小半徑曲線鋼-混凝土疊合連續箱梁橋設計探討

熊洪波

（廣州市市政工程設計研究院，廣東廣州510060）

0 引言

近年來隨著城市高架橋、立交橋建設的需要，曲線梁在我國己被廣泛采用。為了節約用地、減少征地拆遷，曲線梁的半徑往往較小。另外，由于需要跨越既有高架、鐵路等，往往跨徑較大。這時跨徑較小的普通鋼筋混凝土連續曲梁難以滿足這種需要，因此選用有較大跨越能力的預應力混凝土梁和鋼結構。在施工工期、施工交通組織允許的情況下，一般選用較為經濟的預應力混凝土連續曲梁。但在施工工期、施工交通組織要求較嚴、不能中斷地面交通的情況下，采用滿堂支架澆筑的預應力混凝土連續曲梁難以滿足，而通常采用鋼結構。鋼箱梁具有較大的抗扭剛度，無疑非常適合此類曲線梁段，但由于正交異性鋼橋面板具有噪音大及橋面鋪裝不穩定等諸多缺點，通常在上述路段優選鋼-混凝土疊合箱梁橋。

1 工程概況

昆明市主城二環快速系統改擴建工程東、北二環段大樹營立交中，D匝道跨越人民路高架及主線高架時，在DS4-7～DS4-10軸采用了40 m+62 m+40 m連續鋼-混凝土疊合箱梁。該梁段曲線半徑R=80 m，橋寬8 m，布置兩個車道，單向橫坡2%～3%。整個梁段線形組成為：26.39 m（緩和曲線段）+101.13 m（圓曲線段）+14.48 m（緩和曲線段）。橋梁橫斷面見圖1，結構采用單箱雙室，梁高按等高布置，箱梁腹板凈高1.85 m，混凝土后澆層15 cm（含頂板厚度），邊腹板采用斜率為3∶1的斜腹板，并在懸臂板根部用R=1000的薄鋼板包封，使得鋼梁外觀與混凝土梁一致。

鋼箱梁沿結構中心線每隔2 m設置一道橫隔板及倒T形的斜撐支撐翼板，以保證箱梁的整體穩定。箱梁頂板采用閉合截面的U形加勁肋，板厚6 mm，底板設有縱向I肋，肋厚16 mm。考慮腹板局部屈曲安全的問題，在腹板上設置一道縱向加勁肋，厚16 mm。箱梁邊腹板厚16 mm，中腹板厚14 mm，翼板頂板厚12 mm，其余部分頂底板厚度隨截面內力變化而變化，橫梁處頂底板厚度最大，為25 mm，跨中厚度最小，為16 mm。

橋面板采用CF50鋼纖維混凝土后澆層，厚度15 cm（包括鋼箱梁頂板厚度）。鋼纖維混凝土后澆層與鋼梁頂板之間采用剪力釘連接。整個結構橫坡由繞里程線旋轉鋼梁與混凝土后澆層調坡共同形成。

（1）曲線半徑小，支座反力分配不均勻，容易出現支座脫空現象；

（2）跨度大，中墩墩頂負彎矩大，混凝土橋面板易開裂；

（3）采用等高梁且高跨比較小，需通過施工工序來調整結構應力。

2 連續曲線鋼-混凝土疊合梁總體布置

2.1 跨徑布置及支座偏心設置

由于鋼結構具有自身重量輕的特點，且混凝土現澆層厚度不大，活載在總荷載中所占比重較大，連續梁邊墩支座在恒載作用下的預壓力一般不大，要預防全部被活載引起的上拔力克服的危險。因此在總體布置時邊跨和中跨的比例不宜過小，宜適當放大。

連續曲線梁支承一般設計為邊墩為支座，中間幾個支座為單點支承，這樣在活載作用下不僅邊跨而且中跨都會對邊墩支座產生扭轉作用，使得兩支座受力不均。為了扭轉荷載的連續傳遞，減小曲梁兩端的扭矩，本工程中所有曲線梁所有墩均采用雙支座設計。

兩支座受力不均時，一般采用增大支座間距的方法來實現，因此對于雙支座應盡量放大它們之間的間距。但在小半徑連續曲線梁的情況下，僅靠增大支座間距的方法是不夠的，這時就要靠調整支座偏心來避免出現負反力并使得反力分配均勻。

表1為DS4-7～DS4-10軸兩邊墩支座在各總體布置情況下的恒載反力及其不均勻系數比較表。在“支座間距2.9 m外偏0.1 m”的總體布置情況下，DS4-7軸最小活載反力為分別為-221.5 kN(內側支座)、-215.8 kN(外側支座)；DS4-10 軸最小活載反力為分別為-269.2 kN(內側支座)、-222.6 kN(外側支座)。顯然，在最不利荷載作用下各支座均不會出現負反力，但為使同一墩上兩支座受力均勻以減小梁體扭矩，有必要調整支座橫向偏心距離。由表1可知，在“支座間距2.9 m外偏0.1 m”的總體布置情況下DS4-7軸反力的不均勻系數為2.4%，說明支座偏心值設置合適，而DS4-10軸偏心值宜進一步調整。

