近期國內(nèi)三座組合橋梁之技術(shù)創(chuàng)新

邵長宇，陳 亮

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

組合結(jié)構(gòu)以其整體受力的經(jīng)濟(jì)性、發(fā)揮兩種材料各自優(yōu)勢(shì)的合理性以及便于施工的突出優(yōu)點(diǎn)，在歐美等發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用，建造了大量的各種形式的組合結(jié)構(gòu)橋梁。由于理論與方法的進(jìn)步，技術(shù)人員對(duì)結(jié)構(gòu)可以更準(zhǔn)確地把握，從設(shè)計(jì)與施工的各個(gè)環(huán)節(jié)全面考慮。設(shè)計(jì)與施工相互依存，緊密結(jié)合，使得材料更加節(jié)省，施工更加便捷，性能更優(yōu)越。我國在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用方面雖然與發(fā)達(dá)國家相比還不夠普遍，但近年來，相關(guān)研究與工程實(shí)踐呈現(xiàn)快速發(fā)展的勢(shì)頭，其中，在上海長江大橋、杭州九堡大橋以及舟山市小干二橋工程分別大規(guī)模地應(yīng)用了組合結(jié)構(gòu)橋梁，在充分吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的具體建設(shè)條件，通過創(chuàng)新大力提高組合結(jié)構(gòu)橋梁的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)競爭能力。

1 上海長江大橋組合箱梁橋

1.1 方案與構(gòu)思

上海長江大橋工程全長約16 km，越江橋梁長約10 km。主航道橋兩側(cè)高墩區(qū)非通航孔橋處于河道中間，為了減小建橋?qū)λ沫h(huán)境的影響，需要采用較大跨度。經(jīng)比選采用了鋼與混凝土組合箱梁方案，主跨105 m，兩聯(lián)全長1 400 m。大橋按雙向6車道公路與2線軌道交通標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路Ⅰ級(jí)；列車荷載按每輛車滿載48 t、長度16.5 m、10輛編組考慮，設(shè)計(jì)需要考慮6汽車加2線列車荷載作用。連續(xù)組合箱梁跨度布置為90 m+5×105 m+85 m，按照整孔預(yù)制吊裝施工方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。大橋于2009年建成通車，實(shí)景照片見圖1。上下行車道分成2幅橋，結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖1 上海長江大橋建成后圖片

圖2 軌道交通鋪軌前后路幅布置（單位：cm）

該橋高墩區(qū)連續(xù)組合箱梁在結(jié)構(gòu)形式的確定過程中考慮了以下因素：采用整幅橋面時(shí)，由于橋面寬度達(dá)到35.3 m，單箱雙室或單箱多室截面雖然下部結(jié)構(gòu)更加緊湊合理，但該橋條件下，上部結(jié)構(gòu)施工存在一定困難或不足，同時(shí)由于該段橋梁與主航道斜拉橋相銜接，受主航道橋采用分離鋼箱截面影響，橋面最大需加寬10 m，顯然采用整幅橋面不合理。該段橋梁處于江面之中，頂推法失去經(jīng)濟(jì)性，節(jié)段拼裝法既不經(jīng)濟(jì)，也不利于保證質(zhì)量；采用整孔吊裝法施工，該橋選擇分成雙幅橋分開建設(shè)，單幅橋?qū)捈s17 m，采用單箱單室截面，截面組合后吊重需要1 900 t，起吊設(shè)備可以和70 m混凝土箱梁的吊裝統(tǒng)籌考慮，同時(shí)可以利用東海大橋的預(yù)制場地及碼頭等設(shè)施，綜合而言有其技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性，并有橋面整修時(shí)方便車輛轉(zhuǎn)移等優(yōu)勢(shì)?？缍炔贾镁C合考慮了結(jié)構(gòu)受力、橋梁景觀等因素，邊跨90 m介于105 m中跨和斜拉橋107 m邊跨之間，既照顧到連續(xù)組合箱梁的受力合理性，又不致于對(duì)景觀造成大的影響。采用梁高5 m的等高梁，既考慮方便加工制造與施工吊裝，又不致于引起材料用量增加過大。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組合箱梁采用單箱單室截面，由槽形鋼梁與橋面板通過焊釘結(jié)合構(gòu)成，梁高5.0 m，橋面板寬16.95 m。箱梁有軌道側(cè)的懸臂板預(yù)留的鋼管斜撐，正式鋪軌時(shí)安裝。中間支點(diǎn)附近鋼梁下翼緣承受較大壓力，為了減小鋼板厚度，方便焊接，確保質(zhì)量，在各中支點(diǎn)20 m范圍采用了雙層組合結(jié)構(gòu)。

