鋼-混組合橋梁在城市快改項(xiàng)目中的應(yīng)用

李凌霄

(中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引 言

近年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)城市化發(fā)展不斷深入，城市人口不斷增加，城市道路的交通壓力也在不斷地增長，這嚴(yán)重制約著城市的進(jìn)一步發(fā)展。目前國內(nèi)很多城市的交通設(shè)施用地范圍有限，將原有城市道路改造為快速路將有效地緩解城區(qū)交通壓力，對(duì)提升城市通行效率具有重大意義[1]。

城市快速化改造項(xiàng)目中涉及較多的路網(wǎng)交叉節(jié)點(diǎn)的改造，節(jié)點(diǎn)改造主要有三種方式，即地平式、橋梁上跨式和隧道下穿式；三種方式中，橋梁上跨方案的交通通行能力較強(qiáng)，而造價(jià)又比隧道下穿式節(jié)約較多，且施工較為迅速。更為重要的是，橋梁上跨方案對(duì)工程建設(shè)條件的適應(yīng)性比隧道式更強(qiáng)，對(duì)已有建筑及市政管線的改造相對(duì)較小。基于這些原因，橋梁上跨式方案在這類快速化改造工程中得到了十分廣泛采用[2]。

對(duì)于這類快改項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)橋梁工程，因其特有的建設(shè)條件、投資運(yùn)營模式以及城市發(fā)展的需求，其設(shè)計(jì)施工均有其特殊要求；而鋼-混組合橋梁作為近年來發(fā)展最為迅速的橋梁結(jié)構(gòu)形式[3]，其對(duì)于這類項(xiàng)目有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有必要對(duì)這類橋梁項(xiàng)目的設(shè)計(jì)施工進(jìn)行一定的總結(jié)分析。

1 快改項(xiàng)目橋梁工程特征

1.1 建設(shè)用地有限，應(yīng)盡量控制橋梁規(guī)模

快改項(xiàng)目橋梁工程一般在現(xiàn)有城市道路用地上開展，用地珍貴，許多項(xiàng)目在道路紅線范圍內(nèi)已建設(shè)有道路、橋梁、地鐵、地下人行通道、市政管網(wǎng)等構(gòu)筑物，留給快速化改造的建設(shè)空間十分有限。而對(duì)于很多新興城市，也需要為將來的建設(shè)空間進(jìn)行預(yù)留。因此，快改項(xiàng)目的橋梁工程均應(yīng)盡可能控制橋梁規(guī)模，爭取以最小的空間代價(jià)獲得最好的通行能力。另外，城市快改工程屬于政府的民生工程，由國家投資，建設(shè)者們更應(yīng)用好每一分錢，所以快改項(xiàng)目橋梁工程應(yīng)嚴(yán)格控制成本造價(jià)，杜絕浪費(fèi)。

1.2 現(xiàn)場交通流量大，保通要求高

快改項(xiàng)目一般位于城市人口密集區(qū)域，交通繁忙，通行能力的損失和交通流的中斷對(duì)于城市的運(yùn)轉(zhuǎn)以及民眾的生活都有很大的影響；特別是我國一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，中斷一天交通所帶來的經(jīng)濟(jì)損失可能已超過修建橋梁的成本。因此，城市繁華地段的快改工程建設(shè)需要盡可能地保證橋下及周邊道路交通流通暢。這就對(duì)快改項(xiàng)目橋梁工程的施工期交通組織設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

1.3 建設(shè)周期短，工期緊張

快改項(xiàng)目橋梁工程的施工流程較常規(guī)公路橋梁更為復(fù)雜，需要進(jìn)行原有道路的破除及恢復(fù)，橋梁下部結(jié)構(gòu)也跟常規(guī)結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。而施工過程中不可避免地會(huì)對(duì)城市道路及周邊城市環(huán)境有所影響。如何實(shí)現(xiàn)快速化施工是這類橋梁設(shè)計(jì)工作應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問題。

