無錫市盛新大橋鋼-混凝土混合連續梁橋設計與施工

齊 新

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

1 工程概況

盛新大橋是規劃次干路建樂路跨越運河的節點。盛新大橋的建設，增加跨越無錫市三大水系之一的京杭大運河的通道，溝通無錫市中心城區及住宅區湖濱區，促進無錫市經濟的發展、完善區域路網結構，分流太湖大道交通量。

盛新大橋主橋方案為鋼－混凝土混合連續梁橋。引橋采用分幅預應力混凝土連續梁橋。

2 主要技術標準

（1）建樂路為城市次干路，計算行車速度為40 km/h。

（2）設計荷載等級：城－A級 。

（3）橋面寬度：雙向六車道的車行道單側寬11 m，中央分隔帶寬0.5m，人非共板寬4.75 m（包括欄桿），全橋寬32 m。

（4）運河東路、運河西路凈空高度不小于4.5m。

（5）運河為三級航道，最高通航水位2.81 m，通航孔寬90 m，凈高7 m。

3 主橋總體設計

主橋跨徑布置為（63.5+121+63.5）m。橋梁與河道斜交23.17°，主墩和邊墩分別順河和順路方向布置。

橋位西岸有居民小區，橋梁需要在小區出入口前盡快落地。根據道路平面和縱斷面線形，為了使接坡道路盡早落地和滿足通航凈空和地面橫向道路凈空要求，必須采取措施降低主橋的梁高。為了減輕上部結構重量以達到降低主梁高度的目的，中跨跨中54 m長一段設計為鋼結構箱梁。

鋼箱梁與混凝土箱梁通過鋼-混凝土結合段固結在一起，形成三跨連續結構。因為鋼結構大大輕于預應力混凝土結構，所以中支點主梁剪力和彎矩都降低很多，從而可以降低主梁梁高。

本橋中支點主梁高度降為5.6 m，比同跨度的預應力混凝土連續梁橋降低約2 m。達到了橋梁盡快落地的目的，解決了工程難題。中跨中和梁端梁高降為2.5 m。

該橋型結構性能優良、安全適用、造價合理。因為梁高低，橋型很輕盈，景觀效果較好。

橋梁與河道中心斜交，結合建設單位的墩身順河向布置景觀效果好的意見，墩身斜向布置。這增加了設計難度，橋梁設計計算采用空間有限元模型，定量分析斜交對結構內力、支座反力的影響，避免盲目加大安全儲備而造成不必要的工程浪費。

鋼-混凝土接頭位置的確定首先從結構受力上考慮，確定在彎矩最小的位置，即1/4跨附近。鋼箱梁長度的確定還考慮到滿足制造、運輸和起吊條件和能力。

主梁預應力混凝土部分的施工與一般預應力混凝土連續梁橋無異。中跨鋼結構箱梁的安裝工藝在現有施工水平下也是成熟的，整個連續梁橋施工工期比同跨徑的一般預應力混凝土連續梁橋要短。

無錫市建樂路工程橋梁建筑高度低，解決了工程對結構的要求。低高度的梁高使得該橋輕巧美觀，而且因為梁高低，減少了引橋長度，進一步降低了整個工程的造價。該橋主橋經濟指標低，與同規模連續梁橋相當，不僅結構性能優良，同時也是一座經濟的橋梁。

混合連續梁橋總體布置見圖1，建成后橋梁照片見圖2。

4 主梁構造設計

本橋梁方案結構采用三跨連續體系，一個主墩設縱向固定支座，一個主墩設縱向活動支座，邊墩支座均為縱向活動。中墩和邊墩橫橋向設置限位構造。

圖1 混合連續梁橋總體布置圖（單位：cm）

圖2 建成后橋梁照片

本橋分上下行兩幅橋布置，單幅橋寬16 m，每幅橋采用單箱單室結構。主梁下緣曲線采用二次拋物線。混凝土箱梁截面兩側懸臂長為3.75m，懸臂端部高0.22m，懸臂根部梁高0.6m。混凝土箱梁頂板厚0.30m，支點處加厚至0.6m；底板厚0.3 m，支點處加厚至0.8 m；腹板厚度由跨中0.45 m向支點加厚至0.9 m。

為了施工方便同時兼顧主梁景觀，主橋主梁0#節段斜做，1＃段漸變由斜變正，在節段端部擺正，2＃及以后節段正做。

混凝土箱梁采用三向預應力體系。縱、橫向預應力鋼束采用φs15.2高強度低松弛鋼絞線。豎向預應力φ32精軋螺紋鋼筋。混凝土強度等級為C55。

混凝土箱梁構造見圖3。

中跨鋼結構箱梁采用單箱單室截面，外形與混凝土箱梁一致，梁高變化也與混凝土箱梁在同一條拋物線上，面漆顏色也盡量與混凝土箱梁接近。使鋼箱梁與整個混合連續梁渾然一體。

鋼箱梁頂板厚16 mm，底板20～25 mm，腹板14～16mm。頂板按正交異性板設計，縱向布置U形加勁肋，間距600 mm，頂板橫梁間距即U形加勁肋的跨徑2.5m，腹板布置有豎向加勁肋和水平加勁肋，底板布置縱向加勁肋和橫向加勁肋（見圖4）。