開口槽形鋼梁由底板、腹板、上翼緣板以及間斷設(shè)置的橫隔系、加勁肋等組成。腹板上下各設(shè)1道縱向板式加勁肋。鋼梁下翼緣全部采用板式加勁肋，在中支點(diǎn)附近下緣板式肋開孔兼作下層混凝土板的連接件。鋼梁以大約5.1 m的間距設(shè)有橫隔系，橫隔系由腹板和底板橫向T形加勁肋以及桁架桿件組成，在各墩支點(diǎn)處設(shè)置實(shí)腹鋼橫隔板。腹板為滿足不同區(qū)域抗剪需要，在橫隔系之間設(shè)置1～2道豎向加勁肋。該橋鋼梁主體構(gòu)件采用Q345qD鋼，跨中下翼緣約20 m范圍采用Q370qD鋼。

混凝土橋面板箱中心處厚30 cm、腹板處厚50 cm，橋面板僅橫向配有預(yù)應(yīng)力束。由于在組合截面中配置縱向預(yù)應(yīng)力束預(yù)防橋面板開裂的效率低下，確定不配縱向預(yù)應(yīng)力束。相應(yīng)采用多種手段改善橋面板受力，實(shí)現(xiàn)以適當(dāng)配筋對(duì)裂縫寬度和發(fā)展的有效控制。橋面板的縱向配筋率是變化的，其中，跨中約80 m范圍配筋率平均為1.25%，負(fù)彎矩區(qū)范圍配筋率平均2.7%。

橋面板與鋼梁連接選用φ22 mm的焊釘。對(duì)于橫向剪力與拉拔力較大的橫向加勁肋局部范圍，通過增加焊釘數(shù)量并避免直接設(shè)在橫向加勁肋頂部，達(dá)到減小焊釘拉拔力與防止橋面板剝離的雙重目的。

1.3 施工方法

該橋采用整孔吊裝法施工，一聯(lián)7孔劃分為7個(gè)大節(jié)段進(jìn)行預(yù)制與吊裝。在預(yù)制場分孔完成鋼結(jié)構(gòu)拼裝，安裝約80%的橋面板并形成組合截面，再整孔吊裝簡支于橋墩之上，鋼梁連接后，最后施工負(fù)彎距區(qū)橋面板。這樣支點(diǎn)處組合截面負(fù)彎距小，有利于橋面板的裂縫控制；跨中段由組合截面承受所有荷載，充分發(fā)揮了混凝土的承壓性能，減小了鋼梁受力。圖3為整孔預(yù)制吊裝實(shí)景。

圖3 整孔預(yù)制吊裝實(shí)景

采用整孔吊裝并簡支于橋墩的施工方法，雖然降低了中支點(diǎn)的負(fù)彎距，有利于負(fù)彎距區(qū)橋面板受力，但正彎距較大并控制跨中箱梁下翼緣鋼板設(shè)計(jì)。鋼梁拼裝完成后縱向設(shè)定為4點(diǎn)支撐，安放預(yù)制橋面板并作為鋼梁壓重，通過調(diào)節(jié)內(nèi)外支點(diǎn)高差，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼梁反彎，使之上翼緣預(yù)拉、下翼緣預(yù)壓，見圖4。大部分橋面板在預(yù)制場完成與鋼梁結(jié)合，可減小鋼梁受力，發(fā)揮混凝土抗壓性能。相應(yīng)于中支點(diǎn)附近約15 m范圍預(yù)制橋面板僅擺放到位，吊裝后再澆筑結(jié)合混凝土。

