窄箱型主梁鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁在山區(qū)公路建設(shè)中應(yīng)用研究

張 昱，程 宏， 邊洪坡，祁義輝

(1.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650501)

0 前 言

云南、貴州、四川等地的高速公路建設(shè)在我國經(jīng)濟不斷從東部向西部延展性發(fā)展過程中，取得了跨越式發(fā)展。公路建設(shè)的發(fā)展帶來的是對技術(shù)的不斷挑戰(zhàn)，由于山區(qū)地形復(fù)雜，大面積土地高低不平，縱橫起伏，海拔高差異常懸殊，因此橋梁建設(shè)技術(shù)也在不斷完善與進步。

為響應(yīng)國家去鋼材產(chǎn)能的號召，交通運輸部印發(fā)《關(guān)于推進公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》，決定推進公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)，提升公路橋梁品質(zhì)，發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)橋梁性能優(yōu)勢，推動公路建設(shè)轉(zhuǎn)型升級。在當(dāng)前的形勢下，通過采用合理的構(gòu)造、選用便捷的施工方法，可使山區(qū)高墩的鋼-混凝土組合梁橋在經(jīng)濟上具有一定優(yōu)勢。合理采用鋼-混凝土組合梁可消化鋼材產(chǎn)能，縮短工期，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益，成為山區(qū)高墩條件下相對預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的較優(yōu)方案[1]。

1 工程概況

紅河州建水(個舊)至元陽高速公路(下文簡稱“建個元高速”)包家莊特大橋位于云南省個舊市乍甸鎮(zhèn)包家莊附近，橋址區(qū)地處斜坡地帶，中間低兩端高，呈“凹”狀，橋梁分別跨越通村公路、沖溝，地形起伏較大。橋面距離谷底近140 m，溝谷較為寬闊，谷寬約900 m。橋高和橋長不受水文控制，僅依地形布設(shè)。主橋采用3聯(lián)3×70 m窄箱型鋼-混組合梁，引橋采用40 m T梁，橋梁全長1 006 m，主墩采用空心薄壁墩，墩高最高為124 m，墩內(nèi)未設(shè)置橫隔板。

1.1 鋼-混組合梁方案的確定

包家莊特大橋根據(jù)水文、地形、地質(zhì)等情況，初步設(shè)計擬采用兩個方案做同深度比較。

(1)方案一：采用主跨160 m懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計、施工以及后期維護簡單，箱梁節(jié)段懸臂澆筑，工期較長。

(2)方案二：采用70 m鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，施工相對復(fù)雜，結(jié)構(gòu)抗震性能好，鋼主梁頂推施工，工藝成熟，施工速度快，綜合造價相對較低。

考慮到橋跨非全新世活動斷裂，抗震要求高，以及工程造價、工期等指標(biāo)，包家莊特大橋最終選用主跨鋼-混組合梁橋作為施工圖設(shè)計方案并予以實施。

1.2 研究目的及研究內(nèi)容

由于高墩大跨鋼-混凝土組合梁橋在建設(shè)條件與混凝土橋、常規(guī)地區(qū)鋼橋等有較大的不同，因而目前其在山區(qū)應(yīng)用較少。本研究主要針對鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)橋梁在山區(qū)公路建設(shè)中的應(yīng)用，分解包家莊特大橋設(shè)計過程中遇到的疑難點，從而豐富山區(qū)鋼-混組合橋梁這一結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)容。

實踐過程中的主要難點和創(chuàng)新點有：

(1)70 m跨度的鋼-混組合梁橋鋼主梁的截面形式選擇；

(2)連續(xù)鋼-混組合梁橋墩頂負彎矩處橋面板抗裂性及橋面板設(shè)計思路；

(3)百米級超高空心薄壁墩取消橫隔板的設(shè)置；

(4)高墩、大跨鋼梁頂推受力特性分析。

2 窄箱型鋼-混組合梁應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 鋼-混組合梁橋鋼主梁的選型——窄幅鋼箱梁

連續(xù)組合梁橋的截面一般采用工字截面和箱型截面。工字截面加工和施工吊裝的費用較低，但如果荷載較大或跨度較大時，其抵抗扭轉(zhuǎn)的能力則較差，所以跨度一般控制在單跨40 m以內(nèi)。對于箱型截面且寬度較小的橋面(比如10 m左右的橋面)可以采用大型開口槽型截面的鋼箱，在槽型鋼箱梁內(nèi)設(shè)置橫系梁以增加其抗扭轉(zhuǎn)能力。雙窄幅鋼箱在日本采用較多，其優(yōu)點為鋼箱數(shù)目不多、對稱設(shè)置，施工較為便捷，由于縮短了腹板距離，其抗扭轉(zhuǎn)能力得到加強。窄幅型鋼箱梁的腹板間距比傳統(tǒng)的箱梁要小(見圖1)，其經(jīng)濟跨度為60～80 m，在山區(qū)高速公路建設(shè)中具有較好的經(jīng)濟效益。

