昌平輕軌鋼－混凝土結合連續剛構橋設計

王 冰

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 工程概況

北京軌道交通昌平線一期工程北清路站～西二旗站區間跨線高架橋全橋長382.5 m，橋寬9.4 m，線路位于R=450 m的平曲線上，并且連續跨越多條既有線及規劃線，為了盡可能減少施工期間對橋下既有線正常運營的影響，根據現場實際情況并經多方案比選，跨線孔最終采用2聯鋼-混凝土連續結合梁橋，結構體系采用剛構的形式，跨度布置為(42.5+79+42.5)m和(37+60+79+42.5)m。全橋梁部采用工廠預制，現場分段吊裝的施工方法。本橋成橋全景見圖1。

2 主要技術標準

(1)活載類型:地鐵輕軌，車輛采用標準B1型車，6輛編組，最大軸重140 kN，最小軸重80 kN。

(2)正線數目:雙線;

(3)線路間距:4.2 m;

圖1 成橋全景

(4)平面線型:曲線半徑R=450 m;

(5)設計最高行車速度:100 km/h;

(6)地震動參數:地震基本烈度Ⅷ度，地震動峰值加速度:0.215g。

3 結構體系的選擇及構造設計

3.1 主橋結構體系的選擇

(1)孔跨布置

圖2 橋位平面布置(單位:m)

本橋連續跨越既有北清路、環沙改建鐵路、既有京包鐵路、預留京包鐵路復線、規劃改建東北環鐵路及既有東北環鐵路，橋位平面布置見圖2。由于線路斜交角度較小，既有線繁雜，布跨控制因素比較多，需要預留30 m寬的鐵路限界，結合既有北清路中央分隔帶的立墩條件，最終跨度確定為兩聯(42.5+79+42.5)m和(37+60+79+42.5)m連續結構，既考慮到了結構的受力合理性，又保證了大部分孔跨的一致性，減少設計及構件加工制造的難度。

(2)梁型選擇

結合上述跨度布置，考慮結構受力、施工工期及施工中對橋下既有公路、鐵路的影響，可選擇的橋式結構有鋼箱連續梁、預應力混凝土連續梁、鋼-混凝土結合連續梁等形式。

鋼箱連續梁施工最為方便，速度快，對道路及鐵路影響小，但后期維修養護量大，其正交異性板橋面結構噪聲大，也不利于無砟軌道整體道床的連接。

預應力混凝土連續梁結構簡單，技術成熟，造價較低，易于養護，但采用懸臂灌注法施工，工期較長，難以滿足項目整體工期要求，對橋下行車干擾較大，其自重大的缺點使得其下部結構在高烈度區設計較為困難。而鋼-混凝土結合連續梁體系，可充分發揮各自材料性能，不僅增大了截面剛度，而且大大減輕了橋面結構恒載，與全鋼結構相比，其橋面系可降低造價，抗疲勞性能好。鋼箱、混凝土橋面板均可工廠預制，平行作業，施工速度較快。

鑒于橋址位于小半徑曲線、高烈度區，綜合比較最終采用了鋼-混凝土結合連續剛構方案，在中支點處，鋼箱梁與混凝土墩身采用PBL剪力鍵進行固結。該方案可有效減小結構自重，削弱地震響應，結構整體性好，有利于滿足地鐵無砟軌道的剛度要求。

(3)臨時墩布設

臨時墩的合理布設既能為鋼梁安裝提供支撐平臺，又能降低施工階段鋼梁的應力水平。本橋跨既有鐵路施工，根據運輸條件、吊機起吊能力及站位、鋼梁彎矩分布情況以及臨時支點與既有鐵路相對關系等因素，將鋼箱梁劃分為17個梁段(最長梁段長35.2 m，最大吊裝質量達220 t)，主橋立面布置及架設分段見圖3。

圖3 主橋立面布置及架設分段(單位:m)

現場采用少支架吊裝，栓焊結合，梁段間除頂板之間采用焊接外，其余均采用高強度螺栓連接，并利用已安裝好的鋼梁做為橋面板模板和施工平臺，節省施工材料，加快施工進度，減少鐵路要點時間，對鐵路運營影響較小。