1.4 施工條件苛刻，施工方案需要因地制宜

當(dāng)下，我國的城鎮(zhèn)化發(fā)展取得了較大的成就，城市的地上地下空間開發(fā)也越來越充盈。因此，快改項(xiàng)目的現(xiàn)場建設(shè)條件一般都較為復(fù)雜?，F(xiàn)有的房屋建筑、市政管網(wǎng)、電力通信設(shè)備、地鐵、市政人行通道、文化古跡等都會(huì)對(duì)我們的橋梁工程建設(shè)造成一定的約束作用。不僅如此，在施工過程中，我還應(yīng)充分考慮節(jié)能環(huán)保等方面的要求，不僅要建設(shè)高質(zhì)量工程，還應(yīng)當(dāng)高質(zhì)量建設(shè)工程。這就對(duì)我們的結(jié)構(gòu)方案和與之配套的施工方案提出了更高的要求，基于這些要求，快改橋梁方案必須充分考慮，盡可能地與施工現(xiàn)場的環(huán)境條件相適應(yīng)。

2 鋼-混組合梁的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 材料利用率高，結(jié)構(gòu)性價(jià)比高

鋼-混組合梁的受力模式能充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)受拉，混凝土受壓的材料優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的劣勢(shì)。因此，鋼-混組合梁的承載力及剛度將大大優(yōu)于單一材料結(jié)構(gòu)。由于材料性能的充分利用，鋼-混組合梁相比于傳統(tǒng)鋼箱梁，其造價(jià)降低30%～50%[4]，其截面剛度提升20%～40%。而相比于混凝土結(jié)構(gòu)橋梁，鋼-混組合梁梁高將降低20%～30%，能有效地縮減橋梁規(guī)模，且景觀性更佳，更符合城市橋梁特征需要。

2.2 鋼梁分片設(shè)計(jì)

組合梁鋼結(jié)構(gòu)橫斷面形式主要分為工字形鋼梁和槽形鋼梁兩類，而通過調(diào)整鋼梁根數(shù)、間距和槽形梁寬度，可以自由調(diào)整鋼主梁的分片設(shè)計(jì)[5]。此種設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)是可以適應(yīng)各種形式的施工條件，不同的分片設(shè)計(jì)將對(duì)應(yīng)不同的鋼結(jié)構(gòu)制作分塊和吊裝分塊。相比于鋼箱梁結(jié)構(gòu)，組合梁的鋼結(jié)構(gòu)形式更加豐富，其施工方案要更加靈活多變，適應(yīng)性更強(qiáng)。

2.3 橋面板形式多樣

鋼-混組合梁的橋面板設(shè)計(jì)同樣是靈活多變。根據(jù)橋面板的預(yù)制分塊和現(xiàn)澆方案，可以設(shè)計(jì)出多種多樣的橋面板實(shí)現(xiàn)方案，不同的方案則將需要搭配不同的施工方案，包括吊裝、鋼筋綁扎、現(xiàn)場澆筑以及可能需要的支架及模板[6]。而這些施工方案又將影響施工期間的交通組織和工期。因此，可以根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場的施工條件和交通組織要求，調(diào)整橋面板的實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)更為便捷的施工建設(shè)。

2.4 工業(yè)化建造

通過對(duì)鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配化設(shè)計(jì)，其主要的鋼結(jié)構(gòu)及橋面板構(gòu)件均可進(jìn)行異地工廠生產(chǎn)、現(xiàn)場組裝。裝配化設(shè)計(jì)將大大減少現(xiàn)場作業(yè)的工作量，有利于縮短現(xiàn)場施工工期，減少施工期對(duì)現(xiàn)場的影響[7-8]。同時(shí)，將工廠生產(chǎn)的鋼結(jié)構(gòu)及橋面板預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，使其能適應(yīng)多種項(xiàng)目需求，實(shí)現(xiàn)橋梁的工業(yè)化生產(chǎn)，這又將進(jìn)一步降低建設(shè)成本、縮短建設(shè)周期，提高工程質(zhì)量。