圖1 窄箱型鋼混組合梁

紅河州建水(個舊)至元陽高速公路的70 m跨窄幅雙主梁鋼箱組合梁技術(shù)在國內(nèi)高速公路建設(shè)中尚屬首次運用；窄幅鋼箱組合梁具有制造安裝簡單、運輸方便、受力明確、經(jīng)濟指標(biāo)優(yōu)越的特點，在西部高速山區(qū)橋梁建設(shè)上具有較好的推廣前景。

2.2 組合梁混凝土橋面板設(shè)計思路

混凝土橋面板在鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)里位于鋼主梁的上部，主要起承受和傳遞上部荷載的作用。連續(xù)鋼-混組合梁屬于一個受彎構(gòu)件，鋼主梁在上部結(jié)構(gòu)和自重的作用下主要受拉，處于鋼主梁上部的混凝土橋面板主要承壓，這種組合設(shè)計充分發(fā)揮了不同材料各自的特性。不過在連續(xù)墩頂負彎矩處，混凝土橋面板受拉，因此在連續(xù)梁跨度較大時需進行特殊處理，這也成為了連續(xù)鋼-混組合梁橋的橋面板設(shè)計關(guān)鍵。墩頂負彎矩處的混凝土橋面板常規(guī)設(shè)計思路有：

(1)強配筋或施加預(yù)應(yīng)力；

(2)頂升負彎矩區(qū)梁體，在鋼梁、橋面板結(jié)合回落作為施加預(yù)加力；

(3)預(yù)制橋面板存放6個月以上，以降低后期收縮徐變的影響。

2.2.1 包家莊特大橋橋面板設(shè)計要點

紅河州建個元高速鋼-混組合梁橋的橋面板采用混凝土預(yù)制板結(jié)構(gòu)(見圖2)，結(jié)合科研優(yōu)化后，包家莊特大橋鋼-混組合梁的橋面板采用C55微膨脹混凝土，分塊預(yù)制，擺放到位后澆筑現(xiàn)澆縫的施工方法，預(yù)制板至少存放 6個月的時間，以減少混凝土收縮徐變造成的不利影響；橫向整塊制造，剪力釘通過處橋面板預(yù)留槽后澆孔；現(xiàn)澆接縫采用C55無收縮微膨脹補償混凝土。

圖2 包家莊特大橋橋面板布置(單位：cm)

由于常規(guī)設(shè)計考慮在混凝土與鋼梁組合后施加預(yù)應(yīng)力筋，因此預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力會轉(zhuǎn)移到鋼梁上，造成了預(yù)應(yīng)力的大量損失。原設(shè)計方案中組合梁在預(yù)應(yīng)力單向荷載作用下的計算，提取組合梁中支點截面處的相關(guān)結(jié)構(gòu)，得到預(yù)應(yīng)力筋施加的總預(yù)應(yīng)力為37 952.1 kN，混凝土橋面板上的預(yù)應(yīng)力為21 386.1 kN。有16 566.0 kN的預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了鋼梁上，即43.65%的預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了鋼梁上，接近一半的預(yù)應(yīng)力筋未達到減少混凝土板拉應(yīng)力的作用。

于是，優(yōu)化設(shè)計時采用了一種“后結(jié)合”處理的思路[2]，即混凝土預(yù)制橋面板放置在鋼主梁上，先不進行鋼主梁與混凝土的結(jié)合，對預(yù)制橋面板進行預(yù)應(yīng)力的張拉，待張拉、壓漿完畢，全橋預(yù)制板形成整體后，再將鋼主梁與預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板進行結(jié)合。采用“后結(jié)合”處理，預(yù)應(yīng)力相對于常規(guī)設(shè)計減少了65.6%。因此工程考慮采用“后結(jié)合預(yù)應(yīng)力”方法來減少混凝土板的開裂，可以充分提高預(yù)應(yīng)力的利用效率，減小預(yù)應(yīng)力筋的用量。

