小半徑曲線鋼箱梁橋固結(jié)體系及戴帽施工法

盧二俠，王解軍

(1.廣西壯族自治區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計院，廣西 南寧 530022；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

0 引言

城市互通式立交設(shè)計受周圍各種構(gòu)筑物的空間影響，匝道橋梁半徑設(shè)置較小(半徑≤100 m)，一般遠(yuǎn)小于高速公路或鐵路上的曲線橋半徑，屬于小半徑曲線橋，且橋下布墩空間也是往往受限，不得不設(shè)置一些獨(dú)柱的橋墩。但近些年獨(dú)柱墩箱梁支座脫空、梁體側(cè)傾事故頻發(fā)[1]，如何防止曲線箱梁橋側(cè)傾事故的發(fā)生就成為小半徑曲線鋼箱梁橋設(shè)計首要解決的難題。

小半徑曲線梁的車輛離心力作用與“彎-扭耦合”效應(yīng)顯著，使得小半徑曲線梁橋在運(yùn)行期間，箱梁易產(chǎn)生較大的往外側(cè)的橫向位移與扭轉(zhuǎn)變形；在溫度作用下曲線梁體也會產(chǎn)生縱向形變，綜合起來就導(dǎo)致曲線梁在平面內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)位移，特別是在設(shè)置抗扭能力弱的獨(dú)柱墩后，易導(dǎo)致支座脫空、伸縮縫損壞、墩身與箱梁結(jié)構(gòu)開裂，甚至?xí)霈F(xiàn)在偏心荷載下箱梁整體側(cè)傾的嚴(yán)重問題。

針對上述問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者做了大量研究并提出了許多解決方案。文獻(xiàn)[1-3]對獨(dú)柱墩曲線連續(xù)梁支座脫空、梁體側(cè)傾事故形成的原因和過程進(jìn)行了數(shù)值分析模擬，并提出了相應(yīng)的對策；文獻(xiàn)[4-8]針對抗傾覆能力較強(qiáng)的混凝土曲線剛構(gòu)橋的設(shè)置形式和構(gòu)造受力特點及非對稱施工位移等進(jìn)行了相關(guān)研究；齊書瑜[9]，YE XIA[10]等分別針對普通混凝土和高性能混凝土曲線組合梁進(jìn)行了實驗研究和抗震體系分析；魏永建[11]等針對自重輕的鋼箱曲線連續(xù)梁，提出壓重或者設(shè)置橫向偏心墩等措施防止支座脫空，梁體側(cè)傾。馮珍[12]等提出了一種設(shè)縫雙肢墩混凝土曲線剛構(gòu)體系橋、開展了模型試驗研究。

但是，以往的研究主要是針對混凝土曲線橋。對于小半徑曲線鋼箱梁橋如何進(jìn)行固結(jié)設(shè)計，以及設(shè)置固結(jié)墩與不設(shè)置固結(jié)墩對于整聯(lián)梁體抗傾覆能力有何區(qū)別，還沒有具體的研究和闡述。

結(jié)合工程設(shè)計實際情況，本文采用一種新型的結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、可提高結(jié)構(gòu)可靠性和安全性的小半徑曲線剛構(gòu)體系橋，有效避免了小半徑曲線梁傾覆事故的發(fā)生。文中對此剛構(gòu)體系橋梁進(jìn)行了仿真計算分析，建成后的此剛構(gòu)體系橋梁經(jīng)過5 a多的通車運(yùn)營檢驗，效果良好，未見病害產(chǎn)生。本文研究成果可供此類工程應(yīng)用提供參考。

1 曲線梁剛構(gòu)體系設(shè)計

1.1 設(shè)計方案

由于項目施工工期緊張，如何簡單、快速地實現(xiàn)下部橋墩與上部鋼箱梁的可靠連接，就成為本橋設(shè)計的難點。既為方便施工又能保證鋼箱梁和固結(jié)墩之間可以牢固地連接，本橋采用新型的“戴帽法”預(yù)制吊裝施工。

