鋼混結(jié)合梁在景觀橋梁上的運(yùn)用

邱柏初

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 工程概況

萬卉橋是天津市西青區(qū)中北鎮(zhèn)南運(yùn)河上的道路景觀橋梁。受路面設(shè)計(jì)高程和南運(yùn)河通航高程要求的雙重限制，對梁高的限制極為嚴(yán)格，橋梁設(shè)計(jì)方案曾考慮采用(20+33+20)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，由于其不滿足景觀功能的需要，橋梁設(shè)計(jì)最終采用(50+20)m鋼混結(jié)合梁。結(jié)合景觀布置要求，橋上另加斜拉裝飾索塔結(jié)構(gòu)。萬卉橋按整幅設(shè)計(jì)，主橋橋形布置為(50+20)m簡支鋼混結(jié)合梁。簡支鋼混結(jié)合梁具有自重輕、承載能力高、構(gòu)造簡單、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，是中小跨徑公路橋梁和城市橋梁中應(yīng)用最廣泛的組合梁橋結(jié)構(gòu)形式。在恒載及活載作用下，簡支結(jié)合梁的各截面主要承受正彎矩，鋼梁受拉、混凝土橋面板受壓，可充分利用鋼和混凝土兩種材料的受力性能［1-3］。

萬卉橋設(shè)計(jì)全寬26 m，包括3 m(人行道)+20 m(機(jī)動車道)+3 m(人行道)。主跨梁高1.8 m，全橋橋面混凝土板厚度沿縱向統(tǒng)一為30 cm。為滿足景觀要求，在中間橋墩處設(shè)置斜拉索裝飾塔，橋塔高度為35.7 m。橋梁立面布置和平面布置如圖1所示。該橋位于道路直線段上，橋面縱坡為3%，橫坡為1.5%，橋梁支座高程保持一致，通過調(diào)整鋼箱梁的腹板高度來實(shí)現(xiàn)橋面橫坡。橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路一級，按雙向四車道設(shè)計(jì)，道路設(shè)計(jì)速度60 km/h。抗震設(shè)防烈度7 度，地震動峰值加速度為 0.15g［4］。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

橋梁橫橋向?yàn)?個單室鋼-混凝土組合箱梁結(jié)構(gòu)，鋼箱梁采用開口截面形式，箱梁間距3.0 m，梁高1.5 m。開口截面鋼箱梁每個腹板對應(yīng)的上翼緣寬600 mm，厚度為16 mm;50 m跨箱梁底板厚32 mm，20 m跨箱梁底板厚26 mm。兩道腹板不等高，以滿足橋梁橫坡的要求，鋼主梁之間設(shè)置橫向聯(lián)系梁，聯(lián)系梁梁高800 mm，全橋縱向共設(shè)置11道橫向聯(lián)系梁，間距為8～8.5 m。鋼箱梁內(nèi)沿橋縱向每3.5～4.5 m設(shè)置一道橫隔板。鋼箱梁與橋面混凝土板通過剪力連接件連接在一起共同工作，剪力連接件采用φ22圓柱頭栓釘，栓釘熔后長度170 mm，鋼箱梁每道上翼緣共布置5列栓釘，橫向間距100 mm，沿梁軸線方向間距200 mm。僅在梁端橫隔板上沿橫隔板軸線方向平行布置兩列栓釘，同樣采用φ22圓柱頭栓釘，長度170 mm。

橋面混凝土板采用鋼筋混凝土疊合板結(jié)構(gòu)，沿橫向負(fù)彎矩處厚30 cm，正彎矩處厚25 cm。正彎矩處由8 cm厚預(yù)制混凝土板和17 cm厚現(xiàn)澆混凝疊合層構(gòu)成。預(yù)制板長250cm，寬50cm，由預(yù)制廠加工完成后，運(yùn)輸至現(xiàn)場安裝，并作為后澆注混凝土的模板。為提高梁端鋼箱梁鋼板的局部穩(wěn)定性，在梁端支座1.0 m的范圍內(nèi)灌注高度為700 mm的C40混凝土。

圖1 主橋布置(單位:cm)

橋塔主要采用鋼結(jié)構(gòu)，箱形斷面，閉口鋼箱高1.35 m，寬0.655 m，板厚為28 mm，內(nèi)設(shè)橫隔板。為提高橋塔剛度，從承臺頂面向上約15 m高度范圍內(nèi)的鋼箱內(nèi)灌注C50混凝土，形成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，并在鋼箱內(nèi)壁預(yù)先焊好φ22栓釘，栓釘熔后長度170 mm。單側(cè)裝飾塔自下而上共分3個制作段，整塔共6個制作段，各制作段間的拼接縫均采用全融透一級焊縫連接，并采用超聲波探傷檢測焊縫質(zhì)量。

