無支架施工曲線鋼—混組合梁橋設(shè)計

孫凌巖

摘 要：北京市某曲線立交橋采用了鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)，從橋式選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工方法等幾個方面進行介紹，并對其進行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計算分析。結(jié)果表明：鋼混組合梁具有結(jié)構(gòu)輕、跨度大、施工快捷且不中斷交通等優(yōu)點而廣泛用于城市立交橋；另外無支架施工大大減少施工輔助結(jié)構(gòu)及橋上施工作業(yè)量，從而顯著改善工作條件，加快工程進度，現(xiàn)代橋梁施工中已普遍采用這種施工方法。

關(guān)鍵詞：鋼-混組合梁橋；無支架；曲線橋；設(shè)計

中圖分類號：TU398.9 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0103-02

1 工程概況

本項目為太平莊北街上跨京藏高速公路設(shè)置的匝道橋，以半徑為80m曲線由西向東依次跨越高速輔路、收費站出口、高速主路、收費站入口、高速輔路。受橋下京藏高速公路影響，中央分割帶處橋墩斜交布置，橋墩中心線與橋梁中心線夾角為83.6°（右偏角），其余橋墩均正交布置。橋位平面布置見圖1。

2 橋式選擇

根據(jù)本項目特點及場地情況，橋墩墩位的設(shè)置避開既有路，并應滿足道路的安全距離。結(jié)合混凝土和鋼材的各自特點，從結(jié)構(gòu)受力、景觀效應、施工方法、工期、施工干擾等因素考慮，采用2聯(lián)鋼-混組合連續(xù)梁橋式方案，鋼梁采用工廠預制，分段吊裝，橋面板采用現(xiàn)澆施工方法，跨徑布置（26.5+21+20）m+（23+22+22.5）m。

本橋平面位于半徑80m圓曲線上，縱斷面為雙向3.5%縱坡，豎曲線半徑為1600m。橋下道路凈空要求：高速輔路及收費站≥4.5m；高速主路≥5.5m。

3 主要設(shè)計要點

3.1 上部結(jié)構(gòu)

組合箱梁由帶上翼板的預制開口鋼箱梁和現(xiàn)澆混凝土橋面板通過抗剪連接件組合形成聯(lián)合截面共同受力。組合后梁高1.5m（其中含橋面高度0.4m）。橋?qū)?0m，橫向由2片鋼箱梁組成，中距5m。每片箱梁底寬2.5m，高1.1m，底板及翼板厚25mm，腹板厚20mm，均采用Q345qD鋼板。為提高其整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定性，單個箱室內(nèi)每隔4m設(shè)置一道橫隔板，采用板式結(jié)構(gòu)，每隔1m于腹板內(nèi)側(cè)設(shè)置一道豎向加勁肋。為使兩個鋼箱整體受力，鋼箱之間利用橫向聯(lián)系進行連接，采用箱形結(jié)構(gòu)，跨中均布設(shè)置兩道，墩頂設(shè)置三道。

鋼箱梁每聯(lián)分3個制作段，全橋共6個鋼梁制作段，最長梁段長31.5m，最大吊裝重485kN，梁段之間均采用高強度螺栓連接。

混凝土橋面板厚0.3～0.4m，板全寬10m，懸臂1.25m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)澆形式。為減少混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)的不利影響，采用C50微膨脹混凝土。此外，為增大墩頂鋼箱梁局部剛度及穩(wěn)定性，在支點橫梁處箱梁內(nèi)澆筑C50微膨脹混凝土，與橋面板形成整體。

3.2 下部結(jié)構(gòu)

考慮區(qū)域景觀一致性兼顧施工方便，本橋下部結(jié)構(gòu)與區(qū)域統(tǒng)一。橋墩采用T形墩，預應力蓋梁，橋墩中心線與橋梁中心線正交布置。蓋梁采用矩形斷面，長8.2m，寬1.7m、高1.6m（墩中心線處），墩柱外蓋梁懸臂為變高矩形截面，懸臂凈長2.85m。墩柱采用2.5m（橫橋向）×1.2m（順橋向）矩形倒圓角斷面。墩柱下接矩形承臺，承臺尺寸為7.5m（橫橋向）×3.0m（順橋向）×2.0m（厚度）；承臺下設(shè)2根直徑1.8m鉆孔灌注樁。

3.3 施工方案

為保證高速公路運營安全，以及鋼結(jié)構(gòu)本身特點，結(jié)合太平莊北街的施工周期要求緊迫，盡量小的影響交通，決定采用工廠加工，現(xiàn)場吊裝架設(shè)的施工方法。受京藏高速公路影響及考慮不中斷交通，采用無支架施工方法，利用吊裝工字鋼進行架設(shè)。施工步驟如下：

步驟一：現(xiàn)場施工下部結(jié)構(gòu)；步驟二：分段制作鋼箱梁各制作段；步驟三：現(xiàn)場架設(shè)鋼箱梁各制作段成簡支懸臂狀態(tài)；步驟四：在拼接制作段上安裝臨時工字鋼，吊裝制作段并與懸臂狀態(tài)制作段進行栓接，拆除工字鋼；步驟五：連接箱間橫梁，形成連續(xù)箱梁；步驟六：安裝鋼模板、綁扎混凝土板鋼筋，同時澆筑各制作段混凝土橋面板；步驟七：進行橋面鋪裝等附屬設(shè)施施工。

