鋼- UHPC組合梁在大跨徑橋梁中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

沈理斌，劉曉鑾

[1.嘉興市快速路建設(shè)發(fā)展有限公司，浙江 嘉興 314000；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

鋼- 混組合梁橋近幾年在城市橋梁中獲得了廣泛應(yīng)用，具有跨越能力大、建筑高度小、抗震性能好及施工快捷等優(yōu)點(diǎn)[1]。鋼-混組合梁橋可以充分發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料的性能優(yōu)勢，但其負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的開裂問題是設(shè)計(jì)需要關(guān)注的重點(diǎn)[2]。

UHPC 是一種高強(qiáng)度、高韌性、耐久性強(qiáng)的水泥基材料，抗拉強(qiáng)度達(dá)到7～10 MPa 以上，臨界開裂應(yīng)變超過1000×10-6[3-4]。鋼-UHPC 組合梁是通過焊釘將UHPC 橋面板與鋼梁連接成整體，利用UHPC優(yōu)異的力學(xué)性能，鋼-UHPC 組合梁可以實(shí)現(xiàn)較薄、較輕的橋面板構(gòu)造，有效降低上部結(jié)構(gòu)自重和下部基礎(chǔ)工程量，提高負(fù)彎矩區(qū)橋面板的抗拉強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)耐久性和橋梁的跨越能力等。

本文以嘉興市市區(qū)快速路環(huán)線工程跨京杭大運(yùn)河地面老橋（龍鳳橋）為工程背景，介紹了鋼-UHPC組合梁方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并與預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、波形鋼腹板連續(xù)梁和系桿拱橋方案進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，鋼-UHPC 組合梁方案在類似百米跨徑橋梁工程中具有良好的跨越性能，展示了良好的應(yīng)用前景。

1 橋梁設(shè)計(jì)方案

1.1 工程概況

嘉興市市區(qū)快速路環(huán)線工程采用高架橋梁形式，雙向6 車道，利用現(xiàn)狀中分帶立墩。在中環(huán)西路跨越地面老橋龍鳳橋，老橋全長225 m，橋?qū)?6.5 m，跨徑為3×20 m +3×35 m +3×20 m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁，下部結(jié)構(gòu)采用排架式橋墩，樁柱式橋臺(tái)，樁基采用1.2 m、1.5 m 鉆孔灌注樁（見圖1）。

圖1 龍鳳橋現(xiàn)狀平面和橫斷面（單位：m）

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）汽車荷載：城-A 級(jí)。

（2）橋梁寬度：0.5 m（防撞墻）+ 11.75 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（分隔墩）+ 11.75 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（防撞墻）=25.0 m。

（3）環(huán)境類別：I 類。

（4）設(shè)計(jì)使用年限：100 a。

1.3 橋梁總體布置

橋位處為老京杭運(yùn)河，主干河道，規(guī)劃為Ⅵ級(jí)航道，河口寬度約80 m，通航凈寬不小于22 m。由于龍鳳橋老橋已有2 個(gè)水中墩，為減小阻水率，水利部門要求新建高架橋盡可能不設(shè)水中墩。另外，京杭運(yùn)河為世界文化遺產(chǎn)，文化部門要求盡可能一跨過河；橋墩樁基應(yīng)避讓老橋樁基，且最小樁間距不小于2.5d，d 為樁基直徑。最終橋梁選擇一跨過河方案，且避讓駁岸，橋墩邊緣距駁岸凈距不小于5 m，總體布置見圖2。

圖2 龍鳳橋主橋總體布置（單位：m）

1.4 鋼-UHP C 組合梁方案

考慮合理受力配跨，鋼-UHPC 組合梁跨徑布置為65 m +95 m +65 m，采用變高度連續(xù)梁設(shè)計(jì)，支點(diǎn)梁高5 m，跨中梁高3 m，梁高按二次拋物線變化。組合梁采用多箱單室結(jié)構(gòu)，共由4 片箱梁組成。橋面板采用6 cm 的UHPC，以減輕上部結(jié)構(gòu)重量、增大橋面板剛度，同時(shí)避免鋼橋面板疲勞問題。下部結(jié)構(gòu)采用大挑臂預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，矩形截面立柱，矩形承臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。施工采用鋼梁分段工廠預(yù)制，現(xiàn)場組拼后節(jié)段拼裝，主橋合龍后澆筑UHPC 組合橋面板。