3.2 上部結構構造設計

主梁結構由鋼箱梁和鋼筋混凝土橋面板組成，鋼箱梁與混凝土橋面板通過剪力釘結合在一起整體受力。本橋位于小半徑曲線上，主梁抗扭要求較高，鋼梁采用直腹板形式的箱型截面，可有效解決這一問題。鋼梁頂板寬5.2 m，底板寬4.9 m，由于主跨跨徑相差較大，60 m主跨側中支點梁高采用3.6 m，79 m主跨側中支點梁高采用4 m，而邊支點及跨中截面梁高均為2.2 m。鋼箱梁橫隔板采用實腹式結構，間距3 m，兩個橫隔板間加設豎肋，間距1 m。鋼箱梁主體結構采用Q345qD鋼材，板厚≥35 mm時采用 Q370qE鋼材。結合梁截面形式如圖4所示。

圖4 結合梁截面形式(單位:mm)

混凝土橋面板頂寬9.4 m，支承處板厚38 cm，中間部分板厚25 cm，每側懸臂長2.1 m，采用C50混凝土。橋面板采用工廠分段預制，現場濕接縫連接的形式。標準預制橋面板每塊尺寸為9.4 m×2.5 m，吊重170 kN，預制板之間設現澆混凝土接縫，標準接縫尺寸為9.4 m×0.5 m。現澆混凝土接縫處的鋼板上布置焊釘，形成共同受力的鋼-混結合形式。

3.3 下部結構構造設計

本區間橋梁下部結構墩柱采用矩形橋墩，中墩墩柱截面尺寸為 4.8 m×2.0 m，采用 6 根 φ1.5 m 的鉆孔灌注樁基礎;交接墩墩柱截面尺寸為4.8 m×2.4 m，采用4根φ1.5 m的鉆孔灌注樁基礎;橋梁兩端與混凝土箱梁相接時，采用“寶石”造型蓋梁。下部設計既要滿足強度、剛度、穩定性的要求，還應滿足架梁施工機械布置的構造需要。

4 關鍵問題的設計思路

4.1 有效寬度計算方法

本橋跨度較大，中支點作為設計控制截面承受著較大的負彎矩和剪力，橋面板剪力滯現象嚴重，橫截面上混凝土板頂面中的最大拉應力約為平均值的1.3～1.5倍。規范采用有效寬度的方法來反映橋面板剪力滯的程度，而影響有效寬度取值的因素有很多，如寬跨比、支承條件、荷載形式、截面形狀尺寸以及截面位置等。

對于結合梁混凝土橋面板有效寬度的計算，目前國內一些相關設計規范均給出了具體計算方法，有效寬度在主梁計算跨徑的1/3、相鄰兩梁軸線間距、橋面板承托以外加12倍混凝土板厚三者中取最小值。我國規范關于結合梁有效寬度的規定是針對簡支梁而言，現行規范沒有連續梁相應的規定。

本設計參照日本《道路橋示方書》［2］對橋面板有效寬度進行計算，此規范根據連續梁結構受力性質不同，引入等效跨徑的概念，對連續梁正、負彎矩區有效寬度CL分別給出不同的計算公式，并將寬跨比b/L值作為重要的參數，具體計算公式如下所示。

跨中斷面

中支點斷面

式中，b為主梁腹板間距的一半或懸臂板寬度;L為等效跨徑。

以其中一聯(37+60+79+42.5)m為例進行有效寬度計算，混凝土橋面板全寬9.4 m，跨中截面有效寬度幾乎不折減，而中支點截面有效寬度則折減了1.3 m，占全截面的13.8%。由于中支點負彎矩區作為全橋控制截面，其換算截面特性和內力分配受有效寬度的影響較大，翼緣板有效寬度取值的科學合理性成為正確設計計算結合梁的關鍵。