上部鋼箱梁在墩梁固結(jié)處的橫梁段設(shè)置為挖空的“帽子”狀，下部固結(jié)墩采用鋼筋混凝土柱外加鋼套管的方式，橋墩上部結(jié)構(gòu)類似“人頭”狀，預(yù)留升入鋼箱梁箱內(nèi)結(jié)構(gòu)的外包鋼管和鋼筋。

主要的設(shè)計理念是讓橋墩的鋼筋混凝土柱承受上部鋼箱梁傳遞的壓力，鋼筋混凝土柱的外包鋼管承受上部鋼箱梁傳遞的拉力，具體設(shè)計方案如下，相應(yīng)構(gòu)造如圖1、圖2所示。

圖1 固結(jié)墩橫、縱向立面布置圖(單位：m)

圖2 固結(jié)墩A-A、B-B剖面圖(單位：m)

a.鋼箱梁底板及內(nèi)部腹板、橫隔板等鋼構(gòu)件在橋墩伸入梁體的范圍內(nèi)全部開槽孔斷開，并擴(kuò)大預(yù)留1.5 cm的施工誤差范圍。

在鋼管頂部另設(shè)置3道縱向加筋板用于增加鋼箱梁與橋墩的聯(lián)系，并可以補(bǔ)強(qiáng)鋼箱梁因開槽孔造成鋼結(jié)構(gòu)截面的削弱。

箱梁腹板和橫隔板以及縱向加筋板采用豎向兩側(cè)加襯板的方式與橋墩鋼管及上環(huán)板焊接連接。箱梁底板開孔處通過圍焊與上下環(huán)板連接，其他鋼構(gòu)件通過與底板的上下環(huán)板焊接連接后間接與箱梁底板連接。這種連接方式既可以有效解決不同形狀，不同交叉位置的連接處理問題，又可方便施工。

b.橋墩鋼管預(yù)留伸入鋼箱梁內(nèi)60 cm，橋墩內(nèi)主筋伸入鋼箱梁內(nèi)110 cm，保證上部鋼箱梁受到各種荷載能有效傳遞給下部橋墩結(jié)構(gòu)，并在下環(huán)板與橋墩鋼套管外側(cè)環(huán)向設(shè)置多個加筋板，加強(qiáng)連接。

1.2 施工方案

具體施工步驟如下：

a.下部固結(jié)墩采用鋼筋混凝土柱外加鋼套管的方式，具體施工時先立鋼套管就位后，吊裝橋墩鋼筋籠進(jìn)入鋼套管，澆筑無收縮混凝土至鋼箱梁底板與橋墩結(jié)合處，預(yù)留橋墩鋼筋外伸出鋼套管。同時可在工廠預(yù)制施工鋼箱梁橫梁段。

b.下部橋墩施工完成后，上部鋼箱梁橫梁段可以直接整體吊裝扣在下部橋墩上，完成“戴帽法”預(yù)制吊裝施工，二者通過各類環(huán)向鋼板和加筋板焊接固定后，澆筑橫梁內(nèi)無收縮混凝土，就可以方便、快捷、牢固地實現(xiàn)墩梁固結(jié)施工。

c.墩梁固結(jié)后，可進(jìn)行其他節(jié)段的拼裝施工，整個施工工期可以大幅縮短。

1.3 工程概況

南寧市某立交工程為樞紐級A2類立交。立交包括2條主線，8條機(jī)動車道匝道，8條地面系輔道。立交受場地影響，設(shè)置有多座小半徑曲線箱梁橋。其中WN匝道橋第3聯(lián)橋(以下簡稱：本橋)上跨五象大道主線及NE匝道橋，跨徑組合為(23+24+24+23)m，匝道半徑設(shè)計為80 m，屬于小半徑曲線箱梁橋。由于五象大道中分帶及與NE匝道之間的分隔帶設(shè)置過窄，9#、10#橋墩只能采用小尺寸的圓柱墩。本橋立面布置及平面布置如圖3所示。

