鋼混組合連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)創(chuàng)新

徐常澤， 張玉濤， 李云鵬

（山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

目前，國(guó)內(nèi)連續(xù)梁橋應(yīng)用較多的是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，混凝土梁結(jié)構(gòu)剛度大、變形小、工藝成熟；但大跨徑混凝土連續(xù)梁橋的病害近年來(lái)也出現(xiàn)較多，主要體現(xiàn)在混凝土腹板承受主拉應(yīng)力，腹板出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)剛度降低，跨中下?lián)蠂?yán)重，影響結(jié)構(gòu)承載力等。針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋出現(xiàn)的病害，為了減輕梁體自重，將30～80 cm厚的混凝土腹板替換為10 mm左右厚的鋼板；為加強(qiáng)鋼板剛度，采用波紋形式腹板，由此提出波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合連續(xù)梁橋。相比傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力箱梁橋，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合連續(xù)梁橋主梁自重減少20%左右，顯著降低了地震力，增大了腹板抗屈曲剛度，提高了腹板抗剪能力[1]；但是，受頂?shù)装邃撌鴱埨臻g所限，該橋型需采用部分體外預(yù)應(yīng)力束，體外預(yù)應(yīng)力束易出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，需后期更換；此外，在波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装宓倪B接處由于疲勞作用，連接構(gòu)造易出現(xiàn)耐久性問(wèn)題且構(gòu)造復(fù)雜，施工要求較高。

鋼混組合梁是近年來(lái)國(guó)內(nèi)重點(diǎn)發(fā)展的一種橋型，由鋼主梁和混凝土橋面板組合而成，可充分利用兩種材料的性能優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)自重輕、抗震性能優(yōu)越、收縮徐變和穩(wěn)定效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小，主梁鋼結(jié)構(gòu)加工工藝簡(jiǎn)單，可根據(jù)施工吊裝設(shè)備能力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)分段，運(yùn)輸和吊裝均較為便捷，混凝土橋面板現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制，通過(guò)吊裝與鋼主梁連接，速度快，預(yù)制結(jié)構(gòu)澆筑質(zhì)量有保障。一般情況下，該類(lèi)型橋梁由于跨中下?lián)?，墩頂?fù)彎矩區(qū)混凝土板出現(xiàn)拉應(yīng)力，導(dǎo)致開(kāi)裂。眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行深度研究，如聶建國(guó)等[2]提出的抗拔不抗剪構(gòu)造措施，有效減小了墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土板隨鋼梁位移而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，同時(shí)解除混凝土板與鋼梁頂面水平位移的限制，很好地解決了開(kāi)裂問(wèn)題。本文以實(shí)際工程為例，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，提出多種方案以解決墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土板開(kāi)裂問(wèn)題，同時(shí)減少工期，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。

1 工程概況

沾化—臨淄公路黃河大橋總長(zhǎng)4 630 m，雙向6車(chē)道，設(shè)計(jì)速度120 km/h，橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度34 m，汽車(chē)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。橋位處黃河河道屬于彎曲型窄河段，設(shè)計(jì)洪峰流量按照堤防設(shè)防流量11 000 m3/s 考慮，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/300，場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，基本地震烈度為Ⅶ度。大橋由北向南組成依次為北側(cè)堤外引橋、北側(cè)跨大堤橋、北側(cè)堤內(nèi)引橋、主橋、南側(cè)堤內(nèi)引橋、南側(cè)跨大堤橋、南側(cè)堤外引橋。

2 橋型確定

根據(jù)水利部黃河水利委員會(huì)相關(guān)規(guī)定，橋梁跨越黃河大堤，在堤身設(shè)計(jì)斷面內(nèi)不得設(shè)置橋墩，橋墩離堤身設(shè)計(jì)堤腳線(xiàn)≮5 m，大堤淤背區(qū)內(nèi)可設(shè)置一個(gè)橋墩。本橋路線(xiàn)與北岸大堤斜交65°，與南岸大堤斜交115°。

綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、耐久性、運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)難度、工期和工程造價(jià)等因素，貫徹工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化、綠色環(huán)保及全壽命周期的橋梁設(shè)計(jì)理念，跨大堤橋采用變截面鋼混組合連續(xù)梁。見(jiàn)表1。

表1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

為滿(mǎn)足橋跨布置的要求，采用主跨130 m 跨徑跨越大堤，跨徑布置為75 m+130 m+75 m，橫斷面上下行分幅布置。見(jiàn)圖1。

圖1 橋型布置

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 鋼主梁

每幅橋橫向設(shè)2 片開(kāi)口U 形鋼箱梁，鋼箱梁根部梁高6.35 m，跨中梁高3.05 m，跨中50 m 及邊跨35 m范圍內(nèi)等梁高布置，單個(gè)箱室寬4.25 m，兩箱室間距4.0 m，兩側(cè)懸挑2.0 m，箱梁底板在橫橋向保持水平。