2.2.2 超高強混凝土應(yīng)用實踐

紅河州建個元高速另一座鋼-混組合梁橋——乍甸1號大橋(主跨60 m+3×70 m)橋面板在負彎矩處采用超高強混凝土直接改變其材料特性，再通過合理配筋控制裂縫寬度及高性能混凝土ECC材料的應(yīng)用，滿足混凝土構(gòu)件的抗拉性能。高延性纖維增強水泥基復(fù)合材料(ECC)是近20年發(fā)展起來的一種新型纖維增強水泥基復(fù)合材料。在ECC的受力過程中，由于其開裂處纖維具有橋接作用，纖維與基體間傳遞應(yīng)力時裂縫能夠穩(wěn)定擴展，使得ECC表現(xiàn)出明顯的多裂縫開裂特性和應(yīng)變硬化行為，非常適合用于控制組合結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。乍甸1號大橋橋面板布置示意及大橋縱向ECC層布置情況如圖3～4所示。

圖3 乍甸1號大橋橋面板布置(單位：mm)

紅河州建水(個舊)至元陽高速公路包家莊特大橋和乍甸1號大橋采用了不同的混凝土橋面形式。兩種形式的墩頂負彎矩區(qū)混凝土橋面板抗裂性能優(yōu)化設(shè)計都處于國內(nèi)較為領(lǐng)先的水平，滿足結(jié)構(gòu)的受力要求，為未來大跨連續(xù)鋼-混組合梁橋橋面板設(shè)計提供了寶貴的參考。

2.3 超高空心薄壁墩取消設(shè)置橫隔板

墩柱在橋梁結(jié)構(gòu)中屬于一個壓彎構(gòu)件，高墩從經(jīng)濟、美觀和實用等方面考慮，通常采用空心薄壁結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的空心薄壁式高墩一般包括實體過渡段、標(biāo)準(zhǔn)段和經(jīng)驗形式的設(shè)置橫隔板，其中橫隔板一般每隔20～30 m設(shè)置一道。高墩施工時，橫隔板位置需要拆除內(nèi)膜、重新拼裝模板并澆筑完橫隔板，然后才能繼續(xù)向上施工。顯然，橫隔板的設(shè)置造成連續(xù)施工中斷，這成為了影響施工速度的主要因素。

2.3.1 空心薄壁高墩不設(shè)置橫隔板的判別條件

壓彎桿的破壞形式主要為失穩(wěn)破壞，失穩(wěn)又分為整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)，對于局部失穩(wěn)而言，橫隔板可以起到限制墩壁的橫向變形、加強構(gòu)件的局部穩(wěn)定的作用，但是對構(gòu)件的整體失穩(wěn)則影響不大。因此如果荷載足夠大而使空心墩發(fā)生失穩(wěn)破壞時，只要整體失穩(wěn)破壞發(fā)生在局部失穩(wěn)破壞之前，那么橫隔板的設(shè)置其實意義不大，在這種情況下是可以取消設(shè)置空心墩橫隔板的?；谄踩目紤]，為了簡化計算，箱型空心薄壁截面的局部穩(wěn)定可通過四邊簡支板的彈性屈曲理論分析導(dǎo)出[3]，即其局部屈曲臨界應(yīng)力σcr應(yīng)滿足下式：

(1)

式中，各參數(shù)除了t/b與箱型截面的尺寸有關(guān)，其余參數(shù)(彈性模量E、泊松比υ、彈性模量折減系數(shù)η、穩(wěn)定安全系數(shù)λ等)基本上都是定常數(shù)或安全系數(shù)，通過式(1)，可得到箱型混凝土薄壁截面的局部穩(wěn)定容許寬厚比(邊長b與厚度t之比)的表達式：

(2)

考慮常規(guī)空心薄壁墩的混凝土彈性模量及軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)強度，對于箱型薄壁截面容許寬厚比(邊長與厚度之比)在30以內(nèi)時，薄壁局部穩(wěn)定不控制設(shè)計，箱型薄壁墩的設(shè)計由位移、強度、整體穩(wěn)定等因素控制，而不是由局部穩(wěn)定控制，因此當(dāng)容許寬厚比在這個范圍內(nèi)時不需要設(shè)置空心墩橫隔板。

在本項目中，包家莊特大橋百米級高墩最大寬厚比(邊長b=700 cm，厚度t=60 cm)為11.7(小于30)，因此百米級空心墩取消橫隔板的設(shè)置滿足了空心薄壁高墩局部穩(wěn)定不控制設(shè)計的要求，在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下大大減少了施工工序和施工工期。

2.3.2 無橫隔板高墩受力計算分析

由于包家莊特大橋百米級高墩位于非活動斷裂帶，抗震受力控制結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此取最高墩進行抗震分析。

