鋼混結合梁在景觀橋梁上的運用

邱柏初

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概況

萬卉橋是天津市西青區中北鎮南運河上的道路景觀橋梁。受路面設計高程和南運河通航高程要求的雙重限制，對梁高的限制極為嚴格，橋梁設計方案曾考慮采用(20+33+20)m預應力混凝土連續箱梁結構，由于其不滿足景觀功能的需要，橋梁設計最終采用(50+20)m鋼混結合梁。結合景觀布置要求，橋上另加斜拉裝飾索塔結構。萬卉橋按整幅設計，主橋橋形布置為(50+20)m簡支鋼混結合梁。簡支鋼混結合梁具有自重輕、承載能力高、構造簡單、施工便捷等優點，是中小跨徑公路橋梁和城市橋梁中應用最廣泛的組合梁橋結構形式。在恒載及活載作用下，簡支結合梁的各截面主要承受正彎矩，鋼梁受拉、混凝土橋面板受壓，可充分利用鋼和混凝土兩種材料的受力性能［1-3］。

萬卉橋設計全寬26 m，包括3 m(人行道)+20 m(機動車道)+3 m(人行道)。主跨梁高1.8 m，全橋橋面混凝土板厚度沿縱向統一為30 cm。為滿足景觀要求，在中間橋墩處設置斜拉索裝飾塔，橋塔高度為35.7 m。橋梁立面布置和平面布置如圖1所示。該橋位于道路直線段上，橋面縱坡為3%，橫坡為1.5%，橋梁支座高程保持一致，通過調整鋼箱梁的腹板高度來實現橋面橫坡。橋梁設計荷載為公路一級，按雙向四車道設計，道路設計速度60 km/h。抗震設防烈度7 度，地震動峰值加速度為 0.15g［4］。

2 結構設計參數

橋梁橫橋向為4個單室鋼-混凝土組合箱梁結構，鋼箱梁采用開口截面形式，箱梁間距3.0 m，梁高1.5 m。開口截面鋼箱梁每個腹板對應的上翼緣寬600 mm，厚度為16 mm;50 m跨箱梁底板厚32 mm，20 m跨箱梁底板厚26 mm。兩道腹板不等高，以滿足橋梁橫坡的要求，鋼主梁之間設置橫向聯系梁，聯系梁梁高800 mm，全橋縱向共設置11道橫向聯系梁，間距為8～8.5 m。鋼箱梁內沿橋縱向每3.5～4.5 m設置一道橫隔板。鋼箱梁與橋面混凝土板通過剪力連接件連接在一起共同工作，剪力連接件采用φ22圓柱頭栓釘，栓釘熔后長度170 mm，鋼箱梁每道上翼緣共布置5列栓釘，橫向間距100 mm，沿梁軸線方向間距200 mm。僅在梁端橫隔板上沿橫隔板軸線方向平行布置兩列栓釘，同樣采用φ22圓柱頭栓釘，長度170 mm。

橋面混凝土板采用鋼筋混凝土疊合板結構，沿橫向負彎矩處厚30 cm，正彎矩處厚25 cm。正彎矩處由8 cm厚預制混凝土板和17 cm厚現澆混凝疊合層構成。預制板長250cm，寬50cm，由預制廠加工完成后，運輸至現場安裝，并作為后澆注混凝土的模板。為提高梁端鋼箱梁鋼板的局部穩定性，在梁端支座1.0 m的范圍內灌注高度為700 mm的C40混凝土。

圖1 主橋布置(單位:cm)

橋塔主要采用鋼結構，箱形斷面，閉口鋼箱高1.35 m，寬0.655 m，板厚為28 mm，內設橫隔板。為提高橋塔剛度，從承臺頂面向上約15 m高度范圍內的鋼箱內灌注C50混凝土，形成鋼管混凝土結構，并在鋼箱內壁預先焊好φ22栓釘，栓釘熔后長度170 mm。單側裝飾塔自下而上共分3個制作段，整塔共6個制作段，各制作段間的拼接縫均采用全融透一級焊縫連接，并采用超聲波探傷檢測焊縫質量。