3 工程應(yīng)用案例

3.1 工程概括

長沙市芙蓉大道快速化改造工程是長株潭一體化“三干兩軌”項(xiàng)目之一，項(xiàng)目全長26.2 km。其中長沙段14.5 km，湘潭段12 km。芙蓉大道快速化改造(湘潭段)工程項(xiàng)目起點(diǎn)位于長潭交界處，北接長沙芙蓉大道快改(長沙段)工程，沿原芙蓉大道由北往南依次經(jīng)過京深線、昭云大道、晴嵐路、金南街、昭信路、滬昆高速、紅易路、昭華路、新湖路、金湖路、商城路，團(tuán)山路、團(tuán)竹路，南達(dá)湘潭北二環(huán)。該項(xiàng)目按照一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，兼顧城市道路功能，總投資92 738萬元。

芙蓉大道快速化改造(湘潭段)工程橋梁工程包含5座主線上跨橋和13座人行天橋，本項(xiàng)目在K21+850位置跨越運(yùn)營中的滬昆高速主線橋梁，此節(jié)點(diǎn)橋梁采用(35.1+60+35.1)m鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)跨越，如圖1所示。本橋是湘潭段中跨度最大、難度最高的節(jié)點(diǎn)橋梁工程。本文以該聯(lián)鋼-混組合梁橋的設(shè)計(jì)施工為例，介紹其工程應(yīng)用方案與經(jīng)驗(yàn)。

圖1 跨滬昆節(jié)點(diǎn)橋梁立面圖(單位：mm)

跨滬昆-紅易路跨線橋設(shè)計(jì)雙向四車道，橋面總寬20.5 m，全橋共長317 m?，F(xiàn)有滬昆高速橋梁在交叉節(jié)點(diǎn)位置為雙向4車道，分幅設(shè)計(jì)，總寬為28 m，交叉角度為66°，兩側(cè)各預(yù)留9 m高速拓寬空間，跨線橋梁跨徑采用60 m。整聯(lián)鋼-混組合梁位于圓曲線上，圓曲線半徑R=660.5 m。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上跨滬昆高速-紅易路跨線橋第四聯(lián)采用(35.1+60+35.1)m鋼箱組合梁，箱體以路線中心為軸，單向3%橫坡，整聯(lián)組合梁位于圓曲線上，鋼-混組合梁主梁采用“槽型鋼箱梁+預(yù)制混凝土橋面板”組合結(jié)構(gòu)。橋梁采用整幅設(shè)計(jì)，全寬20.5 m，組合梁全高280 cm，高跨比為1/21.4。鋼梁高240 cm，橋面板高25 cm，在工字鋼梁處增設(shè)腋腳至40 cm，如圖2所示。

圖2 主梁結(jié)構(gòu)標(biāo)注斷面圖(單位：mm)

鋼梁設(shè)計(jì)采用五片槽型鋼箱梁，槽型鋼箱梁主要由上翼緣板、腹板、腹板橫向加勁肋、腹板縱向加勁肋、底板、底板縱向加勁肋、橫隔板、橫向聯(lián)系等組成。單片鋼箱梁槽寬2.1 m，槽間間距2.0 m，兩側(cè)懸臂長1.0 m。鋼梁分片方案主要考慮：①橋跨跨度60 m較大，且位于曲線段，橫向抗扭剛度要求較高，因此單片鋼梁采用鋼箱梁方案；②考慮吊裝施工難度及對(duì)橋下交通影響，鋼梁片數(shù)不宜過多，但吊重又不宜過大，因此分片方案需要兼顧考慮；③考慮橋梁位于曲線段，鋼箱梁箱間間距不宜過大，箱間設(shè)置小橫梁，提高橫向剛度。

鋼梁縱橋向分片主要受滬昆高速現(xiàn)有橋梁寬度控制，需要一跨跨越。在滿足此條件基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能縮短縱向分片，降低吊重及吊臂長，根據(jù)現(xiàn)場條件，在滬昆高速橋梁兩側(cè)設(shè)置臨時(shí)支墩，鋼梁縱向節(jié)段為跨越滬昆高速的中跨位置，最大節(jié)段長為34 m，節(jié)段鋼梁最大吊重為60 t。

