某立交兩層交叉鋼混凝土組合梁的設(shè)計(jì)計(jì)算

張 為

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100082）

0 引言

鋼混凝土組合梁的鋼箱在工廠制造、運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，再分段吊裝、組裝?；炷翗蛎姘逶阡撓渖吓R時(shí)設(shè)置的模板現(xiàn)場(chǎng)澆筑，可大幅度縮短現(xiàn)場(chǎng)施工周期，最大限度地減少對(duì)現(xiàn)狀交通的干擾，在城市立交橋梁施工中得到了大量應(yīng)用。隨著城市路網(wǎng)建設(shè)的密集，現(xiàn)場(chǎng)管線、道路交通等施工條件越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)于鋼混凝土組合梁的設(shè)計(jì)施工提出了許多新的難題，尤其是雙層交叉的鋼混凝土組合梁設(shè)計(jì)施工難度均較大，如何以最短的工期、結(jié)構(gòu)受力最合理的方式實(shí)現(xiàn)，本文提供了一種解決思路。

1 工程概況

某立交A匝道（A0#墩～A3#墩），B匝道(B4#墩～B5#墩)，C匝道(C10#墩～C14#墩，C14#墩～C16#墩)，共四聯(lián)橋梁主梁結(jié)構(gòu)形式采用鋼混凝土組合連續(xù)梁，保證施工期間對(duì)橋下道路通行影響降低到最低程度。鋼混凝土組合梁橋梁長(zhǎng)度共342 m，橋梁面積共計(jì)3269 m2。其中C匝道(C14#墩～C16#墩)上跨B匝道(B4#墩～B5#墩)，B匝道(B4#墩～B5#墩)上跨已有道路。立交平面布置如圖1所示。

2 橋梁設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）橋梁機(jī)動(dòng)車道荷載標(biāo)準(zhǔn)：城-A級(jí)；驗(yàn)算荷載：公路-I級(jí)。

（2）橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a。

（3）公路橋涵設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

（4）道路性質(zhì)：立交橋梁匝道，設(shè)計(jì)車速為40 km/h。

圖1 立交平面布置圖

（5）橋面施工及使用階段按非線性溫度梯度荷載進(jìn)行計(jì)算，升溫t1:14℃，t2:5.5℃；降溫t1：-7℃，t2：-2.75℃。橋梁體系升溫30℃，降溫-30℃。

（6）設(shè)計(jì)基礎(chǔ)縱向不均勻沉降5 mm。

（7）地震基本烈度：該擬建場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值基本加速度0.10 g。

（8）橋下凈空：快速路凈空不小于5.5 m；主干路凈空不小于5.0 m。

（9）橋面寬度：A、C匝道 0.75 m+8 m+0.75 m，全寬9.5 m。B匝道0.75 m+8.5 m+0.75 m，全寬10.0 m。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 B匝道

B4#～B5#墩，位于匝道道路圓曲線（半徑600 m）、緩和曲線段。橋梁位于道路縱坡為1.80%、-4.95%的豎曲線段，豎曲線半徑R=2000 m，車行道寬8.50 m，橋梁全寬10.00 m。橋梁橫向設(shè)單向2.00%橫坡。

B4#～B5#墩主梁采用鋼混凝土組合梁結(jié)構(gòu)。梁高1.80 m，其中預(yù)制高度1.45 m，現(xiàn)澆橋面板厚0.28m～0.35m。橋梁中線處分孔為一孔簡(jiǎn)支40m。橫向?yàn)閱蜗潆p室斷面，箱室全寬10.00m，底板寬6.00 m，外懸臂2.00 m。鋼箱底板水平，腹板高度不同，橋面橫坡由腹板高度變化形成。其總體設(shè)計(jì)圖見圖2所示。共分3個(gè)制作段工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)在各制作段接口處設(shè)臨時(shí)墩，鋼箱制作段現(xiàn)場(chǎng)吊裝就位，高強(qiáng)螺栓栓接。

B4#墩、B5#墩墩頂設(shè)板式橡膠支座，其下設(shè)樁柱式構(gòu)造。

2.2.2 C匝道

C10#～C14#墩、C14#～C16#墩，位于匝道道路緩和曲線、圓曲線段，橋梁中線處圓曲線半徑R=100 m。橋梁位于道路縱坡為2.269%、-2.65%的豎曲線段，豎曲線半徑R=3000m，車行道寬8.00m，橋梁全寬9.50 m。橋梁橫向設(shè)單向2.00%～0.00%變化橫坡。