圖4 整孔組合箱梁制作時(shí)鋼梁反彎示意（單位：m）

選用負(fù)彎矩區(qū)橋面板滯后結(jié)合與支點(diǎn)升降兩種方法，分別對(duì)負(fù)彎矩區(qū)橋面板起到減小拉應(yīng)力與施加壓應(yīng)力的作用。一聯(lián)7孔全部吊裝焊接完畢后，6個(gè)中間墩分3次，每次2墩，從中間向兩側(cè)依次完成下緣混凝土澆筑、主梁支點(diǎn)起頂、墩頂段橋面板結(jié)合、支點(diǎn)降落的工序，見圖5。

圖5 組合箱梁主要施工工序安排示意（單位：m）

2 杭州九堡大橋組合拱橋

2.1 方案與構(gòu)思

杭州九堡大橋于2011年建成通車。大橋全長1 855 m，設(shè)雙向6車道及兩側(cè)各寬3 m人行道，標(biāo)準(zhǔn)橋面總寬31.5 m，主航道橋因結(jié)構(gòu)需要加寬至37.7 m。主航道橋采用主跨3×210 m的連續(xù)組合拱橋，實(shí)景照片見圖6。

圖6 杭州九堡大橋建成后圖片

主航道橋采用主跨3×210 m的跨度布置，基本覆蓋整個(gè)主槽擺動(dòng)范圍，并且能夠滿足1 000 t級(jí)內(nèi)河貨船通航水深要求。主航道橋的施工按照常規(guī)方案，將在水上搭設(shè)大量支架進(jìn)行橋面系與拱肋結(jié)構(gòu)安裝。如此，在錢塘江涌潮及河床沖淤劇烈區(qū)域，不僅代價(jià)高而且現(xiàn)場工作量大，安全與質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)高?；趯?duì)建設(shè)環(huán)境與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的細(xì)致分析和判斷，設(shè)計(jì)創(chuàng)新采用梁拱組合體系與結(jié)構(gòu)方案，并推出頂推施工法。這一設(shè)計(jì)構(gòu)思實(shí)現(xiàn)了變水上施工為岸上施工，不僅免除了江中大量臨時(shí)墩和支架，減少施工對(duì)環(huán)境及航運(yùn)的干擾，還避免了水上高空拼裝拱肋的風(fēng)險(xiǎn)與困難；此外，鋼結(jié)構(gòu)全部在岸上施工，為提高工程質(zhì)量創(chuàng)造了最佳條件。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主航道橋主墩采用V形墩，V形墩與梁體實(shí)際是分開的，其間設(shè)置支座。上部結(jié)構(gòu)采用梁-拱組合體系，由鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋面系和鋼拱結(jié)構(gòu)組成，上部結(jié)構(gòu)的支承跨度為188 m+22 m+188 m+22 m+188 m，立面布置見圖7。

圖7 縱向立面布置(單位：m)

鋼拱系統(tǒng)由主拱肋、副拱肋及橫向連桿組成，拱橋橫截面見圖8。

圖8 拱橋橫截面（單位：m）

組合橋面系由混凝土橋面板和鋼梁組成，截面中心處梁高4.5 m，一般截面如圖9所示。鋼梁的兩側(cè)主縱梁為2.25 m×3.96 m窄箱，箱頂面中心間距27.6 m，主縱梁之間設(shè)有間距4.25 m的I形橫梁；人行道為全鋼結(jié)構(gòu)，置于主縱梁外側(cè)；為便于橋面板分塊預(yù)制，設(shè)2道小縱梁。橋面板厚26 cm，無預(yù)應(yīng)力束，縱向按允許橋面板開裂、控制裂縫寬度的原則設(shè)計(jì)。

