全預制拼裝城市高架橋設計

陳冠華

(福州市規(guī)劃設計研究院 福建福州 350003)

0 引言

隨著黨和政府以及城市居民對文明施工和環(huán)境影響的日益重視，降低市政工程施工對日常生活影響的需求越來越強，快速施工、綠色施工成為當前城市橋梁建設面臨的迫切需求。城市高架橋對交通組織、環(huán)境保護等均要求更高，預制裝配式橋梁尤其適用，因此橋梁預制裝配技術近年來得到世界各國的重視[1]。預制裝配橋梁技術的研究在國內外呈現快速發(fā)展的趨勢。在國內上海、長沙和成都等地均有成功實施全預制拼裝橋梁的實例[1-2]。與工程應用相比，相關理論研究和試驗研究更為滯后，因此開展全預制橋梁拼接關鍵技術研究，對這類橋梁的受力性能進行深入探討，以便為此類橋梁的設計、施工提供理論依據，很有必要，也很有現實意義。基于此，本文以福州市新店外環(huán)路西段道路工程為背景，探討全預制拼裝高架橋設計。

1 工程概況

福州市新店外環(huán)路西段道路工程位于晉安區(qū)新店片區(qū)，是福州城北片區(qū)路網快速化重要組成部分，項目起點地面輔路接龍頭路、主路接繞城高速公路，終點接新店外環(huán)路東段，為城市主干路，設計車速60km/h，道路全長約5040m，道路規(guī)修建寬度為40m～60m。其中①龍頭路至秀峰路段為新建地面路段，其中龍頭路至廈坊北路段采用雙向六車道+非機動車道+人行道斷面布置形式，廈坊北路至秀峰路段采用雙向八車道+非機動車道+人行道斷面布置形式；②秀峰路至新店外環(huán)路東段為現狀路(埔黨路)提升改造路段，采用主路高架雙向六車道+地面輔路雙向四車道+非機動車道+人行道斷面布置形式[3]。圖1為項目地理位置圖。

圖1 項目地理位置圖

主線高架橋上跨秀峰路、象峰一路、象峰一路和山北路延伸段后接新店互通。全橋共45跨，標準跨徑30m～35m，總長1502.2m。高架斷面單幅橋布置，橋面寬度25.5m。高架橋共13聯(lián)。其中，Z0～ Z19共5聯(lián)采用連續(xù)鋼箱梁，下部結構主橋采用柱式墩；Z19～Z44共8聯(lián)，采用鋼板組合梁，下部結構主橋采用雙柱式框架墩，雙柱之間設置綜合管廊，其中橋墩、蓋梁和組合梁均采用預制拼裝。這是福建省首次在城市高架橋上采用上下部全段面預制拼裝結構。主線高架橋斷面如圖2所示。本文以3m×35m鋼板組合梁橋為例，論述其上下部結構設計及主要的關鍵技術。

圖2 標準橫斷面布置圖

2 結構設計

2.1 上部結構

主梁采用鋼板-混凝土組合梁，整幅橋寬25.5m，為多主梁式鋼混組合梁。小組合梁之間橫向間距2.35m，組合梁梁高1.9m。主梁除在邊墩及中墩墩頂處設置鋼橫梁聯(lián)結各小組合梁，組合板梁每隔6m設置一道橫向連接系。主梁結構分為兩大部分，首先在每片“工”字形鋼梁上翼緣焊接剪力釘，然后與底層預制混凝土板組合形成小組合梁，把底層混凝土板當作模板，最后在底層混凝土板上現澆上層混凝土板，形成最后主梁結構；上層混凝土板與底層混凝土板，通過錨固鋼筋及剪力釘進行連接，形成多層組合梁結構。組合標準斷面如圖3所示。

圖3 組合梁標準斷面圖(單位：mm)