橋面板方案中，橫橋向全寬設(shè)置兩片預(yù)制混凝土橋面板，單片橫橋向長9.95 m，縱橋向橋面板寬度為3 m，預(yù)制板之間設(shè)置現(xiàn)澆濕接縫，橫橋向濕接縫寬60 cm，縱橋向濕接縫寬50 cm。橋面板方案主要考慮：①考慮運(yùn)輸、保存及吊重要求，橋面板寬度設(shè)計(jì)為3 m，便于汽車運(yùn)輸；②橋面板長9.95 m一方面保證吊重不會(huì)太大，另一方面可以使得橫橋向的現(xiàn)澆縱縫只有一道，有利于減少現(xiàn)場施工作業(yè)量；③本橋位于跨高速現(xiàn)有橋梁區(qū)段，該橋面板方案能盡量減少現(xiàn)場作業(yè)量，加快施工進(jìn)度。

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.3.1 計(jì)算模型

(35.1+60+35.1) m鋼箱組合梁，箱體以路線中心為軸，單向3%橫坡，整聯(lián)組合梁位于圓曲線上，圓曲線半徑R=660.5 m。利用MIDAS Civil大型通用有限元程序建立考慮施工過程的曲線梁梁格模型，如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型圖

假定負(fù)彎矩區(qū)混凝土不開裂，混凝土作為鋼梁上翼緣與鋼梁一起承擔(dān)荷載，建立不開裂的梁格模型，該模型用于判斷混凝土是否開裂、計(jì)算剪力件數(shù)量。

考慮負(fù)彎矩區(qū)混凝土開裂退出工作，根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第11.3.2條，考慮中支點(diǎn)左右15%跨徑的混凝土退出工作，僅考慮有效截面內(nèi)的鋼筋作用。開裂模型用于鋼梁強(qiáng)度計(jì)算、鋼筋應(yīng)力計(jì)算、裂縫寬度計(jì)算、撓度計(jì)算、疲勞計(jì)算等[9]。

3.3.2 結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.3條規(guī)定，對(duì)于簡支或者連續(xù)梁，主梁撓度不應(yīng)超過L/500[9]。主梁撓度采用有限元方法計(jì)算，車輛荷載應(yīng)采用不計(jì)沖擊力的汽車車道荷載頻遇值，頻遇值系數(shù)為1.0。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，全聯(lián)主梁撓度最大位置為最外側(cè)箱梁跨中位置，該位置汽車荷載撓度絕對(duì)值為5.1+25.2=30.3 mm小于L/500=60 000/500=120 mm，滿足規(guī)范要求。

3.3.3 鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

采用開裂模型計(jì)算，根據(jù)橋梁施工工序，在計(jì)算中定義施工階段如下：

(1) 架設(shè)臨時(shí)支撐，架設(shè)鋼結(jié)構(gòu)；

(2) 鋼結(jié)構(gòu)拼裝，鋼梁連續(xù)；

(3) 中跨段預(yù)制混凝土橋面板，澆筑中跨段橋面板群釘及濕接縫；

(4) 吊裝邊跨段預(yù)制混凝土橋面板，澆筑邊跨段橋面板群釘及濕接縫；

(5) 拆除臨時(shí)支撐；

(6) 吊裝墩頂負(fù)彎矩區(qū)段預(yù)制混凝土橋面板，澆筑負(fù)彎矩區(qū)段橋面板群釘及濕接縫；

(7) 安裝護(hù)欄，鋪設(shè)二期恒載，安裝附屬設(shè)施；

(8) 收縮徐變10年最終成橋。

各施工階段及運(yùn)營期鋼主梁計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果表

從鋼梁結(jié)果中可以看出，施工各階段鋼梁應(yīng)力水平及撓度均滿足規(guī)范要求，基本組合作用下鋼梁上翼緣最大應(yīng)力為222.3 MPa，下翼緣最大應(yīng)力為215.2 MPa，均滿足規(guī)范要求[10]。

