大跨長聯(lián)空腹式鋼-混混合梁連續(xù)梁橋技術(shù)探討

張曉光，宋堯2

（1.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121；2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056）

1 多跨長聯(lián)變截面連續(xù)梁概述

多跨長聯(lián)變截面連續(xù)梁各跨主梁造型上采用相似的曲線，呈現(xiàn)出跳躍的跨越感。而在結(jié)構(gòu)上，多跨連續(xù)梁橋具有剛度大、變形小、行車舒適、養(yǎng)護(hù)簡單、伸縮縫少、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。但多跨連續(xù)梁橋由于跨數(shù)多，活動支座、伸縮縫構(gòu)造復(fù)雜，主梁在受到混凝土收縮徐變以及溫度變化等的影響時會產(chǎn)生較大的縱向位移，這些問題制約了多跨長聯(lián)連續(xù)梁橋的應(yīng)用。而隨著近年大位移支座和大變形量伸縮裝置的研發(fā)應(yīng)用，且梁橋計算水平的提高，多跨長聯(lián)連續(xù)梁橋開始得到廣泛應(yīng)用，使多跨長聯(lián)連續(xù)梁成為競爭力較強(qiáng)的一種橋型。而由于某些原因限制，如通航孔徑、限高及景觀需求等，多跨連續(xù)梁橋主跨跨徑需超過其常規(guī)跨徑。文章以在建的福州市馬尾大橋為背景，從總體設(shè)計、空腹匯合段設(shè)計、鋼混結(jié)合段設(shè)計及大型抗震支座設(shè)計等方面對大跨長聯(lián)空腹式鋼-混混合梁連續(xù)梁橋進(jìn)行了一些探討研究。

2 工程概況

馬尾大橋及其接線工程位于福建省福州市，是連接馬尾新城與倉山、城門片區(qū)重要的跨江通道。馬尾大橋跨江段橋梁工程橋型為空腹式變截面連續(xù)梁橋，全長1684m，全橋共分2聯(lián)，左右分幅，單幅橋?qū)?0.25m。主橋跨徑布置為（71+83+123.5+240+123.5+83+71）=795m，主跨240m，為國內(nèi)最大跨度連續(xù)梁橋。其中，主橋主跨跨中96m采用鋼箱梁，其余部位均為混凝土結(jié)構(gòu)。

3 若干技術(shù)問題的研究

3.1 總體設(shè)計

馬尾大橋主跨由于通航及景觀需求，采用240m變截面連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。主跨主梁結(jié)構(gòu)形式總體上考慮了如下兩種措施。

①主墩支點(diǎn)處采用空腹式V型變高度梁。

綜合考量結(jié)構(gòu)受力及橋梁景觀等因素，馬尾大橋主墩處梁截面高度定為20m。主墩支點(diǎn)處采用空腹式V型變高度梁，既提高了支點(diǎn)處梁高度，同時也減輕了上部結(jié)構(gòu)重量，提高了跨越能力。設(shè)計中通過設(shè)置斜腿的方法理論上減少了主橋的計算跨徑，但受到施工等多方面的影響，實(shí)際規(guī)模相當(dāng)于200m左右的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。

②在主跨跨中一定范圍或主跨全部采用鋼結(jié)構(gòu)。

主橋主體采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁，但在主跨跨中一定范圍內(nèi)采用鋼結(jié)構(gòu)的鋼混組合結(jié)構(gòu)時，能降低梁高、減少恒重、增大跨度和減短工期。

部分或全部采用鋼結(jié)構(gòu)時各有優(yōu)缺點(diǎn)。在主跨跨中一定范圍內(nèi)采用鋼結(jié)構(gòu)的鋼混組合結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮各自材料的優(yōu)缺點(diǎn)，能一定程度上降低梁高、減少恒重、增大跨度和減短工期，造價相對經(jīng)濟(jì)，但鋼混結(jié)合段構(gòu)造復(fù)雜，結(jié)合點(diǎn)剛度變化大，有變形不協(xié)調(diào)性；而采用全鋼結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步降低梁高、減少恒重、增大跨度和減短工期，但費(fèi)用高，根部腹板高度大，腹板局部穩(wěn)定性問題較突出，馬尾大橋根部高度要求高達(dá)20m，即使采取V型空腹式結(jié)構(gòu)后，梁、腿結(jié)合處高度也達(dá)11.5m，同時鋼斜腿的受力和鋼板穩(wěn)定性問題也比較突出。經(jīng)綜合比選后，主跨采用了240m鋼混組合變截面連續(xù)箱梁。

采用鋼混組合變截面連續(xù)箱梁時，跨中鋼箱梁越長，主墩支點(diǎn)處負(fù)彎矩越小，結(jié)構(gòu)受力更為有利。但鋼箱梁的造價遠(yuǎn)高于混凝土梁，如果僅考慮鋼箱梁的造價，理論上可估算出鋼箱梁節(jié)段的最合理長度。而另一方面，確定鋼箱梁長度另一個必須考慮的因素是施工條件。鋼箱梁在工廠制造完成后，將通過水運(yùn)被牽引至橋位處，整體提升至橋面。這些因素也制約了鋼箱梁節(jié)段長度。綜合考量，馬尾大橋主橋主跨跨中96m采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，其中包括90m的鋼箱梁及兩端各3m鋼混結(jié)合段。