4 結(jié)構(gòu)計算與分析

4.1 計算模型

依據(jù)《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》（GB 50917-2013）和《公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01-2015）要求進行計算；混凝土頂板計算按照鋼筋混凝土軸拉構(gòu)件進行計算。內(nèi)力采用《Midas Civil 2015》空間桿系有限元程序進行計算。模擬施工過程如下：CS1：施工下部結(jié)構(gòu)，架設(shè)邊跨鋼箱梁成簡支狀態(tài)；CS2：安裝臨時工字鋼，架設(shè)拼接段鋼梁并栓接，形成連續(xù)箱梁，完成體系轉(zhuǎn)換；CS3：澆筑橋面板混凝土；CS4：鋼梁與混凝土橋面板聯(lián)合受力；CS5：施工二期恒載（鋪裝和防撞護欄）；CS6：考慮365d收縮徐變。

4.2 施工階段鋼梁應力驗算

組合梁施工時，鋼梁下無臨時支撐，混凝土板硬結(jié)前的材料重量和施工荷載效應全部由鋼梁承擔，鋼梁與混凝土板結(jié)合之后，荷載效應由組合截面承擔。在進行結(jié)構(gòu)分析前，應仔細分析結(jié)構(gòu)受力過程，充分考慮鋼梁或者組合結(jié)構(gòu)自身的受力特性來模擬結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)。經(jīng)分析，橋面板混凝土澆筑后，未硬結(jié)前，此施工階段鋼梁受力最不利。

鋼梁最大壓應力64.7MPa，最大拉應力-79.6 MPa，均小于容許應力210MPa。滿足規(guī)范要求。

4.3 使用階段組合截面承載力驗算

（1）抗彎承載力計算。當鋼材力學性能及組合梁截面板件寬厚比滿足塑性設(shè)計要求時，采用塑性設(shè)計方法計算抗彎承載力。不符合時，應采用彈性設(shè)計方法進行。用塑性設(shè)計方法計算截面承載力，其最終的極限狀態(tài)可不考慮施工過程及徐變、收縮、溫度作用的影響。采用彈性設(shè)計方法時，其應力的極限狀態(tài)為繼承應力，應計入這些作用的影響。本橋組合箱梁滿足塑性設(shè)計要求，按照塑性設(shè)計方法的計算結(jié)果如表1。

由表1可知：鋼混組合梁的抗彎承載力滿足規(guī)范要求。

（2）抗剪承載力計算。在極限狀態(tài)時，鋼混組合梁的全部豎向剪力僅由鋼梁腹板承擔。當組合梁承受彎、剪共同作用時，組合梁抗剪承載力會隨截面所承受彎矩的增加而減小，故采用最大折算應力的方法考慮組合梁彎、剪耦合作用?？辜舫休d力計算可按照《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》（GB 50917-2013）中公式進行。經(jīng)計算，本橋鋼混組合梁的抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

4.4 使用階段鋼梁應力驗算

使用階段鋼梁采用容許應力法，標準組合下鋼梁最大壓應力105.8MPa，最大拉應力-115.1MPa，均小于容許應力210MPa。滿足規(guī)范要求。

4.5 使用階段混凝土板裂縫寬度驗算

負彎矩區(qū)組合梁混凝土板工作性能接近于混凝土軸心受拉構(gòu)件，則負彎矩區(qū)組合梁混凝土板最大裂縫寬度按鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件計算。依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）軸心受拉構(gòu)件計算，采用短期效應組合，計算結(jié)果如表2。

由表2可知：混凝土板最大裂縫寬度均小于0.2mm，滿足規(guī)范要求。

4.6 撓度計算

采用焊釘?shù)热嵝赃B接件的組合梁在混凝土板和鋼梁界面將產(chǎn)生相對滑移，導致組合梁撓度增加，因此，計算組合梁正常使用極限狀態(tài)下的撓度時，需對組合梁換算截面剛度進行折減。連續(xù)組合梁采用未開裂分析方法時，全橋均應采用考慮滑移效應的折減剛度；采用開裂分析方法時，中支座兩側(cè)0.15L范圍內(nèi)區(qū)段組合梁截面剛度應取開裂截面剛度，其余區(qū)段組合梁截面剛度可取考慮滑移效應的折減剛度。撓度的計算方法可按結(jié)構(gòu)力學公式進行計算。

4.7 抗剪連接件設(shè)計

鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的力學性能不僅受到兩種材料各自材質(zhì)的影響，而且與結(jié)合面的連接形式有較大關(guān)系。橋面混凝土板通過剪力焊釘與鋼梁進行連接?？辜暨B接件的計算，應以彎矩絕對值最大點及零彎矩點為界限，劃分為若干個剪跨區(qū)，逐段進行。抗剪連接件可在對應的剪跨區(qū)段內(nèi)均勻布置。當在此剪跨區(qū)段內(nèi)有較大集中荷載作用時，應將連接件個數(shù)按剪力圖面積比例分配后再各自均勻布置。同時，進行抗剪連接件設(shè)計時，連接件尺寸、布置應滿足構(gòu)造要求。

4.8 計算結(jié)論

根據(jù)以上計算，施工階段及使用階段鋼混組合梁設(shè)計滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

（1）鋼-混組合梁與鋼箱梁相比，具有剛度大，噪音小，橋面耐久性、耐疲勞性能更好，造價上更加經(jīng)濟合理；與混凝土梁相比，其結(jié)構(gòu)自重有很大減輕，梁高相對小，對橋下凈空及下部結(jié)構(gòu)設(shè)計更有利。

（2）采用無支架吊裝施工，解決了可不設(shè)臨時墩方可進行拼接。既借鑒其它同類橋梁部分成功經(jīng)驗，也有一定的大膽創(chuàng)新，為今后類似問題的解決提供參考。

參考文獻

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