板內(nèi)填充厚度20 cm的無收縮混凝土,用剪力釘來保證鋼板與混凝土之間的連接.混凝土橋面板由8 cm預制板和現(xiàn)澆C50鋼纖維混凝土組合而成,總厚度35 cm,混凝土橋面板與鋼槽形梁間采用剪力釘連接形成組合截面.

圖2 主梁橫斷面布置(單位:cm)

為防止支點負彎矩段橋面混凝土開裂,在混凝土橋面板中施加縱向預應力,預應力采用9φs15.20、12φs 15.20鋼絞線束,中支點(單柱墩)橋面板中施加橫向預應力,預應力采用5φs 15.20鋼絞線扁束,預應力孔道采用塑料波紋管成孔.縱向預應力分兩批進行張拉,中支點鋼箱節(jié)段架設后先澆筑橋面板混凝土,然后張拉該段橋面板預應力鋼束,節(jié)段間采用高強螺栓連接,形成連續(xù)結構后澆筑其余部分橋面板混凝土,張拉其余的縱向預應力鋼束.

橋臺采用肋板式臺,樁基礎,次中墩采用雙柱式墩,樁基礎,中墩位于琿烏高速公路的中央分隔帶上,采用鋼管混凝土單柱式墩,鋼管內(nèi)填充C40無收縮混凝土,樁基礎.

2 施工工序

鋼箱梁分3類共7個制作段施工,A制作段為兩邊跨22 m段落,B制作段為中支點兩側各10 m段落,C制作段為中跨23 m段落.各制作段在工廠完成制作,運至施工現(xiàn)場進行拼接,拼接采用連接鋼板和高強螺栓,快速便捷.主要施工工序如圖3所示:

圖3 施工工序圖

各步驟施工內(nèi)容:①施工橋梁下部墩臺,安裝支座.架設臨時支墩,分段吊裝槽形鋼梁,支承于永久支座和臨時支墩上.②澆筑中支點節(jié)段(中支點兩側各10 m)箱內(nèi)混凝土,待混凝土強度達到90%以后澆筑該段隔板和橋面板混凝土,混凝土強度達到設計要求后,張拉該部分鋼束,施工中應注意調(diào)整該部分臨時支撐保證鋼梁不脫空.③用高強螺栓連接鋼梁縱向接頭,形成連續(xù)結構.澆筑其余部分橋面板混凝土和隔板混凝土.待混凝土強度達到設計要求后,張拉其余部分縱向預應力鋼束.④張拉剩余部分中支點處橋面板橫向預應力鋼束.2號墩與主梁固結(加勁板與主梁焊接).拆除臨時支撐.⑤鋼梁涂裝.施工橋面鋪裝、護欄和伸縮縫.

3 計算分析

計算中將鋼-混凝土組和梁按彈性理論計算,鋼箱梁按容許應力法,混凝土橋面板按承載能力極限狀態(tài)法驗算.計算采用橋梁博士V3.1,鋼梁與混凝土頂板按組合截面考慮,計算模型將鋼梁作為主截面,上部混凝土橋面板作為附加截面,根據(jù)施工順序按階段考慮附加截面參與受力,鋼梁頂板、底板、腹板直接計入模型,橫隔等構件按荷載考慮.上部主梁按施工階段考慮鋼槽梁與混凝土橋面板分階段受力特點以及形成組合截面后按組合受力構件承擔二期、使用階段荷載進行計算.

3.1 基本假定及計算參數(shù)

(1)假定鋼材、混凝土為理想彈性各向同性材料;

(2)假定鋼箱梁的鋼板與頂板混凝土間連接良好,不存在相對滑移(理論依據(jù):經(jīng)過分析計算知該橋鋼腹板與混凝土頂板的剪力連接件按完全建立連接設計,可以忽略腹板與混凝土頂板之間的滑移,將對應的節(jié)點完全連接[2]);

(3)采用的主要設計參數(shù)為:鋼板容重78.5 kN/m3;混凝土容重26 k N/m3;孔道摩阻系數(shù)μ=0.17;孔道偏差系數(shù)0.0015;一端錨具變形及鋼筋回縮值為6 mm;

(4)體系整體升溫 30°,降溫50°,支座沉降1.0 cm;

(5)梯度溫度按《公路橋涵通用設計規(guī)范》考慮.

3.2 分析工況

針對A匝道橋的施工工序,計算中劃分為7個施工工況和1個使用工況,具體工況如下:

①設置臨時墩,架設預制鋼梁.施工支點段箱內(nèi)混凝土;

②施工各中支點段鋼梁橋面板混凝土;

③橋面板混凝土參與受力,張拉部分支點負彎距鋼束;

④澆筑其余部分橋面板混凝土,預制鋼梁各段連接成整體;

⑤其余部分橋面板混凝土參與受力,張力剩余部分支點負彎距鋼束;

⑥施工橋面鋪裝混凝土及護欄;

⑦空階段,完成收縮徐變,施工時間3650天.

使用階段.

3.3 分析結果

(1)施工階段分析

從施工階段劃分可以看出:第②、④兩個階段混凝土面板已計入重力,未計入受力,對鋼箱梁受力較為不利,見圖4;第③、⑤兩個階段,橋面板上張拉預應力對橋面板受力較為不利,見圖5.

從圖中可以看出:在施工階段中,鋼梁和混凝土橋面板應力均不大,遠小于規(guī)范容許值.因此,施工階段結構是安全的.

(2)使用階段分析

使用階段鋼梁采用容許應力法,不計入組合系數(shù),即采用標準組合,使用階段鋼梁上下緣正應力見圖6:(拉應力為負,壓應力為正)混凝土橋面板使用階段受力情況如圖7:(拉應力為負,壓應力為正)

由圖中可以看出:鋼梁最大拉應力69.2 MPa,最大壓應力132.3 MPa,均小于容許應力210 MPa.預應力混凝土橋面板最大拉應力0.9 MPa,小于容許值0.7 ftk=1.855 MPa;最大壓應力11.3 MPa小于容許值16.2 MPa.因此,使用階段結構受力均滿足要求.

4 結 語

在高速公路橋梁建設中,新的結構型式不斷涌現(xiàn).鋼-混凝土組合結構是繼鋼橋和鋼筋混凝土橋梁之后,又一種被工程界所接受并迅速發(fā)展的橋梁結構形式.組合結構充分發(fā)揮了鋼材和混凝土兩種材料的力學特性,具有很好的施工性能,外形美觀大方,結構安全可靠,綜合效益顯著.可以預見,鋼-混凝土組合梁橋將是橋梁工程的重要發(fā)展方向之一,在高速公路橋梁建設中應用前景廣闊.

[1]樊建生,聶建國.鋼-混凝土組合橋梁研究及應用新進展.建筑鋼結構進展[J],2006,(10):35-39.

[2]勞埃?揚.鋼-混凝土組合結構設計[M].上海:同濟大學出版社,1991:154.

[3]陳光明,楊云安,陳志軍.鋼-混凝土組合梁橋施工的時變空間有限元分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2003,27(6):845-848.