3.2 空腹匯合段設(shè)計

空腹段上、下弦匯合段是空腹式連續(xù)梁橋設(shè)計的一個重點(diǎn)，若下弦斜腿與上弦主梁梁體匯合處設(shè)計不合理，則會導(dǎo)致其受力路徑不明確，易出現(xiàn)復(fù)雜的高應(yīng)力區(qū)，使構(gòu)造不能滿足安全要求。宗昕等[1]比較了2種不同隔板設(shè)置形式，分別為格構(gòu)式（見圖1）和V叉挑板式（見圖2），經(jīng)過計算分析最后選定了V叉挑板式。馬尾大橋匯合段設(shè)計延續(xù)了北盤江空腹式剛構(gòu)橋匯合段設(shè)計。馬尾大橋設(shè)計過程，在V叉挑板式構(gòu)造上又提出了一種比選方案，即在交匯點(diǎn)區(qū)域增設(shè)橫梁，但局部計算結(jié)果表明，該構(gòu)造應(yīng)力水平及經(jīng)濟(jì)性均較差，這也進(jìn)一步驗證了V叉挑板式構(gòu)造的合理性。

圖1 格構(gòu)式

圖2 V叉挑板式

3.3 鋼混結(jié)合部設(shè)計

根據(jù)相關(guān)研究成果，馬尾大橋采用一種設(shè)置復(fù)合連接件的改進(jìn)性有格室鋼-混凝土混合梁結(jié)合部構(gòu)造形式（見圖3），其在鋼箱梁端部設(shè)置填充混凝土的鋼格室結(jié)構(gòu)，在鋼格室與混凝土相貼的頂板、底板和承壓板設(shè)置焊釘連接件，在鋼格室隔板上采用設(shè)置開孔板連接件，并與混凝土梁澆筑成一體。該構(gòu)造形式由于格室隔板設(shè)置了剛度和承載力均較焊釘連接件強(qiáng)得多的PBL連接件，使格室隔板傳力比例明顯提高；同時在格室內(nèi)設(shè)置的焊釘連接件，減小鋼與混凝土之間可能由于混凝土澆注不密實(shí)引起的脫空而帶來的不利影響，增加了結(jié)構(gòu)的安全儲備。

圖3 鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖

3.4 大型抗震支座設(shè)計

主橋主跨為240m鋼-混混合梁連續(xù)梁橋，采用墩頂設(shè)支座的連續(xù)梁體系，通過計算，半幅主墩墩頂反力合計24000t，橫橋向采用雙支點(diǎn)，單支座支承反力需要13000t，屬于大噸位支座。馬尾大橋橋址位于7度抗震設(shè)防區(qū)，在主體結(jié)構(gòu)形式已基本確定的情況，結(jié)構(gòu)最有效的抗震設(shè)計措施就是設(shè)置有效的減隔震支座。結(jié)合目前已有的橋梁減隔震設(shè)計研究成果，本橋采用合理設(shè)置摩擦擺球形減隔震支座的形式。摩擦擺球形減隔震支座利用單擺原理，不僅能有效延長結(jié)構(gòu)周期，降低地震響應(yīng)，還可通過自身的摩擦耗散地震能量，進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。

為適應(yīng)溫度變形及混凝土收縮徐變的影響，各聯(lián)橋設(shè)制動墩一個，如采用抗震體系（不設(shè)減隔震措施），在地震荷載作用下，制動墩將獨(dú)自承擔(dān)地震荷載，制動墩墩身內(nèi)力突出。而采用隔震體系（如設(shè)減隔震支座）時，通過減弱制動墩對主梁的約束有效低降低制動墩墩頂分擔(dān)的有效主梁質(zhì)量，從而顯著降低制動墩的地震反應(yīng)，結(jié)構(gòu)體系也由制動墩單獨(dú)抗震體系轉(zhuǎn)變?yōu)槎喽諈f(xié)同抗震，降低了制動墩的地震內(nèi)力。

考慮到支座規(guī)模及更換難度，主墩支座采用與主體結(jié)構(gòu)同壽命設(shè)計基準(zhǔn)期?，F(xiàn)行規(guī)范采用兩階段設(shè)防的抗震設(shè)計理念，針對兩階段設(shè)防不同的地震作用，馬尾大橋除了設(shè)置了摩擦擺支座外，還在靠近制動墩的臨近墩上設(shè)置速度鎖定裝置。即E1地震通過靠近制動墩的臨近墩上的速度鎖定器實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分配，靠結(jié)構(gòu)自身承受地震效應(yīng)，E2地震則通過摩擦擺支座耗能、隔震達(dá)到減隔震目標(biāo)。與采取單一的某種抗震措施相比，其在不同等級地震作用下均有對應(yīng)的抗震裝置投入工作，適應(yīng)性更強(qiáng)，不僅符合兩階段設(shè)防的抗震設(shè)計理念，也更有利于實(shí)現(xiàn)大噸位支座實(shí)現(xiàn)與主體結(jié)構(gòu)同壽命設(shè)計基準(zhǔn)期設(shè)計[2]。

馬尾大橋通過合理設(shè)置摩擦擺支座和速度鎖定器既能保證正常使用狀態(tài)的結(jié)構(gòu)變形，又能在地震作用下，有效減隔震和多墩共同承擔(dān)地震荷載力，降低地震內(nèi)力，實(shí)現(xiàn)大噸位支座與主體結(jié)構(gòu)同壽命設(shè)計基準(zhǔn)期，確保結(jié)構(gòu)安全。經(jīng)過上述一系列參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計約束體系使主墩內(nèi)力減少50%，主梁位移減少61%，整個結(jié)構(gòu)受力機(jī)制更加合理。

4 結(jié)語

綜上所述，馬尾大橋主跨240m的大跨空腹式鋼-混混合梁連續(xù)梁橋在國內(nèi)尚屬首次實(shí)施，文章結(jié)合馬尾大橋的設(shè)計過程，從總體設(shè)計、空腹匯合段設(shè)計、鋼混結(jié)合段設(shè)計及大型抗震支座設(shè)計等方面對大跨空腹式鋼-混混合梁連續(xù)梁橋設(shè)計關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了探討，為同類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了參考。