南京大橋北路鋼—混凝土連續組合梁橋設計

柳雙軍

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司南京分公司 南京市 210000)

鋼-混凝土組合結構橋梁充分利用鋼材和混凝土各自的材料性能，通過剪力連接件將二者結合起來共同受力，相對于混凝土梁具有自重輕、構件截面尺寸小、承載能力高、施工速度快等優點；相對于鋼梁具有剛度大、整體穩定性能好、造價低、無橋面板疲勞問題等優點。目前，鋼-混凝土組合結構橋梁在城市高架等工程中應用相當廣泛。結合南京大橋北路工程匝道橋，介紹鋼-混凝土連續組合梁橋的總體布置、構造、剪力釘布置、施工順序、鋼梁涂裝方案及采用中支點頂升的方法減小負彎矩區域混凝土橋面板的拉應力。

1 工程概況

南京大橋北路快速化改造工程南起浦珠路(江山路)橋北互通，穿過毛紡廠路、柳洲路和梅桂營鐵路，北至江北大道，工程設計范圍全長約2.7km，高架段全長1.75 km。主線高架及匝道橋上部結構以現澆預應力混凝土連續箱梁為主，其中QC匝道橋第二聯需跨越已運行的南京地鐵S8號線1號風井、2號風井及出入口處，混凝土箱梁現澆支架荷載對地鐵構筑物結構影響較大，因此采用鋼-混凝土連續組合箱梁跨越地鐵構筑物，組合梁鋼梁部分采用少支架拼裝，橋面板采用現澆施工方法。下部結構橋墩采用實體“花瓶”型，墩身橫橋向寬2.5m，頂部擴大為3.9m，順橋向寬1.8m，支座間距2.4m；基礎采用4根直徑1.2m鉆孔灌注樁基礎。

圖1 大橋北路QC匝道立面圖

2 鋼-混凝土連續組合梁設計

2.1 組合梁構造

鋼-混凝土連續組合梁跨徑布置為35.687m+37m+36m，橋寬B=8.2m，截面采用單箱雙室，梁總高2.0m，橋面板厚0.3m，腹板斜率為1∶2。鋼梁由頂板、腹板、底板、橫隔板、加勁肋組成，頂板板厚25～30mm，寬0.6m，腹板板厚16～18mm；底板板厚20～25mm，寬3.905m。鋼梁沿縱向每6m設置一道橫隔板，中支點兩側各1.5m設置一道頂升隔板，隔板間設置一道豎向加勁肋，現澆混凝土橋面板全寬8.2m，厚度為0.3m，挑臂長度1.35m，采用C50鋼纖維混凝土；鋼箱梁與橋面板通過剪力連接件連接在一起共同受力，剪力連接件釘采用D22×220mm圓柱頭焊釘。鋼梁采用Q345qD鋼材；全橋鋼材合計265.2t，用鋼指標為297kg/m2。鋼梁采用少支架吊裝施工，橋面板混凝土采用現澆施工。圖2為鋼-混凝土組合梁標準斷面圖。

圖2 連續組合梁一般截面構造圖(單位：mm)

2.2 組合梁計算分析

采用midas Civil軟件建立全橋空間桿系結構進行分析，全橋共96個梁單元。為簡化計算分析過程，假定鋼材與混凝土均為理想線彈性材料，忽略混凝土橋面板與鋼梁之間的滑移作用，兩者視為剛性粘結。邊界條件根據支座的實際設置情況模擬為單向滑動、雙向滑動及固定支座。有限元模型如圖3所示。

圖3 計算模型

(1)施工階段及對應階段的鋼梁應力

表1 施工階段描述及鋼梁應力匯總表

由表1可知，施工階段5鋼梁頂底板應力最大。施工階段5及基本組合作用下鋼梁頂底板應力見圖4～圖7。

圖4 施工階段5鋼梁頂板應力圖

圖5 施工階段5鋼梁底板應力圖

施工階段鋼梁底板最大應力為104.3MPa，頂板最大應力為151.5MPa，均小于270MPa，滿足設計規范要求。

(2)使用階段鋼梁及橋面板應力

圖6 基本組合鋼梁頂板應力圖

圖7 基本組合鋼梁底板應力圖

使用階段鋼梁底板最大應力為202.0MPa，頂板最大應力為165.1MPa<270MPa，滿足設計規范要求。

圖8 標準組合橋面板壓應力(單位：MPa)

