鋼-混結(jié)合梁大邊跨連續(xù)箱梁橋總體設(shè)計(jì)

楊勝

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450052)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋以其良好的抗扭工作性能和成熟的施工技術(shù)，在中國(guó)橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，當(dāng)采用多跨連續(xù)布置時(shí)，為平衡恒載下邊跨和主跨結(jié)構(gòu)的受力，邊跨與主跨的跨徑比值一般取0.5～0.7。當(dāng)邊跨與主跨的跨徑比小于0.5時(shí)，往往采用邊跨配重的方式解決恒載下主梁受力不均衡問題，然而邊跨與主跨的跨徑比遠(yuǎn)大于0.7時(shí)，如何有效改善邊跨主梁在恒載下的受力性能成為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尚未見相關(guān)問題的研究報(bào)道。

孫口黃河特大橋位于河南省臺(tái)前縣孫口鎮(zhèn)與梁山縣趙堌堆鄉(xiāng)之間，京九鐵路黃河大橋下游230 m處，屬G342線上的控制性重點(diǎn)工程項(xiàng)目。該項(xiàng)目的建成通車可以從根本上打破長(zhǎng)期困擾豫東北、魯西南地區(qū)的公路交通瓶頸，對(duì)完善路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)黃河兩岸人流物流便捷通行、推動(dòng)中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)、加快臺(tái)前脫貧步伐等均具有重要意義。因距離京九鐵路黃河大橋較近，為減少對(duì)黃河水流的影響，要求該橋的跨徑布置與相鄰的京九鐵路橋跨徑布置一致，即：四聯(lián)4×108.36 m的下承式鋼桁梁橋?？紤]橋梁結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度，需要對(duì)其進(jìn)行重新分聯(lián)，分聯(lián)后中聯(lián)的邊跨與中跨的跨徑比值為1，將對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響，有必要開展相關(guān)研究工作。

該文以孫口黃河特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，探明大邊跨連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)的可選方案，分析各方案特點(diǎn)以及對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)性能的影響，提出大邊跨鋼-混凝土混合梁的設(shè)計(jì)方案，并開展上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面鋪裝及施工方案的設(shè)計(jì)工作。

1 方案選擇

根據(jù)橋梁總跨徑及跨徑布置情況，考慮橋梁結(jié)構(gòu)分聯(lián)、施工方法及工程經(jīng)濟(jì)性，提出了3種類型的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選。

1.1 帶掛梁的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋

考慮技術(shù)成熟、造價(jià)低、施工方便等因素，將橋梁結(jié)構(gòu)分為三聯(lián)，各聯(lián)間采用掛梁過渡，跨徑布置為：(60.2+4×108.36+73.36) m+70 m+(73.36+4×108.36+73.36) m+70 m+(73.36+4×108.36+64.2) m。通過調(diào)查運(yùn)營(yíng)中帶掛梁的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋表明：該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、施工方便、經(jīng)濟(jì)性好。但在混凝土的長(zhǎng)期收縮徐變作用下和汽車荷載的沖擊作用下，主梁懸臂部分下?lián)厦黠@，從而導(dǎo)致懸臂端與掛梁間形成折角，增大沖擊作用，使得伸縮縫的處理和養(yǎng)護(hù)比較困難，嚴(yán)重影響行車舒適性。由于該橋位于G342國(guó)道上，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高，交通量大且重型交通比例多，故不建議采用該方案。

1.2 鋼-混凝土組合梁橋

將全橋分為三聯(lián)，跨徑布置為：(60.2+5×108.36) m+6×108.36 m+(5×108.36+64.2) m。其中108.36 m大邊跨采用鋼-混凝土組合梁來保證結(jié)構(gòu)剛度，減小其自重，確保在恒載下橋梁結(jié)構(gòu)整體受力合理。計(jì)算表明：邊跨鋼-混凝土組合鋼箱梁部分較長(zhǎng)(約85 m)，不利于次邊跨混凝土箱梁對(duì)稱懸臂現(xiàn)澆施工開展，因預(yù)制混凝土橋面板工程量少，且需要預(yù)留預(yù)應(yīng)力鋼筋孔道，也增大施工難度，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)并不明顯，不建議該方案。