斜拉索采用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索，型號為PES(C)5－055，共18套;拉索錨具采用冷鑄錨，型號為PESM5－055，共18套。斜拉索一端錨固在橋塔上，為固定端;另一端錨固在橋面懸臂板下表面，為張拉端。橋梁的鋼箱架設(shè)完畢后，澆筑橋面混凝土前，應(yīng)將鋼箱外伸懸臂鋼板與最外側(cè)鋼箱上翼緣焊接，懸臂鋼板上表面滿布栓釘，間距均為200 mm×200 mm，然后澆筑橋面混凝土，使橋面懸臂板形成組合板，從而保證拉索在橋面的錨固性能。

橋梁各關(guān)鍵截面的尺寸如圖2所示。

圖2 主要截面尺寸(單位:mm)

3 主梁靜力分析計(jì)算

主橋結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算包括施工階段和運(yùn)營階段分析，施工階段荷載為結(jié)構(gòu)恒荷載，運(yùn)營階段荷載有汽車荷載，梯度溫度作用。由于抗震設(shè)防烈度為7度，且橋面結(jié)構(gòu)的橫向水平剛度很大，未把地震力作為荷載進(jìn)行特別計(jì)算。以跨中截面為控制截面，進(jìn)行荷載工況的最不利組合，各荷載工況的荷載情況如下。

(1)工況一:架設(shè)鋼梁。鋼梁分三段預(yù)制，到現(xiàn)場采用高強(qiáng)螺栓連接。中間設(shè)置了兩個臨時支撐，間隔約18 m。一根鋼梁的自重荷載:12.20 kN/m。

(2)工況二:鋪設(shè)預(yù)制板。預(yù)制板厚度80 mm，單根結(jié)合梁有效翼緣寬度范圍內(nèi)預(yù)制板自重:10 kN/m。

(3)工況三:澆筑后澆層混凝土。后澆層混凝土厚度220 mm，單根結(jié)合梁有效翼緣寬度范圍內(nèi)后澆層混凝土自重:33 kN/m。

(4)工況四:拆除臨時支撐。將工況一～三的臨時支撐反力反向加載至組合梁。

(5)工況五:二期恒載。橋面鋪裝為10 cm厚瀝青混凝土，自重16.5 kN/m，加上防撞護(hù)欄，按18 kN/m計(jì)算。

(6)工況六:汽車荷載。按車道荷載進(jìn)行施加，車道均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk=10.5 kN/m，沿縱向整跨滿布;集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值 Pk=360 kN，作用于跨中［5］，并考慮沖擊系數(shù)。分別計(jì)算偏載2輛車～5輛車的情況，考慮橫向多車道折減系數(shù)，取邊梁最不利的情況。

(7)工況七:梯度溫升。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，取雙線性梯度溫升分布，頂面溫升14℃，向下100 mm處5.5℃，向下400 m處0℃。

(8)工況八:梯度溫降。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，取雙線性梯度溫降分布，頂面溫降7℃，向下100 mm處2.25℃，向下400 m處0℃。

施工階段驗(yàn)算和正常運(yùn)營階段驗(yàn)算按一根包含混凝土有效翼緣寬度的結(jié)合梁進(jìn)行計(jì)算，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)的方法計(jì)算控制截面內(nèi)力、控制點(diǎn)應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)變形［6］。計(jì)算所用的材料參數(shù)如下:鋼材采用Q345qD級鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，膨脹系數(shù)為1.2 ×10－5，鋼材容重78.5 kN/m3，鋼材容許應(yīng)力為210 MPa;混凝土采用C50混凝土，彈性模量3.45×104MPa，泊松比為0.2，膨脹系數(shù)為1.0×10－5，混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為22.4 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.83 MPa。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，鋼梁上翼緣最大壓應(yīng)力－59.67 MPa，鋼梁底板最大拉應(yīng)力179.00 MPa，混凝土板上表面最大壓應(yīng)力－17.38 MPa，鋼箱梁腹板應(yīng)力為75.5 MPa，均小于材料的允許應(yīng)力，符合規(guī)范要求。

為減小主梁在正常使用階段出現(xiàn)過大撓曲變形，鋼箱梁在工廠制作時預(yù)先設(shè)置了預(yù)拱度。根據(jù)規(guī)范要求，主橋預(yù)拱度可按恒載+1/2靜活載作用下的主梁撓度設(shè)置鋼箱梁預(yù)拱度。由上述計(jì)算得到，主橋上部結(jié)構(gòu)在恒載+1/2靜活載作用下跨中最大撓度為154.8 mm，取160 mm為鋼箱梁荷載預(yù)拱度最大值。

