G109 線跨高速公路橋的設計與技術研究

吳延輝，劉 濤

（蘭州市城市建設設計院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

近年來公路交通行業大力推廣應用鋼結構橋梁，一些新的鋼結構體系不斷出現。這些鋼結構橋梁既可消化地方鋼鐵產能，促進鋼鐵行業轉型升級，又能提升橋梁建造競爭力。

本文基于G109 線改擴建工程中跨高速橋工程實例，對新型管翼緣組合橋結構體系的受力及關鍵技術點進行分析，為此類工程提供研究參考。

1 工程概況

G109 線改擴建工程（忠和傅家窯立交至八里灣段）位于蘭州市城關區和皋蘭縣忠和鎮。道路基本沿既有G109 線布置。北側起點位于皋蘭縣忠和鎮蘭秦快速路傅家窯立交主橋北側約300 m 處，終點至蘭州市城關區八里灣北環路大砂溝立交相接，基本沿原G109 線向南延伸[1]。路線全長11.09 km，高架橋長度9.658 km，高架橋主要控制點為道路樁號K9+976.5 處連霍高速上跨現有G109 線1-30 m 橋梁。本次設計管翼緣組合梁橋為高架橋的節點工程，與地面國道及上跨國道的高速路橋形成三層立交形式，見圖1、圖2。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

圖2 橋梁平面布置圖（單位：cm）

2 管翼緣組合梁橋結構設計

高架在上跨高速處采用三跨51 m+61 m+51 m管翼緣組合梁橋，橋長103 m，道路中心線與連霍高速中線斜交角度63°。上部結構由混凝土橋面板、主梁和橫梁組成，除主梁下翼板采用Q500qENH 鋼材外，其它鋼結構全部采用Q345qENH 鋼材[2]。主橋由六片焊接方管翼緣組合梁作為主梁，方管內填C50自密實微膨脹混凝土，見圖3；橋墩采用箱形鋼結構門式框架墩，其中高架橋過渡墩蓋梁跨徑30 m，連霍高速路橋兩側的主墩蓋梁跨徑30 m[3]，主墩蓋梁中心線與線路中心線斜交角為63°。

圖3 主梁標準橫斷面（單位：cm）

3 MIDAS 分析模型

采用MIDAS/Civil 構建本橋上部結構有限元模型，上部結構中采用梁格法建模，見圖4。主梁和混凝土板均離散為梁單元，管翼緣工字鋼梁和管內混凝土為組合截面，頂板混凝土根據規范計算得到有效計算寬度為3 m，同時，設置混凝土板虛擬橫梁，虛擬橫梁縱向間距為2.5 m[1]。

圖4 上部結構有限元模型

邊界條件設置為混凝土板與管翼緣組合梁之間剛性連接，支座采用彈性連接模擬。

圖5中主梁在不同施工階段不同荷載組合下，上翼緣最大壓應力為148 MPa，小于Q345 鋼材275 MPa的強度設計值；下翼緣最大拉應力為251 MPa，小于Q500 鋼材360 MPa 的強度設計值，因此，主梁翼緣的強度符合要求。

圖5 承載能力極限組合作用下主梁翼緣應力包絡圖（單位：MP a）

圖6中主梁在不同施工階段和荷載工況作用下，最大剪應力為43.1 MPa，小于Q345 鋼材抗剪強度設計值155 MPa，主梁腹板的抗剪強度符合要求。

圖6 荷載工況二（承載能力極限組合）主梁腹板剪應力包絡圖（單位：MP a）

不計汽車沖擊的汽車車道荷載撓度計算值需不超過L/500（L 為計算跨徑）。圖7 中在活載作用下，中跨最大豎向撓度為33 mm，小于L/500=122 mm，因此，主梁的撓度符合規范要求。

