钢混组合连续梁桥设计创新措施

【摘要】考虑大跨度变截面钢混组合连续梁桥可充分利用两种材料优势，具有结构自重轻、抗震性能优越等特点，以实际工程为例，分析钢混组合连续梁桥的总体布置、结构设计，建立有限元模型对结构进行验算，提出设计难点及相应对策措施。

【关键词】：钢混组合；连续梁；大跨度；变截面；黄河大桥

目前，国内连续梁桥应用较多的是预应力混凝土连续梁，混凝土梁结构刚度大、变形小、工艺成熟；但大跨径混凝土连续梁桥的病害近年来也出现较多，主要体现在混凝土腹板承受主拉应力，腹板出现裂缝，结构刚度降低，跨中下挠严重，影响结构承载力等。针对预应力混凝土梁桥出现的病害，为了减轻梁体自重，将30~80cm厚的混凝土腹板替换为10mm左右厚的钢板；为加强钢板刚度，采用波纹形式腹板，由此提出波形钢腹板预应力组合连续梁桥。相比传统预应力箱梁桥，波形钢腹板预应力组合连续梁桥主梁自重减少20%左右，显著降低了地震力，增大了腹板抗屈曲刚度，提高了腹板抗剪能力[1]；但是，受顶底板钢束张拉空间所限，该桥型需采用部分体外预应力束，体外预应力束易出现腐蚀问题，需后期更换；此外，在波形钢腹板与混凝土顶底板的连接处由于疲劳作用，连接构造易出现耐久性问题且构造复杂，施工要求较高。钢混组合梁是近年来国内重点发展的一种桥型，由钢主梁和混凝土桥面板组合而成，可充分利用两种材料的性能优势，结构自重轻、抗震性能优越、收缩徐变和稳定效应对结构影响较小，主梁钢结构加工工艺简单，可根据施工吊装设备能力对钢结构分段，运输和吊装均较为便捷，混凝土桥面板现场预制，通过吊装与钢主梁连接，速度快，预制结构浇筑质量有保障。一般情况下，该类型桥梁由于跨中下挠，墩顶负弯矩区混凝土板出现拉应力，导致开裂。众多学者对其进行深度研究，如聂建国等[2]提出的抗拔不抗剪构造措施，有效减小了墩顶负弯矩区混凝土板随钢梁位移而产生的拉应力，同时解除混凝土板与钢梁顶面水平位移的限制，很好地解决了开裂问题。本文以实际工程为例，结合项目实际情况，提出多种方案以解决墩顶负弯矩区混凝土板开裂问题，同时减少工期，优化结构受力。

1工程概况

沾化—临淄公路黄河大桥总长4630m，双向6车道，设计速度120km/h，桥梁标准宽度34m，汽车荷载等级为公路-Ⅰ级。桥位处黄河河道属于弯曲型窄河段，设计洪峰流量按照堤防设防流量11000m3/s考虑，设计洪水频率为1/300，场地地震动峰值加速度为0.10g，基本地震烈度为Ⅶ度。大桥由北向南组成依次为北侧堤外引桥、北侧跨大堤桥、北侧堤内引桥、主桥、南侧堤内引桥、南侧跨大堤桥、南侧堤外引桥。

2桥型确定

根据水利部黄河水利委员会相关规定，桥梁跨越黄河大堤，在堤身设计断面内不得设置桥墩，桥墩离堤身设计堤脚线≮5m，大堤淤背区内可设置一个桥墩。本桥路线与北岸大堤斜交65°，与南岸大堤斜交115°。综合考虑结构受力、耐久性、运营养护难度、工期和工程造价等因素，贯彻工厂化、标准化、装配化、绿色环保及全寿命周期的桥梁设计理念，跨大堤桥采用变截面钢混组合连续梁。见表1。为满足桥跨布置的要求，采用主跨130m跨径跨越大堤，跨径布置为75m+130m+75m，横断面上下行分幅布置。

3结构设计与计算

3.1结构设计

3.1.1钢主梁每幅桥横向设2片开口U形钢箱梁，钢箱梁根部梁高6.35m，跨中梁高3.05m，跨中50m及边跨35m范围内等梁高布置，单个箱室宽4.25m，两箱室间距4.0m，两侧悬挑2.0m，箱梁底板在横桥向保持水平。梁高变化段长38.5m，按2.0次抛物线变化，桥面设置2%横坡。见图2。钢箱梁上翼缘板宽度根据位置不同分别设置为750、800mm，箱梁底板宽4.45m，腹板高度随梁高逐渐变化，均采用板肋加劲，底板加劲肋基本间距为60cm，腹板在上翼缘下方60cm设置一道通长加劲肋，在中支点附近底板上方设置2道。钢主梁之间设置横向连系梁，连系梁高大致为钢箱梁高的4/5，全桥共设置23道横向连系梁[3]。钢梁与桥面板栓钉连接，每道上翼缘横桥向共布置6列ϕ22mm栓钉，顺桥向每块桥面板设置3处，每处设5～6排。3.1.2桥面板采用预制板和现浇湿接缝相结合的施工方法，材料为C55混凝土，桥面板厚度28～45cm，悬臂长2.0m。单幅桥横向为2块板，板宽8m，湿接缝宽50cm，顺桥向标准板宽5m，湿接缝宽50cm。在桥面板跨中和悬臂部分局部采用15-5规格的预应力钢铰线束，在加腋处采用15-9和15-11的预应力钢绞线束。3.1.3下部结构采用分幅设置，承台为分离式承台，为增加景观效果，桥墩为拱门形。主墩墩身截面尺寸为2.8m×3.5m；承台厚3.5m，平面尺寸为12.2m×12.2m，下设9根ϕ1.8m钻孔灌注桩。共用墩墩身截面尺寸为2.8m×3.5m；承台厚3.5m，平面尺寸为12.2m×7.6m，下设6根ϕ1.8m钻孔灌注桩。

