全預(yù)制拼裝城市高架橋設(shè)計(jì)

陳冠華

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350003)

0 引言

隨著黨和政府以及城市居民對(duì)文明施工和環(huán)境影響的日益重視，降低市政工程施工對(duì)日常生活影響的需求越來(lái)越強(qiáng)，快速施工、綠色施工成為當(dāng)前城市橋梁建設(shè)面臨的迫切需求。城市高架橋?qū)煌ńM織、環(huán)境保護(hù)等均要求更高，預(yù)制裝配式橋梁尤其適用，因此橋梁預(yù)制裝配技術(shù)近年來(lái)得到世界各國(guó)的重視[1]。預(yù)制裝配橋梁技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)外呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)。在國(guó)內(nèi)上海、長(zhǎng)沙和成都等地均有成功實(shí)施全預(yù)制拼裝橋梁的實(shí)例[1-2]。與工程應(yīng)用相比，相關(guān)理論研究和試驗(yàn)研究更為滯后，因此開(kāi)展全預(yù)制橋梁拼接關(guān)鍵技術(shù)研究，對(duì)這類橋梁的受力性能進(jìn)行深入探討，以便為此類橋梁的設(shè)計(jì)、施工提供理論依據(jù)，很有必要，也很有現(xiàn)實(shí)意義?；诖耍疚囊愿Ｖ菔行碌晖猸h(huán)路西段道路工程為背景，探討全預(yù)制拼裝高架橋設(shè)計(jì)。

1 工程概況

福州市新店外環(huán)路西段道路工程位于晉安區(qū)新店片區(qū)，是福州城北片區(qū)路網(wǎng)快速化重要組成部分，項(xiàng)目起點(diǎn)地面輔路接龍頭路、主路接繞城高速公路，終點(diǎn)接新店外環(huán)路東段，為城市主干路，設(shè)計(jì)車速60km/h，道路全長(zhǎng)約5040m，道路規(guī)修建寬度為40m～60m。其中①龍頭路至秀峰路段為新建地面路段，其中龍頭路至廈坊北路段采用雙向六車道+非機(jī)動(dòng)車道+人行道斷面布置形式，廈坊北路至秀峰路段采用雙向八車道+非機(jī)動(dòng)車道+人行道斷面布置形式；②秀峰路至新店外環(huán)路東段為現(xiàn)狀路(埔黨路)提升改造路段，采用主路高架雙向六車道+地面輔路雙向四車道+非機(jī)動(dòng)車道+人行道斷面布置形式[3]。圖1為項(xiàng)目地理位置圖。

圖1 項(xiàng)目地理位置圖

主線高架橋上跨秀峰路、象峰一路、象峰一路和山北路延伸段后接新店互通。全橋共45跨，標(biāo)準(zhǔn)跨徑30m～35m，總長(zhǎng)1502.2m。高架斷面單幅橋布置，橋面寬度25.5m。高架橋共13聯(lián)。其中，Z0～ Z19共5聯(lián)采用連續(xù)鋼箱梁，下部結(jié)構(gòu)主橋采用柱式墩；Z19～Z44共8聯(lián)，采用鋼板組合梁，下部結(jié)構(gòu)主橋采用雙柱式框架墩，雙柱之間設(shè)置綜合管廊，其中橋墩、蓋梁和組合梁均采用預(yù)制拼裝。這是福建省首次在城市高架橋上采用上下部全段面預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)。主線高架橋斷面如圖2所示。本文以3m×35m鋼板組合梁橋?yàn)槔?，論述其上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 上部結(jié)構(gòu)

主梁采用鋼板-混凝土組合梁，整幅橋?qū)?5.5m，為多主梁式鋼混組合梁。小組合梁之間橫向間距2.35m，組合梁梁高1.9m。主梁除在邊墩及中墩墩頂處設(shè)置鋼橫梁聯(lián)結(jié)各小組合梁，組合板梁每隔6m設(shè)置一道橫向連接系。主梁結(jié)構(gòu)分為兩大部分，首先在每片“工”字形鋼梁上翼緣焊接剪力釘，然后與底層預(yù)制混凝土板組合形成小組合梁，把底層混凝土板當(dāng)作模板，最后在底層混凝土板上現(xiàn)澆上層混凝土板，形成最后主梁結(jié)構(gòu)；上層混凝土板與底層混凝土板，通過(guò)錨固鋼筋及剪力釘進(jìn)行連接，形成多層組合梁結(jié)構(gòu)。組合標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖3所示。

圖3 組合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：mm)