圖9 拱橋組合橋面系截面示意（單位：m）

拱梁鋼結(jié)構(gòu)均采用Q345qD鋼材，橋面板采用C50混凝土。吊桿縱向間距8.5 m，為平行鋼絲索體系，均為121φ7 mm。

2.3 施工方法

基于對(duì)建設(shè)環(huán)境與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的細(xì)致分析和判斷，主航道橋設(shè)計(jì)推出了頂推施工法，210 m跨間僅設(shè)1座臨時(shí)墩。主航道橋的頂推施工有別于常用的推動(dòng)或拖動(dòng)梁體在支點(diǎn)上滑移的方法。這一方法需要對(duì)鋼梁進(jìn)行特別加強(qiáng)，才能滿足頂推時(shí)局部受力與穩(wěn)定要求，這將導(dǎo)致對(duì)鋼梁加強(qiáng)的費(fèi)用遠(yuǎn)高于采用新頂推工藝與設(shè)備所增加的費(fèi)用。鑒于此，設(shè)計(jì)時(shí)明確提出要以合理的頂推設(shè)備和工藝以及同步的平衡控制技術(shù)，保證結(jié)構(gòu)受力安全可靠，頂推施工方案要實(shí)現(xiàn)無需對(duì)鋼梁進(jìn)行特別加強(qiáng)。其目的在于通過推動(dòng)頂推施工技術(shù)進(jìn)步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)橋梁總造價(jià)最經(jīng)濟(jì)。施工總體上可分為鋼結(jié)構(gòu)和橋面板兩部分。鋼結(jié)構(gòu)包括橋面系鋼梁及鋼拱，均在岸上拼裝，在橋面系鋼梁與拱肋之間設(shè)有臨時(shí)桿件，以便在頂推過程共同受力。設(shè)置于橋面系鋼梁與拱肋之間的臨時(shí)桿件是非常重要和有效的，它使得梁與拱形成了類似桁架結(jié)構(gòu)的受力體系，減小了橋面系鋼梁在施工過程中的約束支承長度，成為實(shí)現(xiàn)大跨距頂推施工的關(guān)鍵，使得3個(gè)210 m大跨之間每跨僅設(shè)1座臨時(shí)墩即可滿足施工要求成為可能。多點(diǎn)同步頂推時(shí)，分散在各墩（含臨時(shí)墩）的設(shè)備同步起升、推進(jìn)。每拼裝完成1孔頂出1孔，直至3孔全部頂推到位，圖10為拱橋頂推實(shí)景圖片。

圖10 拱橋頂推實(shí)景圖片

鋼結(jié)構(gòu)頂推完成之后，按照設(shè)計(jì)規(guī)定的順序張拉吊桿并拆除臨時(shí)拱梁間桿件，再鋪設(shè)預(yù)制橋面板并澆筑接縫混凝土，完成后續(xù)施工。連續(xù)組合拱橋的橋面板后期施工降低了主體鋼結(jié)構(gòu)的施工難度。從受力角度看，只要鋼結(jié)構(gòu)部分完好，即使橋面板失效，整體結(jié)構(gòu)仍然是安全的，這使橋面板的更換修補(bǔ)切實(shí)可行。

拱橋頂推施工且210 m跨間僅設(shè)置1座臨時(shí)墩，無疑是一次新的嘗試。組合拱橋除去橋面板之后，鋼結(jié)構(gòu)的承載能力與其自重相比具有較大的可利用空間。通過在鋼拱肋與鋼縱梁之間設(shè)置臨時(shí)桿件，可以合理有效地發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)整體的承載能力，在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上均具有顯著的優(yōu)點(diǎn)和競爭力。

3 舟山小干二橋組合梁懸索橋

3.1 方案與構(gòu)思

舟山市小干二橋工程全長1 246 m，圖11為效果圖。從經(jīng)濟(jì)性、建設(shè)條件、景觀等方面綜合比選后，通航孔橋采用150 m+370 m+150 m=670 m組合梁自錨式懸索橋，建成后將成為該類橋型的最大跨徑，縱向立面布置見圖12。主橋斷面按近遠(yuǎn)期結(jié)合考慮，近期橫向設(shè)雙向4車道、兩個(gè)各3.2 m的非機(jī)動(dòng)車道及3 m人行道，遠(yuǎn)期橫向設(shè)雙向4車道、2線有軌電車及3 m人行道；標(biāo)準(zhǔn)橋面全寬32 m。近、遠(yuǎn)期橫斷面布置及結(jié)構(gòu)形式見圖13、圖14。