C10#～C14#墩、C14#～C16#墩主梁采用鋼混凝土組合梁結(jié)構(gòu)。主梁梁高1.80 m，其中預(yù)制高度1.45 m，現(xiàn)澆橋面板厚0.28 m～0.35 m；C10#～C14#墩橋梁中線處分孔為27+37.85+28.15+34.5=127.5（m）。橋梁中線處分孔為 29.89+39=68.89（m）。兩聯(lián)主粱橫向均為單箱雙室斷面，箱室全寬9.50 m，底板寬5.50 m，外懸臂2.00 m。鋼箱底板水平，腹板高度不同，橋面橫坡由腹板高度變化形成。其總體設(shè)計(jì)圖見圖3所示。共分9個(gè)制作段工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)在各制作段接口處設(shè)臨時(shí)墩，鋼箱制作段現(xiàn)場(chǎng)吊裝就位，高強(qiáng)螺栓栓接。

C10#墩、C14#墩、C16#墩墩頂設(shè)抗拉球型支座；C11#墩、C12#墩、C13#墩、C15#墩采用墩梁固接體系。由于受橋下管線限制，C15#墩采用獨(dú)柱支撐，同時(shí)承臺(tái)方向旋轉(zhuǎn)避讓管線。

2.3 附屬工程設(shè)計(jì)

2.3.1 防腐涂裝

鋼梁部件表面除銹后的鋼表面潔凈度等級(jí)應(yīng)達(dá)到《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》（GB/T 8923-1988）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Sa2.5級(jí)，外觀相當(dāng)于該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ASa2.5、BSa2.5、CSa2.5。鋼梁防腐涂裝滿足《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》（JT/T 722-2008）相關(guān)要求，鋼箱梁內(nèi)、外表面、墩柱外包鋼板及外露鋼板防護(hù)涂層有效使用壽命至少應(yīng)達(dá)到20 a。

圖2 B4#～B5#墩鋼混凝土組合梁總體設(shè)計(jì)圖

圖3 C14#～C16#墩鋼混凝土組合梁總體設(shè)計(jì)圖

2.3.2 抗拉球型支座

C匝道邊墩支座采用KLQZ-3000DX±100單向活動(dòng)型拉壓球型鋼支座，此支座為縱向滑動(dòng)支座，支座活動(dòng)方向沿順橋向安裝。KLQZ-3000DX±100單向活動(dòng)型拉壓球型鋼支座設(shè)計(jì)要求：承載力3000 kN，拉力600 kN，縱向活動(dòng)。

2.4 計(jì)算分析

由于上下兩層鋼混凝土組合梁交叉處的臨時(shí)支架平面位置基本重合，且下層B匝道的臨時(shí)支架待C匝道施工完成后拆除，同時(shí)在臨時(shí)支架位置，即制作段分段位置兩側(cè)鋼箱內(nèi)設(shè)置有橫隔板，所以上層梁的臨時(shí)支架反力通過(guò)下層梁的橋面板、橫隔板再傳遞到下層臨時(shí)支架，因此在下層鋼混凝土組合梁的整體計(jì)算時(shí)可以不用考慮上層鋼混凝土組合梁臨時(shí)支架反力，下述計(jì)算重點(diǎn)介紹C14#～C16#墩鋼混凝土組合梁。

計(jì)算采用北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院自主開發(fā)的橋梁有限元綜合軟件系統(tǒng)BRGFEP V3.0。

2.4.1 計(jì)算參數(shù)

2.4.1.1 溫度

考慮全橋溫差、主梁上下緣線形溫差及非線性溫差。雖然設(shè)計(jì)要求橋面板采用無(wú)收縮混凝土澆筑，理論上不存在混凝土的收縮，出于安全考慮，計(jì)算仍計(jì)入主梁上下緣線形溫差以模擬混凝土的收縮徐變。其中升溫組合：主梁上緣 40℃，下緣 30℃；降溫組合：主梁上緣–35℃，下緣–30℃。

2.4.1.2 沉降

共 2組：C14#、C16#墩沉降 0.005 m；C15#墩沉降0.005 m。

2.4.1.3 鋼材

鋼箱采用q345q-C，鋼材彈模Eg=21×104MPa，彈模比n=Eq/Eh=6.00，考慮橋面板剪力滯后影響，彈模比取為7。

2.4.1.4 邊界條件

C15#墩按照墩梁固結(jié)模擬，墩柱為獨(dú)柱圓柱，計(jì)算時(shí)根據(jù)慣性距和面積相等原則折算成矩形獨(dú)柱。柱底按彈性支撐考慮。由樁計(jì)算程序pile程序得來(lái)：水平剛度＝403112 kN/m，豎向剛度＝3700000 kN/m，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度＝19514339 kN/m（按剛性考慮）。