梁高變化段長(zhǎng)38.5 m，按2.0 次拋物線(xiàn)變化，橋面設(shè)置2%橫坡。見(jiàn)圖2。

圖2 主梁斷面

鋼箱梁上翼緣板寬度根據(jù)位置不同分別設(shè)置為750、800 mm，箱梁底板寬4.45 m，腹板高度隨梁高逐漸變化，均采用板肋加勁，底板加勁肋基本間距為60 cm，腹板在上翼緣下方60 cm 設(shè)置一道通長(zhǎng)加勁肋，在中支點(diǎn)附近底板上方設(shè)置2道。鋼主梁之間設(shè)置橫向連系梁，連系梁高大致為鋼箱梁高的4/5，全橋共設(shè)置23道橫向連系梁[3]。

鋼梁與橋面板栓釘連接，每道上翼緣橫橋向共布置6 列?22 mm 栓釘，順橋向每塊橋面板設(shè)置3 處，每處設(shè)5～6排。

3.1.2 橋面板

采用預(yù)制板和現(xiàn)澆濕接縫相結(jié)合的施工方法，材料為C55 混凝土，橋面板厚度28～45 cm，懸臂長(zhǎng)2.0 m。單幅橋橫向?yàn)? 塊板，板寬8 m，濕接縫寬50 cm，順橋向標(biāo)準(zhǔn)板寬5 m，濕接縫寬50 cm。

在橋面板跨中和懸臂部分局部采用15-5 規(guī)格的預(yù)應(yīng)力鋼鉸線(xiàn)束，在加腋處采用15-9和15-11的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)束。

3.1.3 下部結(jié)構(gòu)

采用分幅設(shè)置，承臺(tái)為分離式承臺(tái)，為增加景觀效果，橋墩為拱門(mén)形。

主墩墩身截面尺寸為2.8 m×3.5 m；承臺(tái)厚3.5 m，平面尺寸為12.2 m×12.2 m，下設(shè)9 根?1.8 m 鉆孔灌注樁。共用墩墩身截面尺寸為2.8 m×3.5 m；承臺(tái)厚3.5 m，平面尺寸為12.2 m×7.6 m，下設(shè)6 根?1.8 m 鉆孔灌注樁。

3.2 計(jì)算分析

采用有限元分析軟件Midas/Civil 建立計(jì)算模型，進(jìn)行施工過(guò)程分析。鋼主梁和混凝土橋面板采用雙單元建模，恒載按照實(shí)際重量計(jì)取，考慮混凝土收縮徐變及預(yù)應(yīng)力效應(yīng)等永久荷載，汽車(chē)活載和穩(wěn)定性等按照現(xiàn)行規(guī)范取值[5]。見(jiàn)圖3。

圖3 有限元計(jì)算模型

施工階段驗(yàn)算結(jié)果表明：邊跨端部混凝土橋面板最大拉應(yīng)力為0.04 MPa；鋼主梁最大拉應(yīng)力為154.5 MPa，最大壓應(yīng)力為135.5 MPa。

正常使用極限狀態(tài)頻遇組合驗(yàn)算結(jié)果表明：混凝土橋面板最大壓應(yīng)力為15.1 MPa；鋼主梁最大拉應(yīng)力為172.9 MPa，最大壓應(yīng)力為174.8 MPa。

邊跨正彎矩區(qū)混凝土橋面板未設(shè)置預(yù)應(yīng)力束，該部分混凝土橋面板按普通鋼筋混凝土控制，最大裂縫驗(yàn)算為0.11 mm。

汽車(chē)活載作用下梁體豎向位移為120/130 000=1/1 083。

以上計(jì)算結(jié)果表明，該橋的結(jié)構(gòu)均滿(mǎn)足JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》。

4 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及措施

大跨徑鋼混組合連續(xù)梁在中支點(diǎn)處的負(fù)彎矩導(dǎo)致上翼緣橋面板受拉，下翼緣鋼梁受壓，本橋主跨達(dá)到130 m，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)是中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)，如何降低墩頂負(fù)彎矩，防止混凝土橋面板受拉開(kāi)裂和高應(yīng)力水平下鋼底板受壓局部屈曲[4]。

4.1 中支點(diǎn)落梁

在橋面板澆筑后，給中支點(diǎn)一定向下的位移，會(huì)對(duì)全橋橋面板產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力，按照每次遞增10 cm落梁計(jì)算，墩頂負(fù)彎矩結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 落梁對(duì)墩頂橋面板彎矩影響

