G109 線跨高速公路橋的設(shè)計與技術(shù)研究

吳延輝，劉 濤

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

近年來公路交通行業(yè)大力推廣應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)橋梁，一些新的鋼結(jié)構(gòu)體系不斷出現(xiàn)。這些鋼結(jié)構(gòu)橋梁既可消化地方鋼鐵產(chǎn)能，促進(jìn)鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，又能提升橋梁建造競爭力。

本文基于G109 線改擴(kuò)建工程中跨高速橋工程實(shí)例，對新型管翼緣組合橋結(jié)構(gòu)體系的受力及關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行分析，為此類工程提供研究參考。

1 工程概況

G109 線改擴(kuò)建工程（忠和傅家窯立交至八里灣段）位于蘭州市城關(guān)區(qū)和皋蘭縣忠和鎮(zhèn)。道路基本沿既有G109 線布置。北側(cè)起點(diǎn)位于皋蘭縣忠和鎮(zhèn)蘭秦快速路傅家窯立交主橋北側(cè)約300 m 處，終點(diǎn)至蘭州市城關(guān)區(qū)八里灣北環(huán)路大砂溝立交相接，基本沿原G109 線向南延伸[1]。路線全長11.09 km，高架橋長度9.658 km，高架橋主要控制點(diǎn)為道路樁號K9+976.5 處連霍高速上跨現(xiàn)有G109 線1-30 m 橋梁。本次設(shè)計管翼緣組合梁橋?yàn)楦呒軜虻墓?jié)點(diǎn)工程，與地面國道及上跨國道的高速路橋形成三層立交形式，見圖1、圖2。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

圖2 橋梁平面布置圖（單位：cm）

2 管翼緣組合梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

高架在上跨高速處采用三跨51 m+61 m+51 m管翼緣組合梁橋，橋長103 m，道路中心線與連霍高速中線斜交角度63°。上部結(jié)構(gòu)由混凝土橋面板、主梁和橫梁組成，除主梁下翼板采用Q500qENH 鋼材外，其它鋼結(jié)構(gòu)全部采用Q345qENH 鋼材[2]。主橋由六片焊接方管翼緣組合梁作為主梁，方管內(nèi)填C50自密實(shí)微膨脹混凝土，見圖3；橋墩采用箱形鋼結(jié)構(gòu)門式框架墩，其中高架橋過渡墩蓋梁跨徑30 m，連霍高速路橋兩側(cè)的主墩蓋梁跨徑30 m[3]，主墩蓋梁中心線與線路中心線斜交角為63°。

圖3 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：cm）

3 MIDAS 分析模型

采用MIDAS/Civil 構(gòu)建本橋上部結(jié)構(gòu)有限元模型，上部結(jié)構(gòu)中采用梁格法建模，見圖4。主梁和混凝土板均離散為梁單元，管翼緣工字鋼梁和管內(nèi)混凝土為組合截面，頂板混凝土根據(jù)規(guī)范計算得到有效計算寬度為3 m，同時，設(shè)置混凝土板虛擬橫梁，虛擬橫梁縱向間距為2.5 m[1]。

圖4 上部結(jié)構(gòu)有限元模型

邊界條件設(shè)置為混凝土板與管翼緣組合梁之間剛性連接，支座采用彈性連接模擬。

圖5中主梁在不同施工階段不同荷載組合下，上翼緣最大壓應(yīng)力為148 MPa，小于Q345 鋼材275 MPa的強(qiáng)度設(shè)計值；下翼緣最大拉應(yīng)力為251 MPa，小于Q500 鋼材360 MPa 的強(qiáng)度設(shè)計值，因此，主梁翼緣的強(qiáng)度符合要求。

圖5 承載能力極限組合作用下主梁翼緣應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MP a）

圖6中主梁在不同施工階段和荷載工況作用下，最大剪應(yīng)力為43.1 MPa，小于Q345 鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計值155 MPa，主梁腹板的抗剪強(qiáng)度符合要求。

圖6 荷載工況二（承載能力極限組合）主梁腹板剪應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MP a）

不計汽車沖擊的汽車車道荷載撓度計算值需不超過L/500（L 為計算跨徑）。圖7 中在活載作用下，中跨最大豎向撓度為33 mm，小于L/500=122 mm，因此，主梁的撓度符合規(guī)范要求。

圖7 汽車荷載作用下主梁變形（單位：mm）

4 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

4.1 新型管翼緣組合梁結(jié)構(gòu)

管翼緣組合梁是一種新型的鋼混組合梁結(jié)構(gòu)形式，以鋼管混凝土的形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工字鋼上翼緣板。