1.3 鋼-混凝土混合梁橋

橋梁結(jié)構(gòu)分聯(lián)情況同鋼-混凝土組合梁橋，橋型布置如圖1所示。計(jì)算表明：邊跨鋼-混凝土組合鋼箱梁部分長(zhǎng)68 m，次邊跨混凝土箱梁澆筑可以對(duì)稱懸臂現(xiàn)澆施工至10號(hào)梁段，對(duì)懸臂現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的影響小，鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)施工技術(shù)比較成熟，已經(jīng)在東莞水道橋、九江長(zhǎng)江大橋、舟山桃夭門大橋、佛山平勝大橋、重慶石板坡大橋、鴨池河大橋、諸永高速公路鷗江大橋等多座斜拉橋、連續(xù)箱梁橋上得到成功運(yùn)用，故推薦采用該方案。

圖1 鋼-混凝土混合梁方案橋型圖(單位：cm)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混凝土箱梁混凝土標(biāo)號(hào)為C60，采用單箱單室截面，箱梁頂板寬16.31 m，底板寬8.25 m，翼緣懸臂長(zhǎng)4.03 m，支點(diǎn)梁高7.0 m，跨中梁高3.5 m，梁底采用二次拋物線。箱梁頂板厚0.35 m，底板厚0.35～0.88 m，腹板厚0.6～0.8 m，懸臂板根部厚0.8 m，端部厚0.2 m。主梁0號(hào)節(jié)段長(zhǎng)13.36 m，箱梁?jiǎn)巍癟”共分13個(gè)懸臂澆筑段?；炷料淞翰捎萌蝾A(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用M15-19和M15-22兩種類型，橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用BM15-2，豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用M15-3?；炷料淞嚎缰袡M斷面如圖2所示。

圖2 混凝土箱梁跨中橫斷面(單位：cm)

鋼箱梁材料采用Q390qD，采用單箱雙室截面，箱梁頂板寬16.31 m，底板寬8.25 m，鋼箱梁高度3.836 m，翼緣懸臂長(zhǎng)4.03 m，鋼箱梁典型斷面如圖3所示。工廠制作節(jié)段長(zhǎng)度為4、3.9和3.34 m共3種類型，鋼箱梁頂板厚度18、26 mm，腹板厚度為20、24、28 mm，底板厚度為24、30 mm，頂板U肋厚度為10 mm，底板U肋厚度為6 mm，腹板采用鋼板加勁，厚度為12 mm。橫隔梁標(biāo)準(zhǔn)間距為3.9 m，相鄰橫隔梁間設(shè)1道頂板加勁板，厚度均為20 mm。為了能在運(yùn)營(yíng)過程中調(diào)整鋼箱梁的變形，在鋼主梁內(nèi)部設(shè)置了4根M15-19體外預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束張拉力可以進(jìn)行調(diào)整。

圖3 鋼箱梁橫斷面(單位：mm)

結(jié)合段的鋼箱梁套在預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁之外，全斷面結(jié)合使其成為一體，結(jié)合段立面如圖4所示。鋼箱梁接頭采用鋼梁端部設(shè)置厚60 mm帶格室的承壓板結(jié)構(gòu)，頂板格室高1 220 mm，底板格室高1 100 mm，腹板格室厚900 mm。鋼梁端部3.5 m范圍的頂、底板采用U形加勁肋和翼緣厚20 mm的加勁板，并在混凝土梁與承壓板接觸范圍的頂、底和腹板采用開孔鋼板、焊釘兩種類型的連接件傳遞鋼-混凝土間的應(yīng)力，防止鋼混接觸面的表面因應(yīng)力集中而使混凝土壓碎。沿箱梁四周及縱腹板布置了縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)應(yīng)力鋼束在鋼箱梁一側(cè)分別錨固在鋼承壓板及鋼主梁上。為保證鋼混結(jié)合段混凝土澆筑的密實(shí)性，在延伸至混凝土橫梁的箱梁及格室頂板均勻地設(shè)置了混凝土澆筑孔和排氣孔。