5 鋼－混凝土接頭設計

鋼－混凝土接頭是全橋受力的關鍵部位，也是設計考慮的重點。

鋼-混凝土接頭的設計目標為連接可靠、傳力有效、構造簡單、方便施工。

鋼-混凝土接頭的設計思路是：鋼結構可以承受拉力和壓力，而混凝土結構不允許出現拉應力。所以要用預應力鋼束將接頭兩側的鋼結構和混凝土結構緊緊壓在一起，在它們的結合面上儲備較高的壓力。使接頭處，特別是結合面上，在短期效應組合下能滿足抗裂要求。所以，布置在接頭頂板、腹板和底板的預應力鋼束需要穿過結合面鋼墊板而分別錨固在鋼結構一側的頂板、腹板和底板上。如果僅僅錨固在結合面鋼墊板上，鋼束產生的壓力得不到擴散到整個結合面，并且鋼墊板在主梁彎矩作用下會在面外產生局部彎矩。

鋼-混凝土結合段構造見圖5。

圖3 混凝土箱梁構造圖（單位：cm）

圖4 鋼箱梁構造圖（單位：mm）

圖5 鋼-混凝土結合段構造圖（單位：mm）

設計中吸收類似工程的經驗，采用科研中取得的新技術、新成果。在鋼－混凝土混合結構中，要保證鋼和混凝土這兩種彈性模量相差很大的材料能夠協調共同工作，必須設置能有效傳遞交界面處剪力的構件。混合梁中鋼梁與混凝土梁的連接方式我國和日本等國都有較多研究[1][2][3]。

日本新川橋為鋼梁與混凝土梁的混合結構,首次在接合部中使用新型PBL剪力鍵。PBL剪力鍵由帶孔鋼板組成，在孔內灌注混凝土，在其成型后靠形成的一系列混凝土榫來抵抗剪力，孔內可配置鋼筋也可以不配置鋼筋。研究表明：PBL剪力鍵在荷載作用下初始剛度比傳統剪力鍵栓釘要大，在接近極限荷載時，PBL剪力鍵滑移發展較快，具有較好的延性；其抗剪承載力比栓釘大，并且破壞時卸載較慢，破壞時更有利于荷載的重分布。

本橋經比較分析，剪力鍵選用新型PBL剪力鍵。通過將鋼箱梁端部的頂板、底板和腹板做成雙壁板，使填充的混凝土與緊鄰的混凝土箱梁的頂板、底板和腹板通過PBL剪力鍵、預應力鋼筋和普通鋼筋等得到很好的連接，并保證接頭部位在正負彎矩下有一定壓應力儲備。

PBL板的擺放方向與受剪力方向一致，腹板上的豎向布置，頂、底板上的順橋向布置。PBL板上開有傳遞剪力的大圓孔，孔內穿鋼筋。為了加強雙壁之間的聯系，PBL板上還開有小圓孔布置對拉鋼筋。腹板的PBL板與混凝土梁腹板縱向鋼筋垂直，在PBL板靠近雙壁板處開間距150 mm的圓孔，使普通鋼筋能伸入鋼-混凝土結合段內，見圖6。

圖6 腹板PBL構造圖（單位：mm）

鋼-混凝土接頭節段全長4 m，其中鋼結構部分長3.2 m，混凝土部分長0.8 m，鋼結構部分以鋼墊板為界分前后兩部分，靠近混凝土梁部分為雙壁結構，長1.7 m，內部澆注混凝土；靠近鋼箱梁部分長1.5 m，為全鋼箱梁結構。

在鋼束布置上，通過鋼-混凝土接頭的頂板束和腹板束均為長束，底板束為短束。

混凝土箱梁的剛度大，鋼結構箱梁的剛度小，鋼-混凝土接頭需要兼顧剛度的平順過渡，主要構造措施為鋼箱梁的頂板、腹板等的厚度適當增加和設置高度高、間距密的加勁肋來進行剛度的過渡。

鋼結構設計還要確保所有部位都具有能進行焊接、涂裝等操作的空間；對于現場，要具有能比較方便地安裝預應力管道、綁扎普通鋼筋、澆注和振搗混凝土、張拉預應力鋼束等操作的條件。沒有好的操作條件，就不能確保施工質量。經過施工的檢驗證明本橋鋼-混凝土接頭的構造設計是很成功的。僅在現場安裝時對其中一塊腹板豎向加勁板的構造進行了調整。另外實際施工時發現頂板所開的澆注混凝土時用的冒漿孔數量偏少，現場根據需要增加了。其他部位未作任何設計變更。