圖7 汽車荷載作用下主梁變形（單位：mm）

4 關鍵技術與創新

4.1 新型管翼緣組合梁結構

管翼緣組合梁是一種新型的鋼混組合梁結構形式，以鋼管混凝土的形式代替傳統的工字鋼上翼緣板。

新建G109 線高架與地面國道及上跨國道的高速路橋形成三層立交形式，由于G109 線高架與連霍高速主線斜交角為63°，其橋頭路基錐坡向道路兩側延伸較寬。為保證高速路基安全，避免擾動高速橋橋頭錐坡，并針對上跨高速施工窗口期短的要求，最終確定使用施工便捷的三跨51 m+61 m+51 m 大跨徑裝配式連續管翼緣組合梁結構。該結構的鋼管混凝土套箍效應能顯著提升混凝土強度，從而提高構件承載力，管內混凝土的存在又可以延緩或避免鋼管發生局部屈曲，見圖8[1]。鋼管頂部設置栓釘剪力連接件，鋼管間敷設壓型鋼板并澆筑橋面混凝土。整橋通過鋼材與混凝土的良好結合使之共同受力，從而降低了鋼梁的腹板高度，提升了組合梁抗扭性能的同時也解決了大跨徑鋼結構設計中構件穩定性不足的問題。

圖8 管翼緣組合梁截面（單位：cm）

橋梁上部結構采用裝配式施工，大大降低了跨高速橋梁的施工風險和施工難度，縮短了施工工期。同時管翼緣組合梁結構提升了橋梁剛度和承載力，為工程節約鋼材使用量，在本工程中產生了良好的經濟效益。

4.2 高強鋼材的應用

高強鋼材具有足夠的韌性和較高的強度，其焊接性、成形性良好。其在工程中的有效利用可以節省大量鋼材，減少非再生資源的消耗，減少資源開采帶來的環境破壞?！笆奈濉卑l展規劃中明確對我國鋼鐵產品結構進一步優化，碳達峰、碳中和任務更加緊迫。大力推廣應用高強度鋼材必將成為橋梁用鋼的大趨勢。本橋上部管翼緣組合梁由混凝土板、鋼管混凝土上翼緣、鋼腹板、加勁肋及鋼下翼緣板組成，其鋼結構部分均采用高強鋼材組合梁，下翼板采用Q500qENH 鋼材，其它全部采用Q345qENH 鋼材。管翼緣組合梁受力時跨中截面拉應力自上而下逐漸增大，壓應變逐漸減小。組合梁截面中性軸靠近梁上部，受荷載作用下翼緣受拉區應力增長速度大于上翼緣受壓區增長速度。針對以上問題，我們在梁體下緣采用了抗拉強度高的Q500qENH 鋼材，同時根據連續梁腹板及頂底緣受力特點，在主梁跨徑1/8 前后設置下翼緣板、腹板厚度變化段，對橋梁截面進一步優化。優化后上部結構不但減少了下翼緣板用鋼量，而且提高了組合梁整體承載能力，為本工程取得良好的經濟效益。

4.3 免涂裝材料的應用

耐候鋼是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼。經過一段時間的大氣銹蝕在鋼材表面會形成致密的非晶態銹層組織層，該致密組織與鋼結構母材牢固結合，阻止氧氣和水的進一步腐蝕。在使用時，可以裸用或進行穩定化處理。本次設計橋梁使用的耐候鋼管翼緣組合梁結構均采用不積水、通風效果好的開口截面構件，有利于穩定銹層的形成。

項目采用免涂裝耐候鋼后可取得較好的經濟效益和環保效益。采用傳統鋼材全橋鋼結構涂裝費用1 124 t×1 200 元/t=135 萬元，全壽命期至少需要5次涂裝維護工作，費用合計為675 萬元，采用免涂裝耐候鋼在本橋全壽命周期中節約費用可達到建安費的30%左右。工程采用耐候鋼自維護方式對環境相對友好，避免了橋梁設計使用周期內反復涂裝產生的環境污染。

5 結語

裝配式橋梁、綠色橋梁已成為現代橋梁的發展趨勢，文中G109 上跨高速橋針對高速路路基寬、上跨高速施工窗口期短的情況，采用了裝配式連續管翼緣組合梁結構。其吊裝簡便、施工窗口短，順利解決了工程難點。采用管翼緣結構在同類結構中跨徑領先，用鋼量較同跨徑橋梁少，其采用的免涂裝耐候鋼符合綠色發展理念，有效提升了橋梁的建設品質。