圖4 鋼混結(jié)合段立面(單位：mm)

2.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下部結(jié)構(gòu)采用箱形墩、承臺(tái)及群樁基礎(chǔ)，箱形墩平面尺寸為8.25 m×3.5 m，壁厚0.8 m，承臺(tái)平面尺寸根據(jù)新建和老樁利用情況分為3種，承臺(tái)厚4.0 m，承臺(tái)下設(shè)16、17、18根直徑1.8 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁間距4.8 m。墩高大于16 m設(shè)一道橫隔板。為便于施工脫模，橋墩四角設(shè)置0.3 m圓弧倒角。橋梁墩臺(tái)樁基均按摩擦樁設(shè)計(jì)。

2.3 橋面鋪裝設(shè)計(jì)

橋面鋪裝對(duì)保護(hù)行車道板、防止雨水侵入結(jié)構(gòu)構(gòu)件、分散車輛輪重的集中荷載有重要作用。鋼箱梁與混凝土箱梁采用頂推的方式布置橋面鋪裝層，其中混凝土主梁橋面鋪裝采用4 cm細(xì)粒式改性瀝青混凝土+6 cm中粒式瀝青混凝土，并設(shè)置7 cm厚C50混凝土調(diào)平層；鋼箱梁部分橋面布置采用3.5 cm改性瀝青SMA-10+3.5 cm澆筑式瀝青混凝土。

3 橋梁施工方案

搭設(shè)便橋和鉆孔平臺(tái)，施工主墩基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。插打鋼板樁圍堰，開挖基坑施工承臺(tái)，墩身采用模板現(xiàn)澆施工。

主墩施工完成后，先在墩旁搭設(shè)托架，在托架上施工主梁0#節(jié)段，然后在0#節(jié)段上拼裝掛籃，對(duì)稱懸澆各節(jié)段主梁，形成臨時(shí)T形剛構(gòu)；主橋跨徑60、64 m邊跨搭設(shè)邊跨現(xiàn)澆段膺架，采用支架現(xiàn)澆。

由于存在計(jì)算跨徑為108 m大邊跨，主橋邊跨兩側(cè)分別為鋼-混凝土混合梁、混凝土梁，懸澆T構(gòu)兩側(cè)主梁的材料、長(zhǎng)度均存在很大差異，懸澆T構(gòu)存在嚴(yán)重的不平衡問題。為保證施工安全，采取如下施工工序：懸澆T構(gòu)先對(duì)稱施工至鋼-混結(jié)合段→吊裝鋼-混結(jié)合段→同時(shí)在鋼箱分段處施工臨時(shí)支墩→由支座端向鋼-混結(jié)合段逐段架設(shè)鋼箱梁→先合龍邊跨，再合龍中跨。

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)算

以第一聯(lián)為研究對(duì)象，采用橋梁專用有限元分析軟件Midas/Civil 2015建立包括上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖5所示。其中主梁、墩、承臺(tái)、樁基礎(chǔ)均采用梁?jiǎn)卧M，支座頂節(jié)點(diǎn)與主梁節(jié)點(diǎn)采用主從約束模擬，支座采用彈性連接模擬，樁基礎(chǔ)與土體采用土彈簧模擬。安全驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。由表1可知：橋梁設(shè)計(jì)滿足規(guī)范規(guī)程要求。

圖5 有限元模型

表1 安全驗(yàn)算結(jié)果

5 結(jié)語

為探明大邊跨多孔連續(xù)梁橋總體設(shè)計(jì)方法，以孫口黃河特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，考慮施工方便、工程造價(jià)低、耐久性等因素，通過3種結(jié)構(gòu)方案比選，提出大邊跨采用鋼-混凝土混合梁設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)和安全驗(yàn)算，結(jié)果表明推薦方案總體設(shè)計(jì)滿足技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、適用耐久和經(jīng)濟(jì)合理的要求。