單片鋼主梁設計成工字型結構，邊墩支點處梁高與中跨跨中處梁高均為1600mm， 工字型鋼梁主要由上翼緣板、腹板、腹板豎向加勁肋、底板焊接組成，鋼梁材質采用Q345qc。鋼梁上翼緣板厚度為16mm，寬400mm;腹板厚度為16mm，腹板豎向加勁肋中墩墩頂處采用200×16mm，腹板堅向加勁肋縱橋向每隔2m設置一道:底板寬600mm，墩頂以及跨中區(qū)域厚度為20mm～32mm。

主梁橫向設置實腹式鋼橫隔板，橫隔板縱橋向間距6m。橫隔板為工字型斷面，單片主梁橫隔板長度與小組合梁間距相同，即2350mm，高度與梁高相同，橫隔板腹板厚度16mm，上翼緣板寬400mm，下翼緣板寬500mm。橫隔梁頂板現場焊接連接，腹板和底板現場焊接。

中墩頂及邊墩橫梁均采用鋼橫梁，端橫梁上翼緣寬1.45m，頂底板板厚均為28mm，腹板間距 1.175m，腹板板厚20mm。中橫梁上翼緣寬2.1m，頂底板板厚均為28mm，腹板間距 1.175m，腹板板厚20mm。箱型橫梁在主梁對應位置設置實腹隔板，兩實腹隔板間設置腹板豎肋。

底層混凝土橋面板采用C50混凝土，按鋼筋混凝土板結構設計。混凝土板中梁處寬2050mm，邊梁寬2050mm，板厚10cm。底層混凝土板采用分塊預制，縱向分塊長度2.85m～5.9m，預制橋面板需存放3個月以上，以減少混凝土收縮徐變影響。在鋼梁上安裝底層板時，先在鋼梁上翼緣及橫隔板兩側邊緣粘貼橡膠條，然后澆筑2cm環(huán)氧砂漿，再擺放底層板到位后，澆筑濕接縫微膨脹混凝土，完成底層板與鋼梁的結合。

底層橋面板縱橫向均按鋼筋混凝土板構件設計，橫向布置一層鋼筋，鋼筋直徑16mm，間距100mm；縱橋向布置一層鋼筋。

頂層混凝土板按鋼筋混凝土板構件設計，橫向布置兩層鋼筋，鋼筋直徑16mm， 間距100mm；縱橋向布置兩層鋼筋，墩頂兩側約15m范圍內上層鋼筋直徑28mm，下層鋼筋直徑25mm，跨中區(qū)段布置兩層直徑16mm鋼筋，墩頂與跨中區(qū)段直徑設置長約5m的過渡區(qū)段，鋼筋直徑20mm。縱向鋼筋間距100mm頂層板鋼筋與底層板之間通過預埋錨固鋼筋連接。

混凝土橋面板與鋼梁之間通過布置于鋼梁頂板的焊釘栓釘連接，焊釘剪力鍵直徑19mm與22mm，高分別為95mm、220mm兩種；單片工字型鋼梁頂板橫向布置3根，橫向間距為100mm；縱向采用高220mm剪力釘與高95mm的剪力釘縱向交錯布置，焊釘剪力鍵縱向間距100mm，在鋼梁橫隔板現澆濕接縫處，剪力釘采用均布式布置，基本間距為100mm。

2.2 下部結構

主線高架橋下部結構采用雙柱式框架墩、灌注樁基礎，橋墩、蓋梁均采用預制拼裝。雙柱框架墩墩柱橫橋向中心為10m，基礎采用4根直徑1.2m鉆孔灌注樁，橋墩截面尺寸1.6m×1.6m。墩柱與樁基之間設置現澆工字型承臺，承臺平面尺寸12.2m×5.5m，厚度2m。蓋梁長度24.8m，截面順橋向墩頂尺寸2.2m，蓋梁高度1.9m。蓋梁采用預制拼裝工藝施工，整個蓋梁的重分別為217t。當運輸和吊裝條件受限制時，蓋梁分段預制，現場預留濕接縫現澆拼接，預制部分吊重控制在160t以內。

