道慶洲大橋標(biāo)準(zhǔn)段鋼桁結(jié)合梁關(guān)鍵技術(shù)研究

鄭亞鵬

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430056)

1 工程概況

福州市道慶洲過(guò)江通道工程位于閩江和烏龍江交叉口，連接福州市倉(cāng)山區(qū)和長(zhǎng)樂(lè)市。大橋位于青州閩江大橋和福泉高速烏龍江大橋之間，在道慶洲濕地邊緣通過(guò)，如圖1所示。

圖1 工程總平面

跨江大橋采用“公路+軌道交通”[1]雙層合建方式，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)上層采用6車道城市主干道兼一級(jí)公路和人行非機(jī)動(dòng)車混行通道，下層通行速度100 km/h雙線地鐵?？缃瓨蛉€長(zhǎng)2 268.5 m，其中，跨江引橋標(biāo)準(zhǔn)段采用7×84 m連續(xù)鋼桁結(jié)合梁[2]?？缃龢驑?biāo)準(zhǔn)段分第三聯(lián)和第四聯(lián)，位于線路直線段，如圖2所示。跨江標(biāo)準(zhǔn)段引橋從道慶洲濕地邊緣通過(guò)，大部分河床面高程均在-2.0 m左右，平時(shí)水深較淺，無(wú)通航要求。橋址處覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖洪積層，厚35～62 m。場(chǎng)區(qū)基巖以燕山早期侵入花崗巖后經(jīng)區(qū)域動(dòng)力變質(zhì)形成的花崗片麻巖為主。

圖2 橋梁跨度布置(單位：m)

2 橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)及跨度構(gòu)思

跨江引橋孔跨布置需綜合考慮道慶洲濕地保護(hù)、橋下防洪、三江口景觀、施工便利、經(jīng)濟(jì)性等因素。道慶洲濕地作為沿海通往內(nèi)陸的生態(tài)廊道和濕地鏈之一，為各類水生、濕地植物提供必要的生長(zhǎng)環(huán)境，是各類動(dòng)物良好的繁殖地、覓食地和棲息地。本項(xiàng)目在工可階段對(duì)線位進(jìn)行多次調(diào)整和比較，以避開道慶洲濕地[3]。然而，受總體規(guī)劃線位及兩岸接線等條件控制，最終調(diào)整后的線位從道慶洲濕地邊緣通過(guò)，還是不可避免地侵占了部分水域。為最大程度降低大橋?qū)竦氐牟焕绊?，環(huán)評(píng)要求加大跨江引橋的跨度以減小橋墩數(shù)量，專題報(bào)告建議引橋跨徑需大于80 m。

根據(jù)TB10082—2017《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，溫度跨度大于100 m的鋼梁需設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器[4]；同時(shí)，考慮到行車舒適性的要求，盡量減少伸縮縫數(shù)量。綜合考慮各種因素要求，采用7×84 m連續(xù)鋼桁梁方案經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)受力均較好，滿足環(huán)評(píng)報(bào)告要求。

相比其他同類型橋梁，本橋在技術(shù)方面具有以下難點(diǎn)。

(1)長(zhǎng)聯(lián)大跨。本橋?yàn)?孔一聯(lián)，每孔跨度84 m。隨著聯(lián)長(zhǎng)的增加，對(duì)設(shè)計(jì)和施工均提出更高要求。

(2)地鐵橋面采用無(wú)砟軌道[5]。無(wú)砟軌道對(duì)結(jié)構(gòu)剛度要求較高，且對(duì)施工精度要求更高。

(3)無(wú)橫向連接系。相比常規(guī)鋼桁梁，本橋未設(shè)置橫向連接系，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析。

(4)公路面采用組合梁結(jié)構(gòu)[6]。組合梁結(jié)構(gòu)可有效避免鋼橋面鋪裝的難題，但同時(shí)使得結(jié)構(gòu)自重增加，給墩頂和挑臂橫向根部裂縫控制帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年。

(2)上層橋面線路標(biāo)準(zhǔn)：城市主干道兼一級(jí)公路，6車道，設(shè)計(jì)行車速度60 km/h，城市A級(jí)。

(3)下層橋面線路標(biāo)準(zhǔn)：地鐵6號(hào)線，雙線通行，設(shè)計(jì)運(yùn)行速度100 km/h，線間距4.2 m，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)B2車型，列車編組6輛，接觸網(wǎng)受電，車輛最大軸重140 kN，最小軸重65 kN，空載軸重80 kN[7]。