因橋梁最高墩(3號橋墩)高達123.5 m，需要考慮幾何非線性效應(yīng)，而基于振型彈性疊加的反應(yīng)譜方法無法考慮這一點，故E1、E2地震下均采用非線性時程方法計算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，同時E2地震分析時，非線性工作階段，考慮橋墩墩底可能開裂對截面剛度的影響。計算模型中上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)采用空間梁單元進行模擬，結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)模型示意

(1)E1地震下墩柱強度驗算。在E1地震作用下，橋墩截面和樁基截面要求其在地震作用下的截面彎矩應(yīng)小于截面初始屈服彎矩My(考慮軸力)。由于My為截面最外層鋼筋首次屈服時對應(yīng)的初始屈服彎矩，因此當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)彎矩小于初始屈服彎矩時，整個截面保持彈性。研究表明：截面的裂縫寬度不會超過容許值，結(jié)構(gòu)基本無損傷，滿足結(jié)構(gòu)在彈性范圍工作的性能目標(biāo)。本文按以上規(guī)定進行計算。

在最不利軸力情況下，計算得截面縱向初始屈服彎矩為393 400 kN·m，截面橫向初始屈服彎矩為419 700 kN·m；縱向最不利彎矩61 948.2 kN·m(小于430 300 kN·m)，橫向最不利彎矩86 266.1 kN·m(小于419 700 kN·m)，主墩滿足E1地震下橋墩截面基本無損傷、結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)工作這一性能目標(biāo)。

(2)E2地震驗算。E2地震分析時，非線性工作階段考慮橋墩墩底可能開裂對截面剛度的影響。由于地震過程的持續(xù)時間比較短，地震后由于結(jié)構(gòu)自重，地震過程開展的裂縫一般可以閉合，不影響使用，滿足E2地震作用下局部可發(fā)生可修復(fù)的損傷，地震發(fā)生后，基本不影響車輛通行的性能目標(biāo)要求。

驗算結(jié)果表明，E2地震3號橋墩截面縱向等效屈服彎矩為483 500 kN·m，截面橫向等效屈服彎矩為540 300 kN·m；縱向最不利彎矩126 132.11 kN·m(小于483 500 kN·m)，橫向最不利彎矩157 841.2 kN·m(小于540 300 kN·m)，E2地震橋墩縱橫彎矩響應(yīng)值均小于截面等效屈服彎矩。地震后，由于結(jié)構(gòu)自重，地震過程開展的裂縫一般可以閉合，不影響使用，滿足E2地震作用下局部可發(fā)生可修復(fù)的損傷，地震發(fā)生后，基本不影響車輛通行的性能目標(biāo)要求。

百米級超高空心薄壁墩若滿足截面寬厚比在30以內(nèi)，即薄壁局部穩(wěn)定不控制截面設(shè)計，只要高墩結(jié)構(gòu)的動靜力受力同時滿足要求，則可以取消空心薄壁墩的橫隔板設(shè)置。但這對施工的質(zhì)量要求則更加嚴苛，高墩豎直度、混凝土質(zhì)量控制等應(yīng)予以加強，以確保符合設(shè)計要求。

2.4 鋼主梁頂推受力特性分析

2.4.1 頂推施工工藝概述

隨著頂推工藝的不斷完善和發(fā)展，頂推的方式也呈現(xiàn)出多樣化。從用千斤頂直接頂推梁體到只用水平千斤頂并通過拉(桿)索拖拉梁體；從單點集中頂推到多點分散頂推；從間歇式頂推到連續(xù)頂推。目前國內(nèi)橋梁施工比較常用的頂推工藝是拖拉式多點連續(xù)頂推法(以下簡稱“拖拉法”)，拖拉法通過張拉設(shè)置，在各臨時墩上的連續(xù)千斤頂牽拉鋼絞線，拖動梁段在臨時支墩頂設(shè)置的滑道上滑移，牽引梁體安裝就位。然而，采用該工藝將對墩身產(chǎn)生較大的水平推力，且橫向限位裝置等設(shè)置困難，效果很難保證[4]。

步履式頂推相對傳統(tǒng)的拖拉式頂推有一定的優(yōu)越性，對于一些跨線橋的梁體頂有著較高的適用性和安全性。整幅多點連續(xù)頂推法施工能夠較好地控制臨時墩的水平力；豎向調(diào)整方便快捷，可有效控制各支點反力；可采取措施滿足結(jié)構(gòu)受力局限性要求，確保梁體的整體結(jié)構(gòu)性，且在頂推速度上有較高的提升空間；在控制系統(tǒng)上，雖表現(xiàn)得繁瑣和龐大，但是對整個施工過程中的狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄，提供了安全保障；內(nèi)部的數(shù)據(jù)為技術(shù)研究提供了有利的資料依據(jù)。

