鋼混組合連續梁橋設計創新措施

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【摘要】考慮大跨度變截面鋼混組合連續梁橋可充分利用兩種材料優勢，具有結構自重輕、抗震性能優越等特點，以實際工程為例，分析鋼混組合連續梁橋的總體布置、結構設計，建立有限元模型對結構進行驗算，提出設計難點及相應對策措施。

【關鍵詞】：鋼混組合；連續梁；大跨度；變截面；黃河大橋

目前，國內連續梁橋應用較多的是預應力混凝土連續梁，混凝土梁結構剛度大、變形小、工藝成熟；但大跨徑混凝土連續梁橋的病害近年來也出現較多，主要體現在混凝土腹板承受主拉應力，腹板出現裂縫，結構剛度降低，跨中下撓嚴重，影響結構承載力等。針對預應力混凝土梁橋出現的病害，為了減輕梁體自重，將30~80cm厚的混凝土腹板替換為10mm左右厚的鋼板；為加強鋼板剛度，采用波紋形式腹板，由此提出波形鋼腹板預應力組合連續梁橋。相比傳統預應力箱梁橋，波形鋼腹板預應力組合連續梁橋主梁自重減少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，受頂底板鋼束張拉空間所限，該橋型需采用部分體外預應力束，體外預應力束易出現腐蝕問題，需后期更換；此外，在波形鋼腹板與混凝土頂底板的連接處由于疲勞作用，連接構造易出現耐久性問題且構造復雜，施工要求較高。鋼混組合梁是近年來國內重點發展的一種橋型，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勢，結構自重輕、抗震性能優越、收縮徐變和穩定效應對結構影響較小，主梁鋼結構加工工藝簡單，可根據施工吊裝設備能力對鋼結構分段，運輸和吊裝均較為便捷，混凝土橋面板現場預制，通過吊裝與鋼主梁連接，速度快，預制結構澆筑質量有保障。一般情況下，該類型橋梁由于跨中下撓，墩頂負彎矩區混凝土板出現拉應力，導致開裂。眾多學者對其進行深度研究，如聶建國等[2]提出的抗拔不抗剪構造措施，有效減小了墩頂負彎矩區混凝土板隨鋼梁位移而產生的拉應力，同時解除混凝土板與鋼梁頂面水平位移的限制，很好地解決了開裂問題。本文以實際工程為例，結合項目實際情況，提出多種方案以解決墩頂負彎矩區混凝土板開裂問題，同時減少工期，優化結構受力。

1工程概況

沾化—臨淄公路黃河大橋總長4630m，雙向6車道，設計速度120km/h，橋梁標準寬度34m，汽車荷載等級為公路-Ⅰ級。橋位處黃河河道屬于彎曲型窄河段，設計洪峰流量按照堤防設防流量11000m3/s考慮，設計洪水頻率為1/300，場地地震動峰值加速度為0.10g，基本地震烈度為Ⅶ度。大橋由北向南組成依次為北側堤外引橋、北側跨大堤橋、北側堤內引橋、主橋、南側堤內引橋、南側跨大堤橋、南側堤外引橋。

2橋型確定

根據水利部黃河水利委員會相關規定，橋梁跨越黃河大堤，在堤身設計斷面內不得設置橋墩，橋墩離堤身設計堤腳線≮5m，大堤淤背區內可設置一個橋墩。本橋路線與北岸大堤斜交65°，與南岸大堤斜交115°。綜合考慮結構受力、耐久性、運營養護難度、工期和工程造價等因素，貫徹工廠化、標準化、裝配化、綠色環保及全壽命周期的橋梁設計理念，跨大堤橋采用變截面鋼混組合連續梁。見表1。為滿足橋跨布置的要求，采用主跨130m跨徑跨越大堤，跨徑布置為75m+130m+75m，橫斷面上下行分幅布置。

3結構設計與計算

3.1結構設計

3.1.1鋼主梁每幅橋橫向設2片開口U形鋼箱梁，鋼箱梁根部梁高6.35m，跨中梁高3.05m，跨中50m及邊跨35m范圍內等梁高布置，單個箱室寬4.25m，兩箱室間距4.0m，兩側懸挑2.0m，箱梁底板在橫橋向保持水平。梁高變化段長38.5m，按2.0次拋物線變化，橋面設置2%橫坡。見圖2。鋼箱梁上翼緣板寬度根據位置不同分別設置為750、800mm，箱梁底板寬4.45m，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60cm，腹板在上翼緣下方60cm設置一道通長加勁肋，在中支點附近底板上方設置2道。鋼主梁之間設置橫向連系梁，連系梁高大致為鋼箱梁高的4/5，全橋共設置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?22mm栓釘，順橋向每塊橋面板設置3處，每處設5～6排。3.1.2橋面板采用預制板和現澆濕接縫相結合的施工方法，材料為C55混凝土，橋面板厚度28～45cm，懸臂長2.0m。單幅橋橫向為2塊板，板寬8m，濕接縫寬50cm，順橋向標準板寬5m，濕接縫寬50cm。在橋面板跨中和懸臂部分局部采用15-5規格的預應力鋼鉸線束，在加腋處采用15-9和15-11的預應力鋼絞線束。3.1.3下部結構采用分幅設置，承臺為分離式承臺，為增加景觀效果，橋墩為拱門形。主墩墩身截面尺寸為2.8m×3.5m；承臺厚3.5m，平面尺寸為12.2m×12.2m，下設9根?1.8m鉆孔灌注樁。共用墩墩身截面尺寸為2.8m×3.5m；承臺厚3.5m，平面尺寸為12.2m×7.6m，下設6根?1.8m鉆孔灌注樁。