4 塔索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在Midas Civil中建立全橋三維空間有限元模型。主梁橋面板采用四節(jié)點(diǎn)殼單元，鋼箱梁采用三維兩節(jié)點(diǎn)梁單元，通過截面偏移實(shí)現(xiàn)鋼箱和橋面板的組合。橋塔也采用三維兩節(jié)點(diǎn)梁單元，拉索采用兩節(jié)點(diǎn)桁架單元，拉索的張拉順序與實(shí)際施工順序完全保持一致，如圖3所示。拉索的無應(yīng)力長度根據(jù)文獻(xiàn)［4］中的公式進(jìn)行計(jì)算，拉索設(shè)計(jì)張力的控制目標(biāo)為保證拉索線型的垂跨比約為1/100，拉索垂度的主要影響因素為拉索張力、拉索線密度和拉索長度。由于拉索的線密度和拉索長度已經(jīng)確定，因此只能通過拉索的張力來控制拉索的線型。

圖3 斜拉索張拉順序

在張拉過程中，斜塔在拉索張力的作用下將產(chǎn)生彎曲變形，從而導(dǎo)致已經(jīng)張拉完畢的拉索的拉力有所降低，因此先張拉索的設(shè)計(jì)張拉索力應(yīng)大于設(shè)計(jì)目標(biāo)索力。在Midas Civil中通過多次反復(fù)迭代計(jì)算，最終確定所有拉索的設(shè)計(jì)索力如表1所示。

表1 各拉索張拉索力和目標(biāo)索力的關(guān)系

從表1中可以看出，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合良好，拉索的線形達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。另外，斜塔塔頂?shù)乃轿灰屏繉?shí)測值為26.5 mm，有限元計(jì)算值為29.2 mm，也表明了有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 施工過程

橋梁墩臺和蓋梁施工完畢后，在50 m跨河道中設(shè)置兩道臨時支撐，臨時支撐距橋墩距離為16 m，臨時支撐具有足夠的剛度以保持施工過程中橋面豎曲線的線形不變。然后架設(shè)鋼箱梁，鋼箱梁節(jié)段間腹板采用高強(qiáng)螺栓連接，上下翼緣采用焊接連接，鋼箱外側(cè)懸臂板預(yù)留拉索的索管。鋼箱梁上翼緣焊接完栓釘后將預(yù)制板置于鋼箱梁上翼緣上并進(jìn)行臨時固定，再綁扎現(xiàn)澆橋面板的鋼筋，然后澆筑橋面板混凝土。待橋面板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除主梁下的臨時支撐，開始架設(shè)橋塔。第一段橋塔架設(shè)完畢后，向鋼管內(nèi)澆筑混凝土，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后開始架設(shè)第二、三段斜塔，斜塔封頂后，按照長索至短索的順序依次對稱張拉斜拉索。最后澆筑橋面瀝青，安裝附屬設(shè)施。橋梁的現(xiàn)場施工情況如圖4所示。

圖4 橋梁現(xiàn)場施工過程

6 結(jié)束語

南運(yùn)河萬卉橋由于通航和景觀要求采用了鋼混結(jié)合梁和鋼管混凝土斜塔結(jié)構(gòu)，相比普通的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋形式，較好的滿足了河道的通航要求和城市景觀要求。同時，大大減輕了橋梁上部結(jié)構(gòu)的自重，從而降低了下部結(jié)構(gòu)工程規(guī)模，減少了工程總投資。橋梁施工無需搭設(shè)滿布腳手架，能有效縮短橋梁建造工期，綜合效益顯著。對城市道路橋梁工程，當(dāng)施工工期有較高要求時，設(shè)計(jì)可優(yōu)先采用鋼混結(jié)合梁，以適應(yīng)城市道路建設(shè)的工期需要。

［1］ 聶建國，余志武．鋼-混凝土組合梁在我國的研究及應(yīng)用［J］．土木工程學(xué)報(bào)，1999，32(2):4-8

［2］ 樊健生，聶建國．鋼-混凝土組合橋梁研究及應(yīng)用新進(jìn)展［J］．建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2006(5):35-39

［3］ 聶建國，樊健生．廣義組合結(jié)構(gòu)及其發(fā)展展望［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006(6):1-8

［4］ GB 50223—2008 建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)［S］

［5］ JTG D60—2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］

［6］ 聶建國．鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁［M］．北京:人民交通出版社，2011

［7］ 邵旭東，程翔云，李立峰．橋梁設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］．北京:人民交通出版社，2007