標準組合橋面板最大壓應力為7.4MPa<22.4MPa，滿足規范要求。

(3)組合梁預拱度設計

連續鋼-混凝土組合梁預拱度按結構自重標準值加1/2車道荷載頻遇值產生的撓度值設置，其中頻遇值系數為1.0。一期恒載的邊跨跨中撓度為47.5mm，二期恒載的邊跨跨中撓度為8.3mm，活載的邊跨跨中撓度為16.5mm，邊跨跨中處預拱度為47.5+8.3+0.5×16.5=64mm，同理，中跨跨中預拱度為13.8+1.4+0.5×13.5=22mm，鋼梁預拱度應在鋼梁工廠加工時預先按拋物線設置。

(4)組合梁抗傾覆計算

基本組合下，鋼-混凝土連續組合梁邊墩單個支座反力為194kN，中墩支座反力為2033kN，支座均保持在受壓狀態，滿足規范要求。鋼梁支座橫橋向間距為2.4m，使上部結構穩定的彎矩為16510kN·m，使上部結構失穩的彎矩為3338kN·m，橫橋向抗傾覆穩定系數為4.9>2.5，滿足規范要求。

3 剪力釘布置

圓柱頭焊釘連接件是鋼-混凝土組合結構中應用最為普遍的連接件形式，廣泛地應用于組合結構中，當剪力釘的數量、直徑較強配置時，連接性能可近似達到剛性連接，與組合梁計算假定接近。本聯組合梁剪力釘采用D22×220mm圓柱頭焊釘，單個焊釘抗剪承載力設計值為102kN，設計要求焊釘的焊接工作應在鋼梁制造廠內焊接完成，在進行拉伸試驗時當拉力荷載達到159.6kN時，不得斷裂；繼續增大載荷直至拉斷，斷裂不應發生在焊縫和熱影響區內。全橋共計焊釘6478個，順橋向間距300mm，橫隔板、端支點6m范圍內、中支點3.3m范圍內間距150mm，剪力釘布置見圖9及圖10。

圖9 剪力釘布置橫斷面圖(單位：mm)

圖10 剪力釘布置平面圖(單位：mm)

4 橋面板負彎矩區域設計

鋼-混凝土連續組合梁中支點負彎矩處橋面板在彎矩作用下產生很大的拉應力，如果橋面板混凝土開裂，對橋梁的承載能力、梁截面剛度、結構耐久性產生很大的影響。目前常用的減小混凝土橋面板拉應力的方法有，一是調整跨中、中支點混凝土的澆注順序來減少，二是支點頂升(支座位移法)，三是負彎矩區域配置預應力鋼束的方法。本聯組合梁采用調整橋面板混凝土澆注順序以及中支點頂升20cm的方法，通過頂升20cm后，負彎矩區域混凝土拉應力相對降低了2MPa，有效地控制了混凝土橋面板的開裂。

本工程組合梁僅兩聯，橋面板采用現澆施工，橋面板混凝土采用C50鋼纖維混凝土。負彎矩混凝土橋面板按允許開裂并控制混凝土裂縫寬度的方法設計，橋面板裂縫寬度計算時考慮橋面板的有效分布寬度。橋面板配筋在總寬8.2m范圍內上下緣均按雙肢25@150mm布置，配筋率4.3%，鋼筋應力為124.5MPa，裂縫寬度0.148mm<0.2mm，滿足規范要求。

5 鋼梁涂裝

鋼梁內、外部的防腐涂裝采用性能可靠、附著力強、耐候性好、防腐蝕強、成熟可靠以及使用期保證在15年以上的涂裝材料。鋼梁采用的油漆涂裝方案如表2所示。

表2 鋼梁內、外部的防腐涂裝設計方案

鋼梁頂板與混凝土橋面板接觸面涂裝方案為：冷噴鋅2道，厚度90μm，冷噴鋅干膜涂層全鋅含量不低于96%。

6 結論

鋼-混凝土連續組合梁較鋼梁經濟性好、橋面板耐久性好，并充分地利用了鋼材與混凝土的優點，組合梁較現澆混凝土梁在施工方法、跨徑布置、小半徑曲線段等建設條件下適應能力更強，本聯鋼-混凝土連續組合梁采用槽形鋼梁的截面形式，結構簡潔、受力明確、整體性好、抗扭剛度大，鋼梁施工階段荷載輕，有效地解決了匝道橋跨越地鐵構筑物的問題。隨著我國城鎮化的大力推進，城市高架建設中，地鐵、綜合管廊、既有不便改移的管線等常見構筑物使得橋梁的總體布置更加復雜，組合梁靈活的跨徑布置能更好地適應城市建設的需要。論文結合工程實例，介紹了常見鋼-混凝土連續組合梁的構造布置、主要分析計算過程及負彎矩的設計方法，希望對鋼-混凝土連續組合梁的設計提供良好的借鑒作用。