2.4.2 計(jì)算結(jié)論

2.4.2.1 上層混凝土橋面板（見圖4）

施工階段，截面上緣混凝土結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在第6階段，10單元，-3.34/7=0.48 Mpa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在第7階段，30單元，12.18/7=1.74 MPa。

成橋運(yùn)營(yíng)階段，截面上緣混凝土結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在荷載組合7（恒載+線性降溫+非線性降溫+強(qiáng)迫位移1+汽車），位置單元9，-5.31/7=-0.78MPa。

圖4 短期效應(yīng)荷載組合7混凝土橋面板應(yīng)力圖

2.4.2.2 下層鋼箱（見圖5）

施工階段，截面下緣鋼結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在第8階段，45單元，-36.99 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在第8階段，23單元，103.99 MPa。

成橋運(yùn)營(yíng)階段，截面下緣鋼結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在荷載組合7，位置單元16150.1 MPa。

計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

臨時(shí)支架反力分別為1936 kN（下層B匝道的臨時(shí)支架位置上方）和2271 kN。

圖5 持久狀況荷載組合7鋼箱應(yīng)力圖

3 施工方案

3.1 施工方案介紹

C匝道C14～C16號(hào)墩鋼梁上跨B匝道B4～B5號(hào)墩鋼混凝土組合梁，C匝道制作段DC8臨時(shí)支撐需設(shè)置在B匝道橋面上。施工單位需安排好兩個(gè)匝道鋼梁施工順序，B匝道下方設(shè)置的臨時(shí)支撐應(yīng)在C匝道橋面板混凝土澆筑完成、橋面板預(yù)應(yīng)力張拉完成后拆除。其施工順序見圖6所示。

3.2 施工注意事項(xiàng)

（1）鋼箱梁吊裝前，必須首先完成兩側(cè)相鄰現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，以確保全橋施工順利進(jìn)行。

圖6 施工順序圖

（2）施工期間橋面嚴(yán)禁堆載超過(guò)橋梁設(shè)計(jì)荷載的重物，并嚴(yán)禁一側(cè)施工荷載偏載過(guò)重。

（3）注意制作段吊裝運(yùn)輸過(guò)程中，應(yīng)正確使用專用吊具，嚴(yán)防鋼梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)、翹曲和側(cè)傾。在吊裝就位時(shí)，應(yīng)配合測(cè)量工作，注意梁體同步，輕吊輕放，支墊平穩(wěn)，正確就位。

（4）保證臨時(shí)支架的強(qiáng)度、剛度和施工空間，及其基礎(chǔ)的可靠性。在主梁施工的全過(guò)程中不能變形或沉降。必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行預(yù)壓。與鋼梁接觸部位應(yīng)能起頂和滑移。鋼梁吊裝必須確保吊裝方案可行，位置準(zhǔn)確，接口位置誤差滿足規(guī)范要求。各支點(diǎn)應(yīng)保證施工安全，并考慮防止車輛撞擊，施工方案請(qǐng)交通管理部門認(rèn)可。施工過(guò)程中嚴(yán)密監(jiān)視墩頂高程變化，并采取相應(yīng)措施。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）一座成功的鋼混凝土組合梁設(shè)計(jì)要充分考慮施工階段的影響，對(duì)于上下兩層交叉設(shè)置的鋼混凝土組合梁，需充分重視上下兩層梁的臨時(shí)支架的位置，避免上層梁的臨時(shí)支架對(duì)下層梁產(chǎn)生不必要的附加施工荷載。

（2）鑒于臨時(shí)支架反力較大，且為施工過(guò)程中重要的承載結(jié)構(gòu)，建議采用剛度較大的焊接螺紋鋼管配合型鋼支架或者軍用貝雷梁，同時(shí)注意支架預(yù)壓及基礎(chǔ)處理，并嚴(yán)格要求施工過(guò)程中橋面臨時(shí)機(jī)具、材料堆放等的重量及偏載限制，避免施工過(guò)程中出現(xiàn)設(shè)計(jì)荷載工況外的意外。

該項(xiàng)目目前處于施工過(guò)程中，進(jìn)展順利。