圖3 第3聯(lián)橋立面及平面布置圖(單位：m)

1.4 固結(jié)墩的設(shè)置

本橋采用將更靠近梁體溫度零點的9#橋墩設(shè)置為固結(jié)墩，10#墩設(shè)置為單支座獨(dú)柱墩，這樣既可以拉住梁體，防止支座脫空、梁體傾覆，又能讓梁體可以9#墩為中心在縱橫向自由變形，減少固結(jié)墩對上部超靜定梁體產(chǎn)生約束應(yīng)力。

2 計算模型建立

采用三維空間計算軟件MIDAS/CIVIL建模計算，建模方式參照文獻(xiàn)[7]。取跨徑布置為(22.94+24+24+22.94)m，模型中所有結(jié)構(gòu)均采用梁單元模擬。鋼材采用Q345qC鋼，彈性模量：206 000 MPa，容重：76.98 kN/m3。混凝土采用C50，彈性模量：34 500 MPa，容重：25 kN/m3。上部結(jié)構(gòu)二期恒載：100 kN/m，整體升降溫按升溫30℃，降溫-30℃考慮，不均勻沉降按8mm考慮。采用容許應(yīng)力法設(shè)計，汽車荷載?。汗?Ⅰ級車道荷載，荷載組合系數(shù)?。?；支座反力取主力與附加力荷載組合后的包絡(luò)值。

為比較相同偏載荷載作用下，不同約束情況對于梁體抗傾覆能力的影響，在同等建模條件下，分別建立全橋不設(shè)固結(jié)墩、設(shè)置9#墩單個固結(jié)墩及設(shè)置9#、10#墩2個固結(jié)墩3種計算模型。

a.全橋不設(shè)固結(jié)墩模型，全橋共分為92個單元，邊界條件設(shè)置為：7#、8#、11#墩通過橫向兩個鉸點支座來實現(xiàn)抗扭約束；9#、10#墩僅設(shè)置單個鉸點支座；其中8#、9#、10#墩的鉸點支座均按相對于鋼箱梁中心線向曲線外偏心30 cm設(shè)置。計算模型如圖4所示。

圖4 不設(shè)置固結(jié)墩時計算模型

b.設(shè)置9#墩單個固結(jié)墩模型，全橋共分為104個單元，邊界條件設(shè)置為：7#、8#、11#墩通過橫向兩個鉸點支座來實現(xiàn)抗扭約束；9#墩設(shè)置為固結(jié)墩，墩梁固結(jié)，墩底設(shè)置固定支座；10#墩僅設(shè)置單個鉸點支座，其中8#、10#墩的鉸點支座及9#固結(jié)墩均按相對于鋼箱梁中心線向曲線外偏心30 cm設(shè)置。計算模型如圖5所示。

圖5 設(shè)置9#墩單個固結(jié)墩時計算模型

c.設(shè)置9#、10#墩兩個固結(jié)墩模型，全橋共分為110個單元，邊界條件設(shè)置為：7#、8#、11#墩通過橫向兩個鉸點支座來實現(xiàn)抗扭約束；9#、10#墩設(shè)置為固結(jié)墩，墩梁固結(jié)，墩底設(shè)置固定支座；其中8#墩的鉸點支座及9#、10#固定支座均按相對于鋼箱梁中心線向曲線外偏心30 cm設(shè)置。計算模型如圖6所示。

圖6 設(shè)置9#、10#墩兩個固結(jié)墩時計算模型

3 結(jié)果對比分析

在相同的荷載組合作用下，3種模型計算豎向最小支反力結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 不設(shè)置固結(jié)墩時計算支座反力(單位：kN)

圖8 設(shè)置9#墩單個固結(jié)墩時計算支座反力(單位：kN)