（1）組合梁斷面設(shè)計(jì)。組合梁的鋼梁可采用I 形鋼板梁、閉口鋼箱梁或開口槽型梁截面形式，中小跨徑組合梁多采用I 形鋼板梁或開口槽型梁。本橋跨徑較大，為增加主梁的抗彎和抗扭整體性，采用閉口鋼箱梁截面形式，詳見圖3。

圖3 鋼-UHP C 組合梁橫斷面（單位：m）

（2）鋼梁設(shè)計(jì)。25 m 標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)挋M向由4 片箱梁組成，梁距6.0 m，中間采用橫梁連接，橫梁間距10.5 m。鋼梁頂板滿鋪，寬度24.7 m，板厚12～16 m，采用U型加勁肋。底板標(biāo)準(zhǔn)寬度2150 mm，板厚20～30 mm，采用一字加勁肋。

（3）UHPC 橋面板設(shè)計(jì)。UHPC 橋面板厚60 mm，其上攤鋪40 mm 厚瀝青混凝土磨耗層，UHPC 橋面板與鋼梁采用剪力釘連接，剪力釘型號(hào)φ10×40。UHPC 橋面板內(nèi)布置縱橫向鋼筋，直徑16 mm，間距100 mm。鋼-UHPC 組合梁方案效果見圖4。

圖4 鋼-UHP C 組合梁方案效果

1.5 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁方案

跨徑布置與鋼-UHPC 組合梁相同，為65 m+95 m+65 m。上部結(jié)構(gòu)采用單箱多室變高度連續(xù)梁，支點(diǎn)梁高5 m，跨中梁高2.6 m，按二次拋物線變化，箱梁采用單箱三室斷面。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。立柱頂端采用擴(kuò)大頭設(shè)計(jì)，以增大橫梁支座間距，造型上與主梁順接（見圖5）。采用懸臂澆筑施工方案。

圖5 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁斷面（單位：m）

1.6 波形鋼腹板連續(xù)梁方案

跨徑布置采用65 m+95 m+65 m，上部結(jié)構(gòu)采用單箱多室變高度連續(xù)梁，支點(diǎn)梁高5.5 m，跨中梁高2.8 m，按二次拋物線變化（見圖6）。波形鋼腹板采用1600 型波形鋼板，現(xiàn)澆節(jié)段長度取3.2 m 和4.8 m兩種。箱梁采用混凝土橫隔板，板厚0.5 m，間距8～10 m。波形鋼腹板與混凝土頂、底板之間均采用雙PBL 開孔板的連接方式，采用以波形鋼板作為施工支架的SCC 施工法。

圖6 波形鋼腹板連續(xù)梁斷面（單位：m）

1.7 系桿拱橋方案

系桿拱采用鋼梁鋼拱方案，跨徑為95 m，兩邊接線采用小箱梁。主梁采用雙邊箱結(jié)構(gòu)，箱室寬度與拱肋保持一致，兩箱室中心距為27.1 m。標(biāo)準(zhǔn)橫梁采用工字形斷面，橫梁間距6 m，與拉索間距保持一致。采用先梁后拱施工方法，先在河中搭設(shè)2 個(gè)臨時(shí)墩，施工系梁和橫梁；主梁架設(shè)完畢后，在梁上架設(shè)鋼拱。

系桿拱橋方案效果見圖7。

圖7 系桿拱橋方案效果

2 鋼-UHPC 組合梁方案分析

2.1 經(jīng)濟(jì)性分析

本文分別對(duì)相同跨徑和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的鋼-UHPC組合梁、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、波形鋼腹板連續(xù)梁和系桿拱橋方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。從中可以看出，與預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁相比，鋼- UHPC組合梁方案綜合單價(jià)增加約12%，波形鋼腹板連續(xù)梁方案綜合單價(jià)增加約8%，系桿拱橋方案綜合單價(jià)增加約6%。由此可見，鋼-UHPC 組合梁方案具有良好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