綜合考慮主梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果和施工安全風(fēng)險(xiǎn)，采用中支點(diǎn)落梁40 cm，墩頂彎矩比正常施工降低17.4%，改善了橋面板的受力。落梁的具體措施為：

1）在鋼梁制作階段，按照設(shè)計(jì)設(shè)置預(yù)拱度后的線(xiàn)形，制作鋼箱梁；

2）架設(shè)鋼梁時(shí)，邊支點(diǎn)處一次性安裝永久支座，中支點(diǎn)處安裝臨時(shí)支座，鋼梁架設(shè)安裝完成后，中支點(diǎn)臨時(shí)支座處應(yīng)頂起鋼梁40 cm并增設(shè)墊塊；

3）待橋面板施工完畢后，拆除主墩頂墊塊及臨時(shí)支座，頂升千斤頂需回落至支座設(shè)計(jì)位置，安裝中支點(diǎn)永久支座。

4.2 橋面板施加預(yù)應(yīng)力

為減小墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面板拉應(yīng)力，在混凝土橋面板上施加預(yù)應(yīng)力，以增加壓應(yīng)力儲(chǔ)備，避免運(yùn)營(yíng)階段混凝土受拉開(kāi)裂。鋼梁上翼緣采用的是集簇式剪力釘，剪力釘預(yù)留孔澆筑前對(duì)橋面板施加預(yù)應(yīng)力，從而避免了預(yù)應(yīng)力施加在鋼梁上，提高了橋面板預(yù)應(yīng)力的導(dǎo)入度，對(duì)提高橋面板的壓應(yīng)力儲(chǔ)備有良好效果。

4.3 分區(qū)域施加預(yù)應(yīng)力

為避免混凝土與鋼梁因收縮徐變不一致導(dǎo)致的變形，施工中結(jié)合橋面板受力，分正、負(fù)彎矩區(qū)安裝預(yù)制橋面板，適時(shí)在負(fù)彎矩區(qū)張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。具體的操作流程：先施工跨中正彎矩區(qū)，再墩頂負(fù)彎矩區(qū)，然后邊跨正彎矩區(qū)，最后澆筑各區(qū)域之間的濕接縫。

4.4 二次落架技術(shù)

本橋采用少支架臨時(shí)墩拼裝鋼主梁的施工方案，拆除臨時(shí)墩的時(shí)機(jī)對(duì)組合截面內(nèi)力分配有很大影響。如在鋼梁架設(shè)完成后拆除，則鋼主梁承受自身以及混凝土橋面板的恒載，組合截面只承受二期鋪裝的恒載，會(huì)導(dǎo)致鋼梁用鋼量大，結(jié)構(gòu)不經(jīng)濟(jì)；如在混凝土橋面板完全結(jié)合之后拆除，則組合截面承受所有的恒載，橋面板應(yīng)力較大，鋼主梁利用率較低。

因此本次設(shè)計(jì)采用二次落架技術(shù)，在跨中正彎矩區(qū)的橋面板結(jié)合后第一次落架，在橋面板全部結(jié)合后拆除所有臨時(shí)墩第二次落架，橋面板和橋面鋪裝等后期恒荷載由組合截面共同承擔(dān)。

二次落架可以充分發(fā)揮鋼主梁的應(yīng)力利用率，減少墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)用量，降低混凝土橋面板的拉應(yīng)力。

4.5 支點(diǎn)段雙組合截面

支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)主梁下緣鋼底板受壓，為防止鋼梁受壓翼緣鋼板在高應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生局部屈曲，在中支點(diǎn)兩側(cè)灌注厚度為50 cm 的C50 微膨脹混凝土，同時(shí)在腹板上增加2道局部加勁肋。

5 結(jié)語(yǔ)

本橋采用主跨130 m 的變截面鋼混組合連續(xù)梁，為目前國(guó)內(nèi)最大跨徑的公路鋼混組合梁橋，設(shè)計(jì)中采用了落梁、施加預(yù)應(yīng)力、二次落架、底板澆筑混凝土等一系列措施，改善了結(jié)構(gòu)受力、提高了耐久性。施工過(guò)程中主梁鋼結(jié)構(gòu)加工工藝簡(jiǎn)單，根據(jù)施工吊裝設(shè)備能力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)分段，運(yùn)輸和吊裝均較為便捷，混凝土橋面板現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制、吊裝與鋼主梁連接，速度快，預(yù)制結(jié)構(gòu)澆筑質(zhì)量有保障。