3.2計算分析

采用有限元分析軟件Midas/Civil建立計算模型，進行施工過程分析。鋼主梁和混凝土橋面板采用雙單元建模，恒載按照實際重量計取，考慮混凝土收縮徐變及預應力效應等永久荷載，汽車活載和穩定性等按照現行規范取值[5]。見圖3。施工階段驗算結果表明：邊跨端部混凝土橋面板最大拉應力為0.04MPa；鋼主梁最大拉應力為154.5MPa，最大壓應力為135.5MPa。正常使用極限狀態頻遇組合驗算結果表明：混凝土橋面板最大壓應力為15.1MPa；鋼主梁最大拉應力為172.9MPa，最大壓應力為174.8MPa。邊跨正彎矩區混凝土橋面板未設置預應力束，該部分混凝土橋面板按普通鋼筋混凝土控制，最大裂縫驗算為0.11mm。汽車活載作用下梁體豎向位移為120/130000=1/1083。以上計算結果表明，該橋的結構均滿足JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》。

4設計難點及措施

大跨徑鋼混組合連續梁在中支點處的負彎矩導致上翼緣橋面板受拉，下翼緣鋼梁受壓，本橋主跨達到130m，其設計難點是中支點負彎矩區，如何降低墩頂負彎矩，防止混凝土橋面板受拉開裂和高應力水平下鋼底板受壓局部屈曲[4]。

4.1中支點落梁

在橋面板澆筑后，給中支點一定向下的位移，會對全橋橋面板產生一定的預應力，按照每次遞增10cm落梁計算，墩頂負彎矩結果見表2。綜合考慮主梁結構驗算結果和施工安全風險，采用中支點落梁40cm，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，按照設計設置預拱度后的線形，制作鋼箱梁；2）架設鋼梁時，邊支點處一次性安裝永久支座，中支點處安裝臨時支座，鋼梁架設安裝完成后，中支點臨時支座處應頂起鋼梁40cm并增設墊塊；3）待橋面板施工完畢后，拆除主墩頂墊塊及臨時支座，頂升千斤頂需回落至支座設計位置，安裝中支點永久支座。

4.2橋面板施加預應力

為減小墩頂負彎矩區橋面板拉應力，在混凝土橋面板上施加預應力，以增加壓應力儲備，避免運營階段混凝土受拉開裂。鋼梁上翼緣采用的是集簇式剪力釘，剪力釘預留孔澆筑前對橋面板施加預應力，從而避免了預應力施加在鋼梁上，提高了橋面板預應力的導入度，對提高橋面板的壓應力儲備有良好效果。

4.3分區域施加預應力

為避免混凝土與鋼梁因收縮徐變不一致導致的變形，施工中結合橋面板受力，分正、負彎矩區安裝預制橋面板，適時在負彎矩區張拉預應力鋼束。具體的操作流程：先施工跨中正彎矩區，再墩頂負彎矩區，然后邊跨正彎矩區，最后澆筑各區域之間的濕接縫。

4.4二次落架技術

本橋采用少支架臨時墩拼裝鋼主梁的施工方案，拆除臨時墩的時機對組合截面內力分配有很大影響。圖3有限元計算模型如在鋼梁架設完成后拆除，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，會導致鋼梁用鋼量大，結構不經濟；如在混凝土橋面板完全結合之后拆除，則組合截面承受所有的恒載，橋面板應力較大，鋼主梁利用率較低。因此本次設計采用二次落架技術，在跨中正彎矩區的橋面板結合后第一次落架，在橋面板全部結合后拆除所有臨時墩第二次落架，橋面板和橋面鋪裝等后期恒荷載由組合截面共同承擔。二次落架可以充分發揮鋼主梁的應力利用率，減少墩頂負彎矩區橋面預應力鋼絞線用量，降低混凝土橋面板的拉應力。

4.5支點段雙組合截面

支點負彎矩區主梁下緣鋼底板受壓，為防止鋼梁受壓翼緣鋼板在高應力狀態下發生局部屈曲，在中支點兩側灌注厚度為50cm的C50微膨脹混凝土，同時在腹板上增加2道局部加勁肋。

5結語

本橋采用主跨130m的變截面鋼混組合連續梁，為目前國內最大跨徑的公路鋼混組合梁橋，設計中采用了落梁、施加預應力、二次落架、底板澆筑混凝土等一系列措施，改善了結構受力、提高了耐久性。施工過程中主梁鋼結構加工工藝簡單，根據施工吊裝設備能力對鋼結構分段，運輸和吊裝均較為便捷，混凝土橋面板現場預制、吊裝與鋼主梁連接，速度快，預制結構澆筑質量有保障。

參考文獻：

[1]肖汝誠.橋梁結構體系[M].北京：人民交通出版社，2013.

[2]聶建國，劉明，葉列平.鋼-混凝土組合結構[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[3]徐君蘭，孫淑紅.鋼橋[M].2版.北京：人民交通出版社，2011.

[4]吳沖.現代鋼橋[M].北京：人民交通出版社，2006.

[5]蘇慶田，劉玉擎，曾明根.鋼-混組合箱梁橋受力的有限元仿真分析[J].橋梁建設，2006，（5）：28-31.

作者：徐常澤 張玉濤 李云鵬 單位：山東省交通規劃設計院集團有限公司