(4)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度；E1地震作用下(50年超越概率10%)的水平地震動(dòng)峰值加速度為0.125g，E2地震作用下(50年超越概率2%)的水平地震動(dòng)峰值加速度為0.237 5g。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 總體布置

鋼桁梁跨度布置為：0.7 m+7×84 m+0.7 m=589.4 m，見圖3。上層為6車道公路+兩側(cè)人群和非機(jī)動(dòng)車道，下層為雙線地鐵。上層橋面采用密橫梁結(jié)構(gòu)，組合梁結(jié)構(gòu)；下層為“縱橫梁+正交異性板整體鋼橋面[8]”。橋梁橫斷面采用2片主桁，不設(shè)置橫向聯(lián)結(jié)系[9]，主桁中心距15 m，公路挑臂橫梁長(zhǎng)8 m，公路路面寬31 m，見圖4。

圖3 引橋標(biāo)準(zhǔn)段立面布置(單位：m)

圖4 引橋標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面布置(單位：m)

標(biāo)準(zhǔn)段鋼桁梁均采用Q345qD鋼材，公路橋面板采用C50混凝土，橋面板鋼筋采用HRB400鋼筋，樁基為C35混凝土，承臺(tái)為C35混凝土，墩身為C40混凝土。

4.2 主桁

主桁采用無(wú)豎桿的三角型桁架[10]，節(jié)間長(zhǎng)12 m，桁高9.5 m。上、下弦桿均采用箱形截面，腹桿采用箱形截面或H形截面[11]，見圖5。主桁節(jié)點(diǎn)采用焊接整體節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)外拼接。上弦桿高1.56 m，下弦桿高1.46 m，內(nèi)寬均為1.0 m。上、下弦桿內(nèi)側(cè)均設(shè)置板式加勁肋，腹桿不設(shè)置加勁肋。節(jié)段間弦桿采用栓焊結(jié)合聯(lián)接，腹桿采用栓接，見圖6。

圖5 主桁截面(單位：mm)

圖6 主桁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

4.3 鐵路橋面系

鐵路橋面系采用“縱橫梁+正交異性板整體鋼橋面[12]”，見圖7。每隔12 m設(shè)置1道大橫梁，中間設(shè)置3道橫肋。鐵路橋面系頂板厚16 mm，頂板采用板式加勁肋，加勁肋尺寸200 mm×16 mm；橫梁腹板厚18 mm，橫梁下翼緣尺寸700 mm×32 mm；橫肋腹板厚12 mm，下翼緣尺寸200 mm×12 mm；縱梁高1 100 mm，腹板厚12 mm，下翼緣界面360 mm×16 mm。鐵路橋面系與主桁連接采用栓焊結(jié)合方式[13]，鐵路橋面系頂面設(shè)置1%橫坡。

圖7 鐵路橋面系布置(單位：m)

4.4 公路橋面系

公路橋面系采用鋼混結(jié)合梁，見圖8，混凝土板厚220 mm，鋼橫梁采用密橫梁體系[14]，混凝土板和鋼橫梁通過(guò)剪力釘連接。橫梁間距3 m，橫梁頂板尺寸480 mm×24 mm，普通橫梁腹板厚12 mm，節(jié)點(diǎn)橫梁腹板厚14 mm，普通橫梁底板尺寸360 mm×24 mm，節(jié)點(diǎn)橫梁底板尺寸440 mm×24 mm。公路橋面系頂板設(shè)置2%橫坡。公路橫梁與主桁采用栓焊結(jié)合方式連接，上翼緣與主桁焊接，下翼緣和腹板為栓接[15]。

圖8 公路橋面系布置(單位：m)

混凝土橋面板采用C50高性能混凝土，縱橫向分塊預(yù)制，板厚220 mm。橋面板主筋采用HRB400鋼筋，縱向鋼筋φ20 mm，間距125 mm，橫向鋼筋φ22 mm，間距125 mm?；炷涟孱A(yù)制存梁期180 d。

4.5 支座

支座均采用雙曲面球形減隔震支座[16]，各支點(diǎn)設(shè)置橫向擋塊。邊墩支座承載力1.5×104kN，中墩支座承載力4×104kN。

4.6 預(yù)拱度

主桁設(shè)有預(yù)拱度[17-18]，預(yù)拱度由上弦桿長(zhǎng)度伸縮形成，伸長(zhǎng)或縮短值在上弦桿拼接板的拼縫中變化，弦桿和斜桿仍交匯于節(jié)點(diǎn)中心?？v向預(yù)拱度考慮恒載和豎曲線影響。