4.2 連續結合梁負彎矩處理方法

鋼-混凝土結合梁結構應用于簡支梁或連續梁的正彎矩區，具有顯著的優點，可充分發揮材料優勢，取得最大的技術、經濟效益。但是對于連續梁橋中支點范圍，這種材料優勢就變為結構的弱點，上緣混凝土橋面板受拉，容易開裂，影響截面剛度及結構耐久性，下緣鋼梁受壓，可能有側向失穩及鋼梁下翼緣和受壓腹板的局部失穩等不利情況出現［1］，降低承載力。所以連續結合梁在推廣應用中，中支點負彎矩區段的處理往往成為設計難點和施工控制重點。

對于大跨連續結合梁，在設計施工過程中，負彎矩區需重點解決鋼梁的受壓穩定問題以及混凝土橋面板的開裂問題，前者可通過雙重結合或增強加勁肋的方式容易解決，而后者則需要采用合理的施工工藝進行控制。目前各國對連續結合梁負彎矩混凝土橋面板開裂問題的處理方式差別很大，主要源于設計標準和設計理念的不同，所以至今尚未有完全經濟有效的設計方法。在實際設計經驗中，控制結合梁負彎矩區混凝土應力的方法有很多，均能達到不同的控制效果，但是施工難易程度差別較大，其各有利弊，褒貶不一，需要根據具體情況綜合應用。

(1)預制混凝土橋面板法

結合梁混凝土橋面板屬于偏拉構件，其拉應力大小主要受二期恒載、活載及混凝土收縮徐變的影響。由于鋼梁的約束，混凝土的收縮徐變對鋼-混結合梁的影響更為顯著，主要表現在組合截面上應力重分布、主梁后期撓度的增加以及混凝土橋面板的開裂。而采用預制混凝土橋面板可有效降低混凝土收縮徐變對結合梁的不利影響，并且在經濟性、施工性、工期等方面，預制混凝土構件也明顯優于現澆構件。

本橋橋面板采用預制方式，剪力釘槽和濕接縫處澆筑C50微膨脹混凝土，以減少混凝土收縮徐變引起的拉應力和后期預應力損失。以其中一聯(42.5+79+42.5)m中支點截面為例，不考慮預應力作用，預制板不同存放時間對結構內力的影響見表1。由表1可見，存放時間越長，對結構受力越有利，混凝土收縮徐變的影響和比重就越小，但存放時間超過4個月后，收縮徐變減少不明顯。結合工期、施工組織安排，本橋要求橋面板存放時間不少于4個月。

表1 預制板不同存放時間的內力對比

(2)預加靜載法

該法施工簡單，操作方便，可通過調整混凝土橋面板的澆筑順序和增加配重的方法來實現，正彎矩區先形成鋼-混組合結構，再在跨中預加靜載，待負彎矩區形成鋼-混組合結構后逐級卸載，負彎矩區橋面板內便形成一定的預壓力。

本橋為地鐵雙線橋，二期恒載合計80 kN/m，混凝土橋面板濕重81.1 kN/m，二者相差不大。在安裝橋面板前，結構已完成體系轉換，以其中一聯(42.5+79+42.5)m為例，不考慮預應力作用，將僅調整混凝土橋面板安裝順序、按二期恒載大小進行分級配重40、80 kN/m三種方法的恒載內力進行對比，預加靜載法內力對比結果見表2。

表2 預加靜載法內力對比

可見，增加配重可有效改善墩頂負彎矩區橋面板的受力狀態，達到調整內力的目的，對于這種大跨徑橋梁，往往需要施加較大的配重荷載才能達到更好的效果。地鐵橋梁二期恒載和活載均較普通公路橋重，僅調整橋面板安裝順序，雖然有效，難以從根本上解決負彎矩區開裂問題，如要完全抵消橋面板拉應力，可能會因所需配重工程量大而導致無法施工。因此，本橋對橋面板的安裝順序進行了調整，由跨中向支點，先安裝受壓區后安裝受拉區，減少橋面板自重引起的混凝土拉應力，并輔以適當增加配重的方法達到預期效果。

(3)支座強迫位移法

該法是在鋼主梁架設后，頂升中支點一定高度，使鋼梁產生負彎矩，再澆筑混凝土橋面板，此時橋面板處于無應力狀態，待其硬化后再進行落梁，混凝土橋面板便產生一定的預壓應力。通過試算頂升高度，可以調整預壓應力大小，部分或全部抵消由二期恒載和活載引起的負彎矩，達到預期效果。