表1 方案經(jīng)濟(jì)比選表

從表1 可以看出，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁自重最大，約為鋼-UHPC 組合梁的3 倍，導(dǎo)致其基礎(chǔ)體積大，需拆除的地面老橋的T 梁數(shù)增加，增大了地面橋拆除工作量和造價(jià)。由于體外預(yù)應(yīng)力和波形鋼腹板的單價(jià)較高，波形鋼腹板連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)造價(jià)比預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁方案略高，下部結(jié)構(gòu)造價(jià)相當(dāng)。系桿拱方案沒有配跨，單位面積造價(jià)與混凝土連續(xù)梁相當(dāng)。鋼-UHPC 組合梁方案上部結(jié)構(gòu)自重最小，基礎(chǔ)體量和地面橋拆除改建工程量最小，綜合造價(jià)更顯優(yōu)勢。

2.2 施工方案分析

龍鳳橋是快速路環(huán)線的控制性工程，其施工進(jìn)度決定了整個(gè)項(xiàng)目的竣工時(shí)間，所以宜選擇工期較短的施工方案。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁為常規(guī)橋梁，施工工藝成熟，但其懸臂施工需逐節(jié)段澆筑，施工周期長。波形鋼腹板連續(xù)梁采用SCC 施工方法，施工周期與懸澆混凝土梁相當(dāng)，但其景觀效果與文物保護(hù)要求不大一致。系桿拱橋方案采用先梁后拱的施工方法，施工期間對(duì)航道、河道行洪有一定影響，施工工序繁雜，對(duì)施工技術(shù)要求最高。

鋼-UHPC 組合梁方案可以實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制，現(xiàn)場拼裝，上、下部結(jié)構(gòu)同步施工，施工周期最短。綜合考慮工期要求、河道行洪、通航、老橋改建、地面交通、抗震性能、景觀要求等因素，最后選定鋼-UHPC 組合梁為本工程推薦方案。

2.3 耐久性分析

已有工程實(shí)踐表明，大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在服役期易出現(xiàn)箱梁裂縫、豎向預(yù)應(yīng)力失效和主梁撓度持續(xù)增大等病害，影響結(jié)構(gòu)的正常使用性能和使用壽命[8]。波形鋼腹板連續(xù)梁可以解決大跨徑混凝土連續(xù)梁橋的腹板開裂問題，提高腹板抗剪性能和結(jié)構(gòu)耐久性。

UHPC 材料結(jié)構(gòu)致密，氯離子等有害物質(zhì)難以通過毛細(xì)孔進(jìn)入混凝土內(nèi)部，提高了抵抗有害物質(zhì)侵襲的能力，鋼結(jié)構(gòu)的防腐技術(shù)[5-7]也已經(jīng)相對(duì)成熟，因此鋼- UHPC 組合梁與預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁和波形鋼腹板連續(xù)梁相比，在耐久性方面具有較大優(yōu)勢。

3 結(jié) 論

本文以嘉興市市區(qū)快速路環(huán)線工程跨越京杭大運(yùn)河地面老橋（龍鳳橋）為例，介紹了鋼-UHPC 組合梁方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并與預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、波形鋼腹板連續(xù)梁和系桿拱橋方案進(jìn)行了對(duì)比，最終決定采用鋼-UHPC 組合梁方案。同時(shí)得到如下主要結(jié)論：

（1）鋼-UHPC 組合梁方案上部結(jié)構(gòu)自重輕，下部結(jié)構(gòu)規(guī)模小，地面橋拆除改建工程量小，在經(jīng)濟(jì)性方面具有良好的競爭優(yōu)勢。

（2）鋼-UHPC 組合梁方案可以實(shí)現(xiàn)工程全預(yù)制，吊裝重量輕，實(shí)現(xiàn)快速化架設(shè)。

（3）鋼- UHPC 組合梁方案可避免傳統(tǒng)組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土易開裂的風(fēng)險(xiǎn)，UHPC 材料內(nèi)部致密，耐久性良好，可大幅減少結(jié)構(gòu)后期維護(hù)。