4.7 下部結(jié)構(gòu)

引橋標(biāo)準(zhǔn)段鋼桁梁墩身結(jié)構(gòu)形式相同，上半部墩身橫向均為“n”字形框架墩，下半部采用圓端形實(shí)體墩身，單個(gè)墩柱為“馬蹄形”，基本尺寸為5 m×5 m，墩柱為實(shí)體截面。墩頂設(shè)矩形帽梁，平面尺寸為6.5 m×21.5 m，高度4.3 m；承臺(tái)平面尺寸為14 m×24.5 m，承臺(tái)厚4.0 m。橋墩基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁，規(guī)格為φ2.0 m和φ2.2 m。

5 施工方案

5.1 下部結(jié)構(gòu)施工

橋墩施工首先搭設(shè)鉆孔平臺(tái)，進(jìn)行鉆孔樁施工；然后，根據(jù)實(shí)際水位，采用鋼板樁圍堰[19]進(jìn)行承臺(tái)施工。墩身采用分節(jié)段翻模法施工，模板宜采用整體鋼模板，模板外側(cè)帶有操作平臺(tái)以滿足墩身施工作業(yè)要求。

5.2 上部結(jié)構(gòu)施工

鋼桁梁采用懸臂桿件拼裝方案，每孔跨中設(shè)置臨時(shí)墩?；炷涟宀捎霉S預(yù)制施工，存梁后吊裝到位，之后澆筑濕接縫。

由于本橋荷載較大，中墩頂處主梁承受較大負(fù)彎矩，上部混凝土板承受較大拉應(yīng)力。同時(shí)，在混凝土收縮徐變長(zhǎng)期作用下，混凝土板受拉問(wèn)題更加突出，如不采取必要的控制措施，混凝土拉應(yīng)力超標(biāo)，裂縫寬度超過(guò)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》的要求。為保證墩頂處混凝土板裂縫寬度不超限，改善混凝土板的受力狀態(tài)，采取以下施工措施。

(1)優(yōu)化混凝土板結(jié)合順序和頂落梁措施[8]。為控制中墩頂處混凝土板裂縫，采用依次起頂中墩鋼梁的方法為混凝土板施加預(yù)壓應(yīng)力，先結(jié)合跨中2個(gè)節(jié)間混凝土板→起頂中墩處鋼梁→結(jié)合墩頂區(qū)域5個(gè)節(jié)間混凝土板→下落中墩處鋼梁。根據(jù)中墩位置的不同，起頂量分為17 cm和22 cm兩種。頂落梁示意見圖9。

圖9 頂落梁示意(單位：m)

(2)預(yù)制混凝土板，并嚴(yán)格控制存梁期。由于混凝土的收縮徐變效應(yīng)主要發(fā)生在早期，將混凝土在工廠內(nèi)預(yù)制后，放置180 d存梁，可有效減小收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響[14]。

(3)濕接縫。濕接縫現(xiàn)澆段采用微膨脹混凝土。

通過(guò)以上措施，并結(jié)合混凝土板配置普通鋼筋，可將裂縫寬度控制在規(guī)范允許值以內(nèi)。

6 受力分析

采用橋梁空間結(jié)構(gòu)分析軟件3DBridge[20]建立全橋結(jié)構(gòu)分析模型。主桁、橋面系縱橫梁采用梁?jiǎn)卧?，混凝土橋面板和正交異性板采用板單元?；炷涟蹇紤]施工過(guò)程對(duì)收縮徐變的影響。

結(jié)構(gòu)荷載包括：①恒載，鋼梁和混凝土自重用密度調(diào)整系數(shù)施加，附屬荷載按照壓力荷載施加，附屬荷載包括公路面鋪裝、欄桿、燈柱、排水槽、指示牌、鐵路無(wú)砟軌道、軌道附屬件、檢查車軌道等；②公路活載，采用6車道“城A”，按規(guī)范考慮橫向折減系數(shù)，兩側(cè)設(shè)置“人群+非機(jī)動(dòng)道”；③鐵路活載，采用6輛編組“B2型車”。