施加靜位移法對調整內力有一定的效果，但與現場施工條件緊密相關，對連續梁比較實用，本橋為剛構結構，雖鋼梁和混凝土墩身連接處頂升可以實現，但會對施工造成很大的不便;本橋位于小半徑曲線上，內外側支反力相差較大，施工階段頂升40 cm時端支座便會脫空，頂升過程中結構的傾覆穩定性和同步性較難保證，故未采用。

(4)施加縱向預應力

該法是對連續梁中支點處的混凝土橋面板施加預應力來降低混凝土的拉應力和滿足裂縫寬度的要求。本橋在設計時，在中支點橋面板設置了22束5-7φ5 mm高強度低松弛鋼絞線作為縱向預應力筋，標準間距 0.15 m。

一般認為通過配置預應力束控制橋面板混凝土開裂，相對一部分預應力將通過剪力鍵施加到鋼梁上，由于混凝土的收縮徐變，出現應力重分布的現象，后期預應力損失增大，鋼束利用效率降低，在預應力錨固端還存在局部應力集中問題，因此負面效應較多。

為提高預應力鋼束的利用率，理想方法是先對預應力混凝土橋面板進行預制，再使之與鋼梁進行連接，但這種施工方法較不現實;或弱化甚至取消剪力鍵，使預應力完全施加在橋面板上，相對于結合梁，這種非結合梁受力不利，承載能力和剛度遠遠降低，需要增大鋼梁截面。

考慮施工操作可行性，本橋負彎矩區橋面板采用部分滯后結合的方式，最大程度上降低張拉預應力的不利效應。為適應鋼梁上成束布置的剪力釘，在預制板上對應于剪力釘的位置開剪力釘槽，槽口基本尺寸為100 cm×25 cm，槽口順橋向基本間距為50 cm，預制橋面板安裝示意見圖5，橋面板架設前設在結合部位的剪力釘位置必須有很高的精度，待預應力張拉完后再澆筑剪力釘槽處的混凝土。

圖5 預制橋面板安裝示意

(5)高配筋率法

規范［3］規定利用高配筋率來限制負彎矩橋面板裂縫寬度時，配筋率不應小于3%，裂縫寬度一般不大于0.15 mm，中支座兩側跨度15%范圍內受拉區混凝土不參與工作，橋面板截面剛度削弱，僅計入其有效寬度范圍內的縱向受拉鋼筋。

本橋橋面板的縱向配筋率為5.08%，采用 φ28 mm鋼筋，上下各1層，間距12.5 cm，除外側懸臂板端部1 m范圍單根一束布置外，其余均采用2根一束，上下疊置。橋面板橫向配筋率沿縱向基本不變，鋼筋布置為2層，φ18 mm，間距10 cm。

綜合考慮上述措施后，橋面板中支點負彎矩區混凝土的拉應力可得到有效控制，其中一聯(42.5+79+42.5)m運營階段鋼梁和混凝土橋面板的應力結果見表3、表4，可見考慮混凝土一直參加工作，混凝土橋面板的名義拉應力5.72 MPa;考慮拉應力大于2.5 MPa部分混凝土開裂退出工作，僅計入鋼筋作用，此時鋼梁受力最為不利，對這2種狀態進行檢算，其鋼梁應力和混凝土裂縫寬度均可滿足要求。

表3 運營階段的應力結果(混凝土一直工作)

表4 運營階段的應力結果(混凝土開裂退出工作)

4.3 小半徑曲線的影響

本橋位于曲線上，與直橋相比，彎橋的豎向支座反力有外側變大、內側變小的傾向，而本橋兩聯的邊跨主跨比又較小，分別為0.54和0.62，對主跨的平衡卸載能力較低，加上結構自重荷載較輕，邊墩支點更容易產生負反力，需要考慮曲線對支座反力的影響。