圖11 舟山市小干二橋效果圖

圖12 縱向立面布置（單位：m）

圖13 主橋近期斷面（單位：m）

圖14 主橋遠(yuǎn)期斷面（單位：m）

懸索橋是適合于大跨度的柔性結(jié)構(gòu)體系，對(duì)于大跨度懸索橋，加勁梁及其橋面結(jié)構(gòu)的重量是影響大纜的受力主要控制因素。隨著橋面系重量的增加，將引起大纜、橋塔及錨碇受力的增加，因此，大跨度懸索橋通常采用自重較輕的鋼箱梁，以求得總體方案的經(jīng)濟(jì)性。但是，對(duì)于該橋這樣中小跨度的懸索橋情況則有所不同，采用組合結(jié)構(gòu)加勁梁由于自重的增加，引起大纜、橋塔及錨碇受力增加，但加勁梁自身鋼材用量將減少，同時(shí)混凝土橋面板之上的路面鋪裝費(fèi)用也可顯著降低。采用組合梁可以避免正交異性橋面板疲勞破壞的隱患，橋面鋪裝的長期維護(hù)和更換費(fèi)用也可大大降低。此外，自錨式懸索橋產(chǎn)生于主梁的巨大軸向壓力也為采用組合加勁梁提供了有利條件。因此，在對(duì)鋼箱梁和組合梁進(jìn)行全面比選后認(rèn)為，采用組合梁的自錨式懸索橋方案在造價(jià)及耐久性等方面均具有優(yōu)勢(shì)。

3.2 工程設(shè)計(jì)

主橋主纜矢跨比為1/6，每根主纜含61股平行鋼絲索股，每股含127絲直徑為5.0 mm的1 770 MPa鍍鋅鋁合金鋼絲。每個(gè)吊點(diǎn)設(shè)雙根吊索，順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距8 m。吊索與主纜連接采用銷接連接，吊索與主梁連接采用錨箱式構(gòu)造，錨于挑梁端部。索鞍、索夾及散索套均采用全鑄結(jié)構(gòu)。

橋塔采用門型索塔結(jié)構(gòu)，塔柱為鋼筋混凝土構(gòu)件，橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，均采用C50高性能混凝土。

主梁采用鋼－混凝土組合梁結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段長度622 m，錨固區(qū)長度共55.2 m。標(biāo)準(zhǔn)段全寬32 m，道路中心線處梁高3 m，斷面詳見圖15。鋼梁梁高2.74 m，材質(zhì)為Q345qD，由主縱梁（閉口箱梁）、中橫梁、端橫梁、挑梁、小縱梁組成雙主梁梁格體系。雙縱梁中心間距20 m，縱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為8 m，每間隔4 m設(shè)置一道橫梁和挑梁，每兩道橫梁之間設(shè)置一道小縱梁。橋面板板厚26 cm，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度等級(jí)為C60。鋼梁與橋面板之間利用剪力釘連接。

圖15 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面示意(單位：m)

3.3 施工方法

該橋?yàn)樽藻^式懸索橋，采用先梁后纜的施工順序。

鑒于自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加勁梁一般采用滿堂支架或者頂推法施工。滿堂支架施工臨時(shí)墩較多，臨時(shí)費(fèi)用較高，且對(duì)海洋環(huán)境影響較大；若采用頂推法施工，對(duì)于組合梁而言，頂推跨徑過大會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)施工應(yīng)力大幅增加。因此，該橋加勁梁采用少支架施工工藝，以實(shí)現(xiàn)大跨徑組合結(jié)構(gòu)懸索橋總造價(jià)最經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)語

隨著我國綜合國力的增長，材料與人力成本的變化以及制造與施工技術(shù)的提高，組合結(jié)構(gòu)橋梁的競爭力將會(huì)日益提高。上述三座橋梁積極采用了新理念、新技術(shù)，以技術(shù)的合理性與經(jīng)濟(jì)性展現(xiàn)了組合結(jié)構(gòu)橋梁的優(yōu)勢(shì)與競爭力。實(shí)踐表明，只要跟蹤相關(guān)技術(shù)的最新發(fā)展，采用先進(jìn)的理論與方法，同時(shí)與具體工程建設(shè)條件緊密結(jié)合，相信我國也必定同歐美發(fā)達(dá)國家一樣建造越來越多的組合結(jié)構(gòu)橋梁，并為實(shí)現(xiàn)橋梁的全壽命經(jīng)濟(jì)性做出貢獻(xiàn)。