表1 邊墩支座總體布置情況下的恒載反力不均勻系數比較表

2.2 梁高變化對設計參數的影響

合理選用梁高是進行梁體設計的重要因素。在確定梁高時應綜合考慮建筑容許高度、剛度條件和經濟性等因素。在其它條件不變的情況下，梁高越小，總用鋼量就越少，經濟性也就越好。但是梁高太小會導致橋梁剛度不足應力太大等問題，因此合理地選用鋼梁高度就顯得尤為重要。表2為梁高變化時，各設計參數的變動情況。

1.3評價標準 患兒臨床癥狀和體征消失,體溫恢復正常,表示護理有效。患兒臨床癥狀和體征明顯改善,體溫下降,表示護理好轉。患兒臨床癥狀和體征無變化,體溫持續不降,表示治療無效。

表2 梁高變化對設計參數的影響

從表2可以看出，適當增加梁高，鋼材用量增加不多，但表征截面應力的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩有大幅提高和活載撓跨比大幅下降。因此在類似跨徑的城市高架鋼-混疊合梁（鋼箱梁）設計中，如果梁高的設計條件容許，應適當放大梁高，以取得節省鋼材的經濟效果。

3 負彎矩區混凝土橋面板的設計思路及措施

大跨度連續鋼-混疊合梁設計要考慮的關鍵問題是疊合梁負彎矩區的處理方法。這是因為：多跨連續疊合梁在后期恒載及活載作用下，負彎矩區的混凝土橋面板常因拉應力過大而開裂，從而導致梁體剛度降低，混凝土板內鋼筋甚至其下鋼板銹蝕，以至降低結構的耐久性。

根據負彎矩區混凝土橋面板的性能要求，可按以下三種方法進行設計：不容許發生拉應力、不容許裂縫產生、限制裂縫寬度。對于這一問題，早期多采用配置預應力的方法解決，要求混凝土在使用荷載作用下不出現或僅出現有限拉應力。但隨著研究的深入，取消負彎矩區橋面板的縱向預應力，增加普通鋼筋來減小裂縫寬度，即用裂縫寬度限制替代拉應力限值的設計方法已經越來越得到認同和應用。這種設計方法簡化了構造、方便了施工，并以經濟上更大的競爭優勢促進了組合結構橋梁的發展。

本橋橋面板在縱向按容許開裂、控制裂縫寬度的原則進行設計，不設置體內縱向預應力束。為了改善負彎矩區橋面板的受力性能，實現對負彎矩區橋面板裂縫寬度的有效控制，本橋采用了如下技術措施：

（1）優化縱向普通鋼筋的布置。從提高縱向鋼筋配筋率、握裹面積比，選擇合適的鋼筋直徑及間距，依據橋面板縱向應力的分布來合理布置鋼筋三個方面，實現對負彎矩區橋面板裂縫寬度及其分布的控制。需要說明的是，在鋼梁腹板兩側橋面板一定范圍內，剪力滯效應引起的橋面板拉應力較其他部位要高，因此設計時對該范圍內縱向鋼筋進行了加強布置。

（2）合理地選擇施工順序。橋面板施工采用先跨中、后支點的澆筑順序，這樣跨中橋面板的恒載作用對支點處混凝土橋面板會產生一個預壓作用，有效地減小了支點橋面板的恒載拉應力，改善了負彎矩區橋面板的受力性能。

（3）通過添加鋼纖維、微膨脹劑等改善負彎矩區混凝土的性能。鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復合材料。這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內部微裂縫的擴展及宏觀裂縫的形成，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。微膨脹劑能有效減少混凝土在澆筑硬化后收縮產生的裂紋，進一步提高混凝土橋面板的抗裂性和密實度。

4 結構計算

結構計算采用大型空間有限元程序進行分析，采用三維梁單元模擬曲線箱梁結構，并以施工階段聯合截面的形式考慮橋面板混凝土的作用。圖1、圖2分別為鋼梁與混凝土現澆層在恒載作用下的應力圖。需要說明的是圖中恒載應力項包括收縮徐變產生的效應。

圖3、圖4為成橋運營階段鋼梁與混凝土現澆層上下緣的應力包絡圖。

5 結論

大跨度小半徑曲線梁橋在今后的城市立交中將會大量出現，而鋼-混疊合梁亦將是很有發展前景的橋型之一。半徑小時曲梁的力學效應顯著，設計時應注意到支座反力的特點和規律，在支座設置和構造上應采取相應措施。

對負彎矩混凝土橋面板開裂問題采取容許截面開裂、控制裂縫寬度的設計原則，并通過合理的施工順序優化負彎矩區混凝土橋面板的受力性能。

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