2.4.2 無臨時墩長懸臂頂推可行性

由于橋處山區(qū)，地形高差大，在頂推臺座前方設(shè)置小間距臨時墩成本過高，鋼導(dǎo)梁的設(shè)置受到頂推尾端直接接隧道的影響，同時考慮到本橋充分利用鋼主梁，應(yīng)盡量縮短臨時鋼導(dǎo)梁的使用。鋼主梁用鋼量為467.5 kg/m2，用鋼量在鋼箱梁中屬于正常用量，大大地降低了臨時墩、臨時鋼導(dǎo)梁等臨時鋼結(jié)構(gòu)的使用，具有較佳的經(jīng)濟效應(yīng)。

計算中考慮在不設(shè)置鋼導(dǎo)梁的狀況下，主梁鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算假設(shè)如下：施工階段頂推鋼結(jié)構(gòu)時，若無安裝導(dǎo)梁，鋼結(jié)構(gòu)的最大懸臂長度為70 m。因此考慮一聯(lián)鋼梁，并根據(jù)實際頂推過程計算不同懸臂長度下鋼結(jié)構(gòu)的受力狀況，頂推示意如圖6所示。

圖6 頂推示意(單位：cm)

當(dāng)懸臂段長度為69.08 m時，鋼結(jié)構(gòu)縱橋向最大壓應(yīng)力為-221.1 MPa，位于邊支墩鋼底板處；最大拉應(yīng)力為204.3 MPa，位于邊支墩鋼頂板處?？v橋向應(yīng)力云圖見圖7；豎向最大位移為-1 220.6 mm，豎向位移云圖見圖8。

由此可知，在無鋼導(dǎo)梁的情況下，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大但在規(guī)范要求范圍內(nèi)，位移值較大，此時可以考慮設(shè)置較短臨時鋼導(dǎo)梁并考慮合理上墩方式，從而降低臨時鋼結(jié)構(gòu)用量。

2.4.3 鼻梁過墩頂工藝

本項目鋼-混組合梁最大跨徑均為70 m，鋼梁自重使鋼鼻梁前端下?lián)?，?jīng)過計算分析最大值將達122 cm，當(dāng)鼻梁前端臺階(第一節(jié))臨近頂推設(shè)備時，頂起鼻梁，采取鼻梁過墩措施，待鼻梁平穩(wěn)落頂就位于頂推設(shè)備上，然后再開始正式頂推。鼻梁臨時起頂用的千斤頂采用100 t螺旋頂，因千斤頂行程較小而起頂高度可能較大，故在實施豎向起頂時需多次支墊和倒頂。鼻梁現(xiàn)場構(gòu)造如圖9所示。

圖7 縱橋向應(yīng)力云圖(單位：kPa) 圖8 豎向位移云圖(單位：m)

圖9 鼻梁現(xiàn)場構(gòu)造

3 結(jié) 語

本文結(jié)合實例介紹了主跨70 m跨度的窄箱型鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)在山區(qū)高速公路建設(shè)中的設(shè)計思路，主要結(jié)論及展望如下：

(1)由于山區(qū)地形復(fù)雜，采用窄箱型鋼主梁的鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁，在山區(qū)橋梁建設(shè)中具有一定的競爭力，其與頂推施工的有機結(jié)合更能發(fā)揮其結(jié)構(gòu)特性。

(2)空心墩橫隔板的設(shè)置應(yīng)根據(jù)容許寬厚比決定，若空心墩的局部失穩(wěn)發(fā)生在整體失穩(wěn)之后則無需設(shè)置橫隔板。

(3)60 m以上跨度的連續(xù)鋼-混組合梁橋橋面板設(shè)計主要控制因素為墩頂處混凝土板抗裂性能，常規(guī)處理中的施加預(yù)應(yīng)力存在高處作業(yè)風(fēng)險大的問題。本文中描述的“后結(jié)合”處理能最大減少預(yù)應(yīng)力用量，大大節(jié)省了工程費用。

在墩頂負彎矩處采用較強抗裂性能的混凝土(如ECC混凝土、UHPC混凝土等)來降低裂縫寬度，可以大大降低施工及設(shè)計難度，但其價格較為昂貴。綜上，超高性能混凝土的研究在連續(xù)鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁中可作為一個研究方向。