單片鋼主梁設(shè)計(jì)成工字型結(jié)構(gòu)，邊墩支點(diǎn)處梁高與中跨跨中處梁高均為1600mm， 工字型鋼梁主要由上翼緣板、腹板、腹板豎向加勁肋、底板焊接組成，鋼梁材質(zhì)采用Q345qc。鋼梁上翼緣板厚度為16mm，寬400mm;腹板厚度為16mm，腹板豎向加勁肋中墩墩頂處采用200×16mm，腹板堅(jiān)向加勁肋縱橋向每隔2m設(shè)置一道:底板寬600mm，墩頂以及跨中區(qū)域厚度為20mm～32mm。

主梁橫向設(shè)置實(shí)腹式鋼橫隔板，橫隔板縱橋向間距6m。橫隔板為工字型斷面，單片主梁橫隔板長(zhǎng)度與小組合梁間距相同，即2350mm，高度與梁高相同，橫隔板腹板厚度16mm，上翼緣板寬400mm，下翼緣板寬500mm。橫隔梁頂板現(xiàn)場(chǎng)焊接連接，腹板和底板現(xiàn)場(chǎng)焊接。

中墩頂及邊墩橫梁均采用鋼橫梁，端橫梁上翼緣寬1.45m，頂?shù)装灏搴窬鶠?8mm，腹板間距 1.175m，腹板板厚20mm。中橫梁上翼緣寬2.1m，頂?shù)装灏搴窬鶠?8mm，腹板間距 1.175m，腹板板厚20mm。箱型橫梁在主梁對(duì)應(yīng)位置設(shè)置實(shí)腹隔板，兩實(shí)腹隔板間設(shè)置腹板豎肋。

底層混凝土橋面板采用C50混凝土，按鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；炷涟逯辛禾帉?050mm，邊梁寬2050mm，板厚10cm。底層混凝土板采用分塊預(yù)制，縱向分塊長(zhǎng)度2.85m～5.9m，預(yù)制橋面板需存放3個(gè)月以上，以減少混凝土收縮徐變影響。在鋼梁上安裝底層板時(shí)，先在鋼梁上翼緣及橫隔板兩側(cè)邊緣粘貼橡膠條，然后澆筑2cm環(huán)氧砂漿，再擺放底層板到位后，澆筑濕接縫微膨脹混凝土，完成底層板與鋼梁的結(jié)合。

底層橋面板縱橫向均按鋼筋混凝土板構(gòu)件設(shè)計(jì)，橫向布置一層鋼筋，鋼筋直徑16mm，間距100mm；縱橋向布置一層鋼筋。

頂層混凝土板按鋼筋混凝土板構(gòu)件設(shè)計(jì)，橫向布置兩層鋼筋，鋼筋直徑16mm， 間距100mm；縱橋向布置兩層鋼筋，墩頂兩側(cè)約15m范圍內(nèi)上層鋼筋直徑28mm，下層鋼筋直徑25mm，跨中區(qū)段布置兩層直徑16mm鋼筋，墩頂與跨中區(qū)段直徑設(shè)置長(zhǎng)約5m的過(guò)渡區(qū)段，鋼筋直徑20mm?？v向鋼筋間距100mm頂層板鋼筋與底層板之間通過(guò)預(yù)埋錨固鋼筋連接。

混凝土橋面板與鋼梁之間通過(guò)布置于鋼梁頂板的焊釘栓釘連接，焊釘剪力鍵直徑19mm與22mm，高分別為95mm、220mm兩種；單片工字型鋼梁頂板橫向布置3根，橫向間距為100mm；縱向采用高220mm剪力釘與高95mm的剪力釘縱向交錯(cuò)布置，焊釘剪力鍵縱向間距100mm，在鋼梁橫隔板現(xiàn)澆濕接縫處，剪力釘采用均布式布置，基本間距為100mm。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

主線高架橋下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式框架墩、灌注樁基礎(chǔ)，橋墩、蓋梁均采用預(yù)制拼裝。雙柱框架墩墩柱橫橋向中心為10m，基礎(chǔ)采用4根直徑1.2m鉆孔灌注樁，橋墩截面尺寸1.6m×1.6m。墩柱與樁基之間設(shè)置現(xiàn)澆工字型承臺(tái)，承臺(tái)平面尺寸12.2m×5.5m，厚度2m。蓋梁長(zhǎng)度24.8m，截面順橋向墩頂尺寸2.2m，蓋梁高度1.9m。蓋梁采用預(yù)制拼裝工藝施工，整個(gè)蓋梁的重分別為217t。當(dāng)運(yùn)輸和吊裝條件受限制時(shí)，蓋梁分段預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留濕接縫現(xiàn)澆拼接，預(yù)制部分吊重控制在160t以內(nèi)。

預(yù)制墩柱與現(xiàn)澆承臺(tái)、預(yù)制蓋梁之間通過(guò)灌漿套筒進(jìn)行連接，灌漿套筒設(shè)置在墩柱底面和蓋梁底面。主線高架橋標(biāo)準(zhǔn)段下部結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 主線高架橋標(biāo)準(zhǔn)段下部結(jié)構(gòu)(單位：cm)