6.1 主桁檢算

按照TB10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行檢算。檢算工況分為3個(gè)階段，即主力、主+附、安裝階段。Q345qD軸向容許應(yīng)力200 MPa，根據(jù)不同檢算工況，容許應(yīng)力乘以相應(yīng)的提高系數(shù)[21]。主桁主要桿件的檢算結(jié)果如表1所示。

表1 主桁主要桿件檢算結(jié)果

6.2 橋面系橫向驗(yàn)算

采用空間節(jié)段分析模型，進(jìn)行橋面系橫向驗(yàn)算，活載按照車輛荷載(輪載)施加，其余荷載與總體計(jì)算模型一致。將公路和鐵路橫梁計(jì)算結(jié)果列出，如表2、表3所示，橋面系橫向應(yīng)力滿足TB10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》容許應(yīng)力要求。

表2 公路橫梁計(jì)算結(jié)果 MPa

表3 鐵路橫梁計(jì)算結(jié)果 MPa

6.3 結(jié)構(gòu)剛度

(1)梁端轉(zhuǎn)角

根據(jù)計(jì)算，梁端轉(zhuǎn)角為0.8‰。根據(jù)GB50517—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：在列車靜活載作用下，有砟軌道橋梁梁?jiǎn)味素Q向轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于5‰，無(wú)砟軌道橋梁?jiǎn)味素Q向轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于3‰rad；無(wú)砟軌道梁?jiǎn)味素Q向轉(zhuǎn)角大于2‰rad時(shí)，應(yīng)檢算梁端處軌道扣件的上拔力。本橋活載梁端轉(zhuǎn)角滿足規(guī)范2‰rad要求。

(2)跨中撓度

根據(jù)計(jì)算，邊跨活載撓跨比1/4 305，中跨活載撓跨比1/4 962。根據(jù)JTG_D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：簡(jiǎn)支或連續(xù)桁架，撓跨比限值為1/500。根據(jù)GB50517—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：L>80 m橋梁，豎向撓跨比限值1/1 000。本橋活載撓度均滿足規(guī)范要求。

6.4 混凝土板

混凝土橋面板縱橫梁均采用普通混凝土結(jié)構(gòu)。橋面板主筋采用HRB400鋼筋，縱向鋼筋φ20 mm，間距125 mm，橫向鋼筋φ22 mm，間距125 mm。混凝土板計(jì)算分為縱向及橫向計(jì)算，縱向計(jì)算考慮第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)疊加。

橫向計(jì)算結(jié)果：混凝土板最大拉應(yīng)力5.9 MPa，最大壓應(yīng)力3 MPa，最大裂縫寬度0.17 mm?？v向計(jì)算結(jié)果：混凝土板最大拉應(yīng)力4.5 MPa，最大壓應(yīng)力6.1 MPa，最大裂縫寬度0.16 mm。結(jié)果均滿足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》中一類環(huán)境要求。

7 結(jié)論

在福州道慶洲大橋標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)過(guò)程中存在諸多限制因素和設(shè)計(jì)難題，關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)如下。

(1)標(biāo)準(zhǔn)段引橋采用長(zhǎng)聯(lián)布置，橋型簡(jiǎn)潔統(tǒng)一，減少了公路面伸縮縫數(shù)量，提高了行車舒適性；同時(shí)長(zhǎng)聯(lián)布置，有利于懸臂拼裝施工。

(2)采用84 m孔跨布置，有利于保護(hù)濕地環(huán)境，也減少了地鐵伸縮軌道調(diào)節(jié)器數(shù)量。

(3)公路橋面采用“密橫梁+混凝土板”結(jié)合梁設(shè)計(jì)，不僅結(jié)構(gòu)傳力清晰，有利于提高縱橫向結(jié)構(gòu)剛度，減少了橫聯(lián)，且有利于降低鋪裝工程造價(jià)。

(4)鐵路橋面采用正交異性板整體鋼橋面，有利于提高結(jié)構(gòu)剛度。

(5)為保證墩頂處混凝土板裂縫寬度滿足規(guī)范要求，改善混凝土板的受力狀態(tài)，采用頂落梁措施。

通過(guò)介紹道慶洲大橋引橋標(biāo)準(zhǔn)段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方法、受力分析等關(guān)鍵技術(shù)，以期為今后類似橋梁設(shè)計(jì)、施工提供參考。福州道慶洲大橋于2017年開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2022年開通運(yùn)營(yíng)。