斜拉索采用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索，型號為PES(C)5－055，共18套;拉索錨具采用冷鑄錨，型號為PESM5－055，共18套。斜拉索一端錨固在橋塔上，為固定端;另一端錨固在橋面懸臂板下表面，為張拉端。橋梁的鋼箱架設完畢后，澆筑橋面混凝土前，應將鋼箱外伸懸臂鋼板與最外側鋼箱上翼緣焊接，懸臂鋼板上表面滿布栓釘，間距均為200 mm×200 mm，然后澆筑橋面混凝土，使橋面懸臂板形成組合板，從而保證拉索在橋面的錨固性能。

橋梁各關鍵截面的尺寸如圖2所示。

圖2 主要截面尺寸(單位:mm)

3 主梁靜力分析計算

主橋結構靜力計算包括施工階段和運營階段分析，施工階段荷載為結構恒荷載，運營階段荷載有汽車荷載，梯度溫度作用。由于抗震設防烈度為7度，且橋面結構的橫向水平剛度很大，未把地震力作為荷載進行特別計算。以跨中截面為控制截面，進行荷載工況的最不利組合，各荷載工況的荷載情況如下。

(1)工況一:架設鋼梁。鋼梁分三段預制，到現場采用高強螺栓連接。中間設置了兩個臨時支撐，間隔約18 m。一根鋼梁的自重荷載:12.20 kN/m。

(2)工況二:鋪設預制板。預制板厚度80 mm，單根結合梁有效翼緣寬度范圍內預制板自重:10 kN/m。

(3)工況三:澆筑后澆層混凝土。后澆層混凝土厚度220 mm，單根結合梁有效翼緣寬度范圍內后澆層混凝土自重:33 kN/m。

(4)工況四:拆除臨時支撐。將工況一～三的臨時支撐反力反向加載至組合梁。

(5)工況五:二期恒載。橋面鋪裝為10 cm厚瀝青混凝土，自重16.5 kN/m，加上防撞護欄，按18 kN/m計算。

(6)工況六:汽車荷載。按車道荷載進行施加，車道均布荷載標準值qk=10.5 kN/m，沿縱向整跨滿布;集中荷載標準值 Pk=360 kN，作用于跨中［5］，并考慮沖擊系數。分別計算偏載2輛車～5輛車的情況，考慮橫向多車道折減系數，取邊梁最不利的情況。

(7)工況七:梯度溫升。根據規范規定，取雙線性梯度溫升分布，頂面溫升14℃，向下100 mm處5.5℃，向下400 m處0℃。

(8)工況八:梯度溫降。根據規范規定，取雙線性梯度溫降分布，頂面溫降7℃，向下100 mm處2.25℃，向下400 m處0℃。

施工階段驗算和正常運營階段驗算按一根包含混凝土有效翼緣寬度的結合梁進行計算，采用結構力學和材料力學的方法計算控制截面內力、控制點應力以及結構變形［6］。計算所用的材料參數如下:鋼材采用Q345qD級鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，膨脹系數為1.2 ×10－5，鋼材容重78.5 kN/m3，鋼材容許應力為210 MPa;混凝土采用C50混凝土，彈性模量3.45×104MPa，泊松比為0.2，膨脹系數為1.0×10－5，混凝土抗壓強度設計值為22.4 MPa，抗拉強度設計值為1.83 MPa。

根據以上計算結果，鋼梁上翼緣最大壓應力－59.67 MPa，鋼梁底板最大拉應力179.00 MPa，混凝土板上表面最大壓應力－17.38 MPa，鋼箱梁腹板應力為75.5 MPa，均小于材料的允許應力，符合規范要求。

為減小主梁在正常使用階段出現過大撓曲變形，鋼箱梁在工廠制作時預先設置了預拱度。根據規范要求，主橋預拱度可按恒載+1/2靜活載作用下的主梁撓度設置鋼箱梁預拱度。由上述計算得到，主橋上部結構在恒載+1/2靜活載作用下跨中最大撓度為154.8 mm，取160 mm為鋼箱梁荷載預拱度最大值。