由于落梁和體系轉換順序對反力分布有一定的影響，設計時利用空間計算軟件進行分析，考慮了實際的施工步驟及體系轉換順序，計算結果表明，邊支座未出現拉力，但主+附組合下，曲線內側支反力最小僅237 kN，支座有脫空的趨勢。綜合考慮，每聯邊跨采用50 t鋼砂混凝土進行壓重，鋼砂混凝土容重為50 kN/m3，壓重布置范圍見圖6，布置時應盡量靠近梁端支座，并避開底板進人孔留出通道，此處鋼梁底板增設剪力釘并進行加勁。

4.4 墩梁固結段的處理

主梁與橋墩固結所形成的組合剛構橋，具有不設支座的優點，但是如何保證梁部承擔的荷載能夠有效地傳給橋墩，則是本橋設計施工的關鍵問題。結合部必須設計得足夠強，同時還應具有良好的耐久性和延性以抵抗溫度和地震作用的影響［5］。本橋墩、梁鋼-混固結段采用鋼格室+剪力鍵的形式進行結合，利用3 m長的鋼格室實現鋼筋混凝土橋墩到鋼主梁之間的過渡。

圖6 壓重布置范圍(單位:mm)

墩梁固結段附近范圍，鋼梁底板厚50 mm，腹板厚32 mm，腹板與鋼格室側壁為整體節點板，固結段腹板、隔板及底板上均焊有剪力釘及加勁板。固結段隔板形式及鋼格室截面形式見圖7、圖8。這種鋼-混結合段的傳力途徑為:依靠頂、底板及隔板傳遞鋼主梁彎矩至橋墩，依靠主梁腹板傳遞鋼主梁剪力至鋼格室，再通過傳剪器傳遞到核心區混凝土。采用這種處理形式的結合段受力明確，剛度大，延性好，但制造、安裝定位難度較大。

圖7 固結段隔板形式(單位:mm)

圖8 鋼格室截面形式(單位:mm)

為保證可靠受力，墩身鋼筋伸入鋼梁并錨固，鋼主梁內隔板開孔，墩身混凝土可澆筑至鋼主梁上翼緣，填實節點區，形成有效剛性連接。鋼格室與混凝土接觸部位布置剪力釘、過筋孔及貫通鋼筋，形成PBL剪力鍵，利用過孔鋼筋混凝土榫來抵抗剪力流，保證了墩梁間結構受力的整體性，有效提高了節點承載力及抗疲勞性能。

5 結語

(1)本橋經過多方案經濟技術比選，采用大跨徑鋼-混結合梁連續剛構結構，造型纖細，結構輕盈流暢，與景觀協調，設計合理，安全可靠，施工工藝成熟，工期較短，經濟效益明顯，對既有鐵路運營影響較小。

(2)本橋采用允許橋面板在使用過程中發生一定程度的開裂，在負彎矩區施加預應力限制混凝土拉應力，并配合高配筋率限制混凝土橋面板的裂縫寬度在一定范圍內的設計思想，此類方法在北美多有采用［4］，值得借鑒。

(3)設計采用高配筋率橋面板、負彎矩區配置預應力、預加靜載、少支架施工、加長預制板存放時間、調整剪力釘與濕接縫的聯合時間等方法對結構體系進行不斷優化，減少收縮徐變影響，很好地改善結合梁受力狀態，有效降低了橋面板負彎矩區的拉應力，控制了混凝土的裂縫寬度，提高了結構的安全性及耐久性。

(4)本橋設計時結合現場條件及各種可能施工方案，對施工階段進行細致分析，最終確定了合理的施工工藝及施工順序，使本橋結構受力、工期要求及工程成本均達到了預期，可為以后類似工程提供借鑒。

［1］陳世鳴.鋼-混凝土連續組合梁負彎矩區的局部失穩［J］.建筑結構學報，1995，16(6):30-36.

［2］日本道路協會.道路橋示方書·同解說(鋼橋篇)［S］.東京:丸善株式會社，1979.

［3］中華人民共和國行業標準.TB10024—2007 鐵路鋼-混凝土結合梁設計規范(送審稿)［S］.

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［5］劉玉擎.組合結構橋梁［M］.北京:人民交通出版社，2003.

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