預制墩柱與現澆承臺、預制蓋梁之間通過灌漿套筒進行連接，灌漿套筒設置在墩柱底面和蓋梁底面。主線高架橋標準段下部結構，如圖4所示。

圖4 主線高架橋標準段下部結構(單位：cm)

3 設計分析考慮的問題

組合結構橋梁由鋼結構抗拉、混凝土抗壓，充分發(fā)揮兩種材料的使用性能，可使結構設計、施工和維護更趨合理并具有全壽命經濟性，尤其是在中小跨徑的城市橋梁中更具有競爭力[4]。多梁式鋼板組合梁結合裝配式墩柱在設計分析中須考慮如下問題：

(1)群釘剪力連接件的構造設計、滑移性能及對組合截面變形應力的影響；

(1)預制橋面板的橫向連接性能；

(3)鋼板梁腹板的屈曲穩(wěn)定；

(4)群釘下鋼混組合梁的預制橋面板安裝后的收縮徐變效應及影響；

(5)裝配式施工鋼混組合梁的抗疲勞特性；

(6)預制橋墩套筒拼接性能及抗震性能；

(7)快速施工橋梁預制加工的成套技術裝備和施工方法[5]。

4 主要靜力計算結果

4.1 鋼板-混凝土組合梁

利用Midas Civil對橋梁上部結構進行建模計算。計算采用多梁模型、聯(lián)合截面模擬組合結構。縱梁重量模型自動考慮，橫梁及加勁肋、混凝土橋面板、瀝青鋪裝的重量按照實際計算后以梁單元荷載的形式施加。結構總體模型，如圖5所示。

圖5 總體計算有限元模型

圖6 成橋初鋼梁正應力圖

圖7 成橋10年，基本組合下鋼梁正應力圖

圖8 組合截面剪力分布

成橋初期最大正應力(圖6)為126MPa<270MPa；成橋10年(圖7)，基本組合下鋼梁正應力為229MPa<270MPa；基本組合下各截面的剪力(圖8)計算結果，選擇受剪最不利截面進行抗剪驗算，主要是墩頂截面以及腹板變厚截面，墩頂剪力值1602kN，抗剪承載力3819kN。以上均滿足規(guī)范要求。

4.2 預制拼裝橋墩

結構計算采用Midas Civil計算，蓋梁、立柱及樁基礎均采用桿系單元模擬，蓋梁頂設置虛擬加載橫梁，樁基礎按照地質情況設置土彈簧。圖9為橋墩計算模型。

圖9 橋墩計算有限元模型

分析中考慮預制蓋梁拼裝、現澆段施工、預應力鋼束張拉、徐變等施工工況，主要計算結果如圖10～圖11所示。

圖10 正截面蓋梁短期正應力(單位：MPa)

圖11 蓋梁主拉正應力(單位：MPa)

蓋梁在各個施工工況下均全截面受壓，蓋梁主拉應力0.61MPa，滿足規(guī)范要求。立柱和系梁的抗力和裂縫也滿足規(guī)范要求。

5 結語

適應城市高架橋“工廠化、預制化、裝配化”發(fā)展趨勢，福州市新店外環(huán)路西段道路工程主線高架橋采用全預制拼裝結構，上部采用多梁式鋼板-混凝土組合梁，下部結構采用裝配式橋墩，采用墩柱和蓋梁在工廠預制，現場吊裝，用灌漿套筒連接的施工方法。相對實際工程的應用，預制拼裝橋梁理論缺少系統(tǒng)研究，在設計過程須考慮組合梁、預制橋墩和施工方法的一些關鍵技術。

該項目在施工過程，其采用的全預制拼裝技術可為目前同類橋梁設計提供參考；預制構件選用合適的施工方式，合理確定預制構件長度和重量，研發(fā)有關的預制生產技術和裝備，形成設計和施工標準化流程；同時可作為裝配式橋梁設計、施工的地方性指導規(guī)程技術支撐。