4 塔索結構設計

在Midas Civil中建立全橋三維空間有限元模型。主梁橋面板采用四節點殼單元，鋼箱梁采用三維兩節點梁單元，通過截面偏移實現鋼箱和橋面板的組合。橋塔也采用三維兩節點梁單元，拉索采用兩節點桁架單元，拉索的張拉順序與實際施工順序完全保持一致，如圖3所示。拉索的無應力長度根據文獻［4］中的公式進行計算，拉索設計張力的控制目標為保證拉索線型的垂跨比約為1/100，拉索垂度的主要影響因素為拉索張力、拉索線密度和拉索長度。由于拉索的線密度和拉索長度已經確定，因此只能通過拉索的張力來控制拉索的線型。

圖3 斜拉索張拉順序

在張拉過程中，斜塔在拉索張力的作用下將產生彎曲變形，從而導致已經張拉完畢的拉索的拉力有所降低，因此先張拉索的設計張拉索力應大于設計目標索力。在Midas Civil中通過多次反復迭代計算，最終確定所有拉索的設計索力如表1所示。

表1 各拉索張拉索力和目標索力的關系

從表1中可以看出，有限元計算結果與實測結果吻合良好，拉索的線形達到了預期的目標。另外，斜塔塔頂的水平位移量實測值為26.5 mm，有限元計算值為29.2 mm，也表明了有限元計算結果的準確性。

5 施工過程

橋梁墩臺和蓋梁施工完畢后，在50 m跨河道中設置兩道臨時支撐，臨時支撐距橋墩距離為16 m，臨時支撐具有足夠的剛度以保持施工過程中橋面豎曲線的線形不變。然后架設鋼箱梁，鋼箱梁節段間腹板采用高強螺栓連接，上下翼緣采用焊接連接，鋼箱外側懸臂板預留拉索的索管。鋼箱梁上翼緣焊接完栓釘后將預制板置于鋼箱梁上翼緣上并進行臨時固定，再綁扎現澆橋面板的鋼筋，然后澆筑橋面板混凝土。待橋面板混凝土達到設計強度后，拆除主梁下的臨時支撐，開始架設橋塔。第一段橋塔架設完畢后，向鋼管內澆筑混凝土，待強度達到設計強度的80%后開始架設第二、三段斜塔，斜塔封頂后，按照長索至短索的順序依次對稱張拉斜拉索。最后澆筑橋面瀝青，安裝附屬設施。橋梁的現場施工情況如圖4所示。

圖4 橋梁現場施工過程

6 結束語

南運河萬卉橋由于通航和景觀要求采用了鋼混結合梁和鋼管混凝土斜塔結構，相比普通的預應力混凝土連續梁橋形式，較好的滿足了河道的通航要求和城市景觀要求。同時，大大減輕了橋梁上部結構的自重，從而降低了下部結構工程規模，減少了工程總投資。橋梁施工無需搭設滿布腳手架，能有效縮短橋梁建造工期，綜合效益顯著。對城市道路橋梁工程，當施工工期有較高要求時，設計可優先采用鋼混結合梁，以適應城市道路建設的工期需要。

［1］ 聶建國，余志武．鋼-混凝土組合梁在我國的研究及應用［J］．土木工程學報，1999，32(2):4-8

［2］ 樊健生，聶建國．鋼-混凝土組合橋梁研究及應用新進展［J］．建筑鋼結構進展，2006(5):35-39

［3］ 聶建國，樊健生．廣義組合結構及其發展展望［J］．建筑結構學報，2006(6):1-8

［4］ GB 50223—2008 建筑工程抗震設防分類標準［S］

［5］ JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規范［S］

［6］ 聶建國．鋼混凝土組合結構橋梁［M］．北京:人民交通出版社，2011

［7］ 邵旭東，程翔云，李立峰．橋梁設計與計算［M］．北京:人民交通出版社，2007