3 設(shè)計(jì)分析考慮的問(wèn)題

組合結(jié)構(gòu)橋梁由鋼結(jié)構(gòu)抗拉、混凝土抗壓，充分發(fā)揮兩種材料的使用性能，可使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)更趨合理并具有全壽命經(jīng)濟(jì)性，尤其是在中小跨徑的城市橋梁中更具有競(jìng)爭(zhēng)力[4]。多梁式鋼板組合梁結(jié)合裝配式墩柱在設(shè)計(jì)分析中須考慮如下問(wèn)題：

(1)群釘剪力連接件的構(gòu)造設(shè)計(jì)、滑移性能及對(duì)組合截面變形應(yīng)力的影響；

(1)預(yù)制橋面板的橫向連接性能；

(3)鋼板梁腹板的屈曲穩(wěn)定；

(4)群釘下鋼混組合梁的預(yù)制橋面板安裝后的收縮徐變效應(yīng)及影響；

(5)裝配式施工鋼混組合梁的抗疲勞特性；

(6)預(yù)制橋墩套筒拼接性能及抗震性能；

(7)快速施工橋梁預(yù)制加工的成套技術(shù)裝備和施工方法[5]。

4 主要靜力計(jì)算結(jié)果

4.1 鋼板-混凝土組合梁

利用Midas Civil對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算。計(jì)算采用多梁模型、聯(lián)合截面模擬組合結(jié)構(gòu)?？v梁重量模型自動(dòng)考慮，橫梁及加勁肋、混凝土橋面板、瀝青鋪裝的重量按照實(shí)際計(jì)算后以梁?jiǎn)卧奢d的形式施加。結(jié)構(gòu)總體模型，如圖5所示。

圖5 總體計(jì)算有限元模型

圖6 成橋初鋼梁正應(yīng)力圖

圖7 成橋10年，基本組合下鋼梁正應(yīng)力圖

圖8 組合截面剪力分布

成橋初期最大正應(yīng)力(圖6)為126MPa<270MPa；成橋10年(圖7)，基本組合下鋼梁正應(yīng)力為229MPa<270MPa；基本組合下各截面的剪力(圖8)計(jì)算結(jié)果，選擇受剪最不利截面進(jìn)行抗剪驗(yàn)算，主要是墩頂截面以及腹板變厚截面，墩頂剪力值1602kN，抗剪承載力3819kN。以上均滿足規(guī)范要求。

4.2 預(yù)制拼裝橋墩

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用Midas Civil計(jì)算，蓋梁、立柱及樁基礎(chǔ)均采用桿系單元模擬，蓋梁頂設(shè)置虛擬加載橫梁，樁基礎(chǔ)按照地質(zhì)情況設(shè)置土彈簧。圖9為橋墩計(jì)算模型。

圖9 橋墩計(jì)算有限元模型

分析中考慮預(yù)制蓋梁拼裝、現(xiàn)澆段施工、預(yù)應(yīng)力鋼束張拉、徐變等施工工況，主要計(jì)算結(jié)果如圖10～圖11所示。

圖10 正截面蓋梁短期正應(yīng)力(單位：MPa)

圖11 蓋梁主拉正應(yīng)力(單位：MPa)

蓋梁在各個(gè)施工工況下均全截面受壓，蓋梁主拉應(yīng)力0.61MPa，滿足規(guī)范要求。立柱和系梁的抗力和裂縫也滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

適應(yīng)城市高架橋“工廠化、預(yù)制化、裝配化”發(fā)展趨勢(shì)，福州市新店外環(huán)路西段道路工程主線高架橋采用全預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，上部采用多梁式鋼板-混凝土組合梁，下部結(jié)構(gòu)采用裝配式橋墩，采用墩柱和蓋梁在工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)吊裝，用灌漿套筒連接的施工方法。相對(duì)實(shí)際工程的應(yīng)用，預(yù)制拼裝橋梁理論缺少系統(tǒng)研究，在設(shè)計(jì)過(guò)程須考慮組合梁、預(yù)制橋墩和施工方法的一些關(guān)鍵技術(shù)。

該項(xiàng)目在施工過(guò)程，其采用的全預(yù)制拼裝技術(shù)可為目前同類橋梁設(shè)計(jì)提供參考；預(yù)制構(gòu)件選用合適的施工方式，合理確定預(yù)制構(gòu)件長(zhǎng)度和重量，研發(fā)有關(guān)的預(yù)制生產(chǎn)技術(shù)和裝備，形成設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)化流程；同時(shí)可作為裝配式橋梁設(shè)計(jì)、施工的地方性指導(dǎo)規(guī)程技術(shù)支撐。