3.2计算分析

采用有限元分析软件Midas/Civil建立计算模型，进行施工过程分析。钢主梁和混凝土桥面板采用双单元建模，恒载按照实际重量计取，考虑混凝土收缩徐变及预应力效应等永久荷载，汽车活载和稳定性等按照现行规范取值[5]。见图3。施工阶段验算结果表明：边跨端部混凝土桥面板最大拉应力为0.04MPa；钢主梁最大拉应力为154.5MPa，最大压应力为135.5MPa。正常使用极限状态频遇组合验算结果表明：混凝土桥面板最大压应力为15.1MPa；钢主梁最大拉应力为172.9MPa，最大压应力为174.8MPa。边跨正弯矩区混凝土桥面板未设置预应力束，该部分混凝土桥面板按普通钢筋混凝土控制，最大裂缝验算为0.11mm。汽车活载作用下梁体竖向位移为120/130000=1/1083。以上计算结果表明，该桥的结构均满足JTG3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》。

4设计难点及措施

大跨径钢混组合连续梁在中支点处的负弯矩导致上翼缘桥面板受拉，下翼缘钢梁受压，本桥主跨达到130m，其设计难点是中支点负弯矩区，如何降低墩顶负弯矩，防止混凝土桥面板受拉开裂和高应力水平下钢底板受压局部屈曲[4]。

4.1中支点落梁

在桥面板浇筑后，给中支点一定向下的位移，会对全桥桥面板产生一定的预应力，按照每次递增10cm落梁计算，墩顶负弯矩结果见表2。综合考虑主梁结构验算结果和施工安全风险，采用中支点落梁40cm，墩顶弯矩比正常施工降低17.4%，改善了桥面板的受力。落梁的具体措施为：1）在钢梁制作阶段，按照设计设置预拱度后的线形，制作钢箱梁；2）架设钢梁时，边支点处一次性安装永久支座，中支点处安装临时支座，钢梁架设安装完成后，中支点临时支座处应顶起钢梁40cm并增设垫块；3）待桥面板施工完毕后，拆除主墩顶垫块及临时支座，顶升千斤顶需回落至支座设计位置，安装中支点永久支座。

4.2桥面板施加预应力

为减小墩顶负弯矩区桥面板拉应力，在混凝土桥面板上施加预应力，以增加压应力储备，避免运营阶段混凝土受拉开裂。钢梁上翼缘采用的是集簇式剪力钉，剪力钉预留孔浇筑前对桥面板施加预应力，从而避免了预应力施加在钢梁上，提高了桥面板预应力的导入度，对提高桥面板的压应力储备有良好效果。

4.3分区域施加预应力

为避免混凝土与钢梁因收缩徐变不一致导致的变形，施工中结合桥面板受力，分正、负弯矩区安装预制桥面板，适时在负弯矩区张拉预应力钢束。具体的操作流程：先施工跨中正弯矩区，再墩顶负弯矩区，然后边跨正弯矩区，最后浇筑各区域之间的湿接缝。

4.4二次落架技术

本桥采用少支架临时墩拼装钢主梁的施工方案，拆除临时墩的时机对组合截面内力分配有很大影响。图3有限元计算模型如在钢梁架设完成后拆除，则钢主梁承受自身以及混凝土桥面板的恒载，组合截面只承受二期铺装的恒载，会导致钢梁用钢量大，结构不经济；如在混凝土桥面板完全结合之后拆除，则组合截面承受所有的恒载，桥面板应力较大，钢主梁利用率较低。因此本次设计采用二次落架技术，在跨中正弯矩区的桥面板结合后第一次落架，在桥面板全部结合后拆除所有临时墩第二次落架，桥面板和桥面铺装等后期恒荷载由组合截面共同承担。二次落架可以充分发挥钢主梁的应力利用率，减少墩顶负弯矩区桥面预应力钢绞线用量，降低混凝土桥面板的拉应力。

4.5支点段双组合截面

支点负弯矩区主梁下缘钢底板受压，为防止钢梁受压翼缘钢板在高应力状态下发生局部屈曲，在中支点两侧灌注厚度为50cm的C50微膨胀混凝土，同时在腹板上增加2道局部加劲肋。

5结语

本桥采用主跨130m的变截面钢混组合连续梁，为目前国内最大跨径的公路钢混组合梁桥，设计中采用了落梁、施加预应力、二次落架、底板浇筑混凝土等一系列措施，改善了结构受力、提高了耐久性。施工过程中主梁钢结构加工工艺简单，根据施工吊装设备能力对钢结构分段，运输和吊装均较为便捷，混凝土桥面板现场预制、吊装与钢主梁连接，速度快，预制结构浇筑质量有保障。

参考文献：

[1]肖汝诚.桥梁结构体系[M].北京：人民交通出版社，2013.

[2]聂建国，刘明，叶列平.钢-混凝土组合结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3]徐君兰，孙淑红.钢桥[M].2版.北京：人民交通出版社，2011.

[4]吴冲.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社，2006.

[5]苏庆田，刘玉擎，曾明根.钢-混组合箱梁桥受力的有限元仿真分析[J].桥梁建设，2006，（5）：28-31.

作者：徐常泽 张玉涛 李云鹏 单位：山东省交通规划设计院集团有限公司