新建G109 線高架與地面國道及上跨國道的高速路橋形成三層立交形式，由于G109 線高架與連霍高速主線斜交角為63°，其橋頭路基錐坡向道路兩側(cè)延伸較寬。為保證高速路基安全，避免擾動高速橋橋頭錐坡，并針對上跨高速施工窗口期短的要求，最終確定使用施工便捷的三跨51 m+61 m+51 m 大跨徑裝配式連續(xù)管翼緣組合梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的鋼管混凝土套箍效應(yīng)能顯著提升混凝土強(qiáng)度，從而提高構(gòu)件承載力，管內(nèi)混凝土的存在又可以延緩或避免鋼管發(fā)生局部屈曲，見圖8[1]。鋼管頂部設(shè)置栓釘剪力連接件，鋼管間敷設(shè)壓型鋼板并澆筑橋面混凝土。整橋通過鋼材與混凝土的良好結(jié)合使之共同受力，從而降低了鋼梁的腹板高度，提升了組合梁抗扭性能的同時也解決了大跨徑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中構(gòu)件穩(wěn)定性不足的問題。

圖8 管翼緣組合梁截面（單位：cm）

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用裝配式施工，大大降低了跨高速橋梁的施工風(fēng)險和施工難度，縮短了施工工期。同時管翼緣組合梁結(jié)構(gòu)提升了橋梁剛度和承載力，為工程節(jié)約鋼材使用量，在本工程中產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 高強(qiáng)鋼材的應(yīng)用

高強(qiáng)鋼材具有足夠的韌性和較高的強(qiáng)度，其焊接性、成形性良好。其在工程中的有效利用可以節(jié)省大量鋼材，減少非再生資源的消耗，減少資源開采帶來的環(huán)境破壞?！笆奈濉卑l(fā)展規(guī)劃中明確對我國鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，碳達(dá)峰、碳中和任務(wù)更加緊迫。大力推廣應(yīng)用高強(qiáng)度鋼材必將成為橋梁用鋼的大趨勢。本橋上部管翼緣組合梁由混凝土板、鋼管混凝土上翼緣、鋼腹板、加勁肋及鋼下翼緣板組成，其鋼結(jié)構(gòu)部分均采用高強(qiáng)鋼材組合梁，下翼板采用Q500qENH 鋼材，其它全部采用Q345qENH 鋼材。管翼緣組合梁受力時跨中截面拉應(yīng)力自上而下逐漸增大，壓應(yīng)變逐漸減小。組合梁截面中性軸靠近梁上部，受荷載作用下翼緣受拉區(qū)應(yīng)力增長速度大于上翼緣受壓區(qū)增長速度。針對以上問題，我們在梁體下緣采用了抗拉強(qiáng)度高的Q500qENH 鋼材，同時根據(jù)連續(xù)梁腹板及頂?shù)拙壥芰μ攸c(diǎn)，在主梁跨徑1/8 前后設(shè)置下翼緣板、腹板厚度變化段，對橋梁截面進(jìn)一步優(yōu)化。優(yōu)化后上部結(jié)構(gòu)不但減少了下翼緣板用鋼量，而且提高了組合梁整體承載能力，為本工程取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 免涂裝材料的應(yīng)用

耐候鋼是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼。經(jīng)過一段時間的大氣銹蝕在鋼材表面會形成致密的非晶態(tài)銹層組織層，該致密組織與鋼結(jié)構(gòu)母材牢固結(jié)合，阻止氧氣和水的進(jìn)一步腐蝕。在使用時，可以裸用或進(jìn)行穩(wěn)定化處理。本次設(shè)計橋梁使用的耐候鋼管翼緣組合梁結(jié)構(gòu)均采用不積水、通風(fēng)效果好的開口截面構(gòu)件，有利于穩(wěn)定銹層的形成。

項(xiàng)目采用免涂裝耐候鋼后可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。采用傳統(tǒng)鋼材全橋鋼結(jié)構(gòu)涂裝費(fèi)用1 124 t×1 200 元/t=135 萬元，全壽命期至少需要5次涂裝維護(hù)工作，費(fèi)用合計為675 萬元，采用免涂裝耐候鋼在本橋全壽命周期中節(jié)約費(fèi)用可達(dá)到建安費(fèi)的30%左右。工程采用耐候鋼自維護(hù)方式對環(huán)境相對友好，避免了橋梁設(shè)計使用周期內(nèi)反復(fù)涂裝產(chǎn)生的環(huán)境污染。

5 結(jié)語

裝配式橋梁、綠色橋梁已成為現(xiàn)代橋梁的發(fā)展趨勢，文中G109 上跨高速橋針對高速路路基寬、上跨高速施工窗口期短的情況，采用了裝配式連續(xù)管翼緣組合梁結(jié)構(gòu)。其吊裝簡便、施工窗口短，順利解決了工程難點(diǎn)。采用管翼緣結(jié)構(gòu)在同類結(jié)構(gòu)中跨徑領(lǐng)先，用鋼量較同跨徑橋梁少，其采用的免涂裝耐候鋼符合綠色發(fā)展理念，有效提升了橋梁的建設(shè)品質(zhì)。