3.3.4 混凝土橋面板驗(yàn)算

采用不開裂模型計(jì)算得到混凝土橋面板有限元計(jì)算結(jié)果，其中基本組合下混凝土板最大壓應(yīng)力為18.9 MPa，小于22.4 MPa，滿足要求。中支點(diǎn)位置最大拉應(yīng)力9 MPa，遠(yuǎn)大于1.83 MPa，不滿足要求，需進(jìn)行裂縫驗(yàn)算?；炷涟宓淖畲罅芽p寬度按《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》第6.4.3條計(jì)算；該橋縱向鋼筋采用HRB400鋼筋，橫向間距12 cm，在正彎矩區(qū)采用頂層+底層的兩層鋼筋布置方案，在負(fù)彎矩區(qū)采用頂層+底層的兩層直徑28 mm鋼筋布置方案。驗(yàn)算得到最大裂縫寬度為0.12 mm，小于規(guī)范要求的0.2 mm，滿足規(guī)范要求[11]。

3.4 施工要點(diǎn)

本項(xiàng)目鋼-混組合橋梁的主要施工步驟為：

(1) 現(xiàn)澆施工橋梁下部結(jié)構(gòu)。

(2) 鋼主梁及預(yù)制橋面板在工廠預(yù)制好后由汽車運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。

(3) 搭設(shè)臨時(shí)墩及高速防護(hù)棚，吊裝設(shè)備進(jìn)場并安裝到位。

(4) 鋼梁吊裝。

(5) 全聯(lián)鋼梁吊裝完成后拼接鋼橫梁并焊接鋼主梁節(jié)段縫。

(6) 吊裝中跨預(yù)制橋面板并澆筑現(xiàn)澆層。

(7) 吊裝邊跨預(yù)制橋面板并澆筑現(xiàn)澆層。

(8) 吊裝墩頂負(fù)彎矩區(qū)預(yù)制混凝土橋面板，澆筑負(fù)彎矩區(qū)段橋面板群釘及濕接縫。

(9) 安裝護(hù)欄，鋪設(shè)二期恒載，安裝附屬設(shè)施，全橋竣工。

整個(gè)施工過程中最為復(fù)雜的部分為跨滬昆橋節(jié)段鋼梁吊裝施工，由于是橋上架梁作業(yè)，吊裝機(jī)械需布置在現(xiàn)狀橋梁兩側(cè)，考慮吊機(jī)位置固定，一次性吊裝完成跨滬昆橋梁五片鋼梁吊裝。因此，所需要的吊臂長度較長，最大吊臂長度30 m，單個(gè)節(jié)段梁最大吊重60 t，采用500 t履帶吊設(shè)備，保證了吊裝施工過程的安全性。

本項(xiàng)目鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中已充分考慮吊裝施工及保通設(shè)計(jì)，每片鋼梁吊裝過程包括喂梁、配重、吊裝，施工時(shí)間不超過2 h，每片梁在現(xiàn)狀橋上的吊裝作業(yè)時(shí)間約15 min，如圖4所示。跨滬昆共計(jì)5片節(jié)段鋼梁，整個(gè)跨滬昆節(jié)段鋼梁的吊裝時(shí)間不超過1 d。

圖4 鋼主梁吊裝現(xiàn)場

4 結(jié)束語

城市快速化改造項(xiàng)目橋梁工程有建設(shè)條件復(fù)雜、保通要求高、施工期社會(huì)影響大等特點(diǎn)，鋼-混組合橋梁作為目前較為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式，具有材料利用率高、經(jīng)濟(jì)適用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工靈活多樣，能適用各種建設(shè)條件等特點(diǎn)，十分符合城市快改橋梁的工程特點(diǎn)。本文詳細(xì)總結(jié)了這一類橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工需求與特點(diǎn)，并以長沙市芙蓉大道快速化改造工程為案例，具體闡述了這類橋梁工程的設(shè)計(jì)施工方案與經(jīng)驗(yàn)，為同類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)施工提供參考。