鋼-混凝土結合段接鋼梁一端的腹板仍保留雙壁構造，這是因現場安裝的需要。內腹板采用高強螺栓連接，當鋼梁吊裝就位后，首先施擰高強螺栓連接固定。在內腹板的高度中間位置開有人孔，提供施擰螺栓和以后焊接的作業通道，見圖7。

圖7 工地臨時連接內腹板構造圖（單位：mm）

6 橋墩及基礎設計

為了縮短主跨跨徑，主墩承臺盡量靠近駁岸線，采用墩身斜交、與河岸平行的設計方案。

主墩基礎采用鉆孔灌注樁，每個主墩基礎16根，樁徑150 cm，樁長約70 m，持力層為12層——黃色粉質粘土。邊墩基礎每邊采用12根樁徑120 cm鉆孔灌注樁，樁長約60 m。主墩單幅承臺平面尺寸為中墩承臺長8.5 m，寬12.5 m，厚度3.5 m；邊承臺長5.45 m，寬8.7 m，厚度2.2 m。主墩及邊墩承臺均放在岸上。

7 結構靜力分析

為了準確計算橋梁結構的總體和局部受力和變形情況，建立了平面梁單元總體模型、空間實體和板單元總體模型、鋼-混凝土結合段局部板單元模型進行分析。

橋梁計算按橋梁結構現行規范的要求進行，主要包括：橋梁結構的一期恒載、二期恒載、汽車、人群、均勻溫差、橋面板溫差、沉降等多項荷載，并按規范進行組合。部分模型和計算結果見圖8～圖12。

圖8 梁單元有限元計算離散模型圖

圖9 正常使用荷載短期組合效應混凝土主梁上緣正應力圖（單位：MPa）

圖10 正常使用荷載短期組合效應混凝土主梁下緣正應力圖（單位：MPa）

圖11 正常使用荷載標準組合效應鋼箱梁上緣正應力圖（單位：MPa）

圖12 正常使用荷載標準組合效應鋼箱梁下緣正應力圖（單位：MPa）

橋上車道荷載和人群荷載作用時，中跨跨中撓度為向下101 mm，向上37 mm，δ/L為1/833。小于計算跨徑的1/600（見圖13）。

圖13 活載下主梁撓度圖（單位：m）

經計算分析，混合連續梁橋靜力性能優良，主梁承載力驗算、抗裂驗算、橋梁各結構部分應力驗算、主梁剛度驗算均滿足規范要求。

8 主橋施工方案

從安裝方面考慮，鋼箱梁施工可有多種方案。第一方案是大節段懸臂拼裝，即54 m長的鋼箱梁分5～7個節段分次吊裝；第二方案是整段吊裝；第三方案為先在已施工好的混凝土梁（引橋或主橋）上拼裝成整段鋼梁，再結合河中施工船舶拖拉到位安裝（見圖 14、圖 15）。

最終沿河及附近鋼結構加工廠調研，并結合施工風險、工程質量控制等因素，確定采用第二方案。

圖14 吊裝鋼-混凝土結合段

圖15 吊裝第一個跨中鋼梁

混凝土主梁1～7#節段掛籃懸臂澆注施工。邊跨現澆段采用支架法現澆，先合攏邊跨。中跨鋼結構箱梁采用整體運輸到橋位，吊裝就位后通過臨時連接構造與鋼-混凝土結合段的鋼結構部分連接好，然后可以恢復通航，進行鋼箱梁頂、底、腹板的對接焊接工作。

混合連續梁施工順序見圖16。

圖16 混合連續梁橋施工順序圖

9 結論

（1）混凝土-鋼混合連續梁橋是一種降低主梁重量、增加跨越能力、降低主梁高度的一種過渡橋型。它具有減少梁體彎矩和剪力、降低梁高、減少梁重及基礎工程量的優點；同時施工速度較快。在梁高有限制、城市跨線橋受施工條件的限制或者為了加快施工速度等情況下，是較適用的橋型。

（2）鋼-混凝土接頭位置需要根據內力、加工、運輸、現場架設條件等確定。

（3）鋼-混凝土接頭是受力的關鍵部位，構造設計需要精心設計。傳力要可靠、剛度要平順過度、構造要簡單。

[1]劉玉擎.組合結構橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]劉玉擎.混合梁結合部設計技術的發展[J].世界橋梁,2005(4):9-12.

[3]劉安雙,劉雪山,代彤,等.重慶石板坡長江大橋復線橋鋼-混凝土接頭設計[J].橋梁建設,2007(2):35-38.