圖9 設(shè)置9#、10#墩兩個固結(jié)墩時計算支座反力(單位：kN)

計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

從以上計算結(jié)果圖7～圖9及表1可以得出如下結(jié)論：

a.做抗傾覆驗算時，未設(shè)置固結(jié)墩的情況下，11#墩內(nèi)側(cè)支點出現(xiàn)了負(fù)反力，不安全，如果超重車隊沿箱梁外側(cè)行駛，存在整體鋼箱梁傾覆的安全隱患。

b.在9#墩設(shè)置為固結(jié)墩后，可以有效改善梁體扭矩的傳遞，全橋支座未出現(xiàn)負(fù)反力的情況，且存有富足。即使有超重車隊沿箱梁外側(cè)行駛，部分支座反力存在負(fù)反力后，固結(jié)墩也可以牢牢拉住梁體，不會出現(xiàn)整體鋼箱梁傾覆的可能。

表1 豎向最小支反力計算結(jié)果Table1 ResultsofthesmallestverticalreactionforcekN類型7#墩內(nèi)側(cè)7#墩外側(cè)8#墩內(nèi)側(cè)8#墩外側(cè)9#墩10#墩11#墩內(nèi)側(cè)11#墩外側(cè)不設(shè)置固結(jié)墩641991321.61605.83599.94472.8-106.9942.4設(shè)置單個固結(jié)墩646.5969.31043.41777.43416.54526.158.8886.1設(shè)置兩個固結(jié)墩688.21013.11210.61742.135554622.7488.2936.7

c.在9#、10#橋墩均設(shè)置為固結(jié)墩后，相較于僅設(shè)置一處固結(jié)墩的情況，鋼箱梁內(nèi)側(cè)支座正反力值更大，抗傾覆的安全性更大。但考慮設(shè)置兩處固結(jié)墩會加多鋼箱梁體的超靜定系數(shù)，在溫度荷載作用下對上部梁體受力不利(經(jīng)計算在整體升降溫作用下，本橋固結(jié)橋墩之間的上部鋼箱梁受力會增加8～9 MPa)，且設(shè)置一處固結(jié)墩，已滿足抗傾覆能力要求，因此該橋采用設(shè)置一處固結(jié)墩的設(shè)計方案。

4 施工運(yùn)營結(jié)果

由于本橋墩梁固結(jié)處結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)造簡單，方便施工，施工單位僅用6個月的時間就全部完成了本工程的建設(shè)，為建設(shè)單位節(jié)省了大量時間。本工程通過政府部門組織的正式竣工驗收后，已順利通車運(yùn)營5 a，本橋采用的固結(jié)體系運(yùn)行良好，橋梁各處均未發(fā)現(xiàn)病害。

5 結(jié)論

針對小半徑曲線鋼箱梁橋，設(shè)計了一種梁墩固結(jié)構(gòu)造和戴帽施工新方法，通過建模計算和實際運(yùn)營情況的檢驗，可以得出如下結(jié)論：

a.縱向連續(xù)設(shè)置多個單支座獨(dú)柱墩的鋼箱梁容易發(fā)生支座脫空、梁體側(cè)傾，在設(shè)計階段應(yīng)該避免這種情況出現(xiàn)。

b.縱向采用一個固結(jié)墩可以有效防止支座脫空、梁體側(cè)傾問題的出現(xiàn)，且將固結(jié)墩設(shè)置于梁體溫度零點附近不會對上部結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生大的影響。

c.采用一個固結(jié)橋墩、其它橋墩采用活動支座的小半徑曲線剛構(gòu)體系橋，結(jié)構(gòu)簡單、施工方便，通過墩梁固結(jié)可徹底解決曲線梁平面內(nèi)位移過大、支座脫空、伸縮縫損壞及箱梁側(cè)傾問題，提高了橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，特別是采用“戴帽法”預(yù)制吊裝施工，能夠大大縮短施工工期，可為同類小半徑曲線梁橋的設(shè)計提供參考。