呂鳳國

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

某鋼-混凝土結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)橋設計

呂鳳國

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

以某鋼-混凝土結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)橋為例,從橋式布置、材料選擇、結(jié)構(gòu)設計、施工方法等幾個方面進行介紹,并對關鍵構(gòu)造和技術(shù)措施簡要敘述。結(jié)論：上部結(jié)構(gòu)采用大跨度結(jié)合梁,下部結(jié)構(gòu)采用矩形墩,墩高跨度結(jié)構(gòu)尺寸比較協(xié)調(diào),線形流暢,造型輕盈,整體視覺效果好；結(jié)合梁與混凝土梁相比,其結(jié)構(gòu)自重有較大減輕,便于橋墩基礎滿足受力要求；采用大節(jié)段工廠制造,現(xiàn)場吊裝的施工方法,大大縮短了橋梁的施工周期,同時避免了對既有鐵路、城市道路的干擾,保證其運營安全。

鋼-混凝土結(jié)合梁；連續(xù)剛構(gòu) ；設計

1 工程概況

本項目為軌道交通昌平線高架區(qū)間的一個節(jié)點橋梁，昌平高架線以半徑為450 m曲線由東向南依次跨越北清路、規(guī)劃京蘭鐵路、京包鐵路、預留京包鐵路復線，交角分別為32.8°、45.7°、43.7°、43.7°。北清路現(xiàn)況路幅斷面形式為：1.5 m(人行道)+4.0 m(輔路)+4.5 m側(cè)分帶+12 m(行車道)+8.0 m(中分帶)+12 m(行車道)+4.5 m側(cè)分帶+4.0 m(輔路)+1.5 m(人行道)，已按規(guī)劃實施；京包鐵路為既有鐵路，單線電氣化，是連接北京至內(nèi)蒙古一線的交通要道；京蘭鐵路為規(guī)劃線路，京張城際是京蘭鐵路的一部分，線路自北京北站引出，至張家口南站，標準雙線電氣化鐵路，按時速250 km及以上標準設計，采用無砟軌道；京包鐵路復線為遠期預留線，走向與既有京包線平行，單線電氣化。橋位平面布置見圖1。

2 橋式方案選擇

2.1 主要原則

(1)橋梁墩位的設置避開既有路和規(guī)劃路，并應滿足與鐵路、道路的安全距離。

(2)主橋跨越鐵路、道路，部分橋式方案應滿足限界和凈空要求(橋下凈空：公路不小于5 m、鐵路不小于7.96 m)，并為鐵路未來發(fā)展預留良好的技術(shù)條件。

(3)橋型結(jié)構(gòu)和施工方法的選擇應盡量減少對橋下鐵路、道路的干擾，確?？缭借F路、公路的安全性，并兼顧經(jīng)濟性，施工方便、快速。

(4)該項目位于城市內(nèi)，橋梁的選型要考慮到景觀的影響。

(5)結(jié)構(gòu)的抗震設計滿足高烈度區(qū)要求(抗震設防烈度為8度)。

2.2 橋式選擇

根據(jù)設計原則，結(jié)合混凝土和鋼材的各自特點，從結(jié)構(gòu)受力、景觀效應、施工方法、工期、施工干擾等因素考慮，采用了一聯(lián)鋼-混凝土結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)橋式方案，工廠預制，分段吊裝施工方法，跨徑布置為(37+60+79+42.5) m。橋梁立面布置見圖2。

3 主要設計要點

3.1 材料的選擇

混凝土具有取材方便、造價低，但自重大、施工工期長、抗裂性差，適宜用作抗壓構(gòu)件；鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、加工方便、塑性好等優(yōu)點，但造價高、耐腐蝕性差，適宜用作抗拉構(gòu)件；鋼混組合結(jié)構(gòu)可以充分利用兩種材料特點，施工方便、節(jié)約鋼材、增強剛度、提高承載力、降低造價，該橋由于聯(lián)長跨度較大，采用組合結(jié)構(gòu)關鍵可以降低梁高，減輕上部結(jié)構(gòu)自重，也降低了水平方向的地震力，使橋墩的結(jié)構(gòu)尺寸減小，整體景觀效果好。

3.2 結(jié)構(gòu)體系

該橋結(jié)構(gòu)為鋼-混結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)體系，采用該結(jié)構(gòu)體系對于梁部而言，可以減小跨中正彎矩和中墩處的負彎矩，從而降低梁的高度，有利于運輸和架設，對于橋墩基礎，該結(jié)構(gòu)體系的水平力(主要包括主力、附加力、地震力等)由中間墩共同分擔承受，與連續(xù)梁相比，可以大大減小制動墩的規(guī)模，利于中間墩輪廓尺寸的統(tǒng)一，使上下部結(jié)構(gòu)尺寸比較協(xié)調(diào)，造型輕盈，整體視覺效果好。

3.3 上部結(jié)構(gòu)

橋梁上部結(jié)構(gòu)由鋼箱梁和鋼筋混凝土橋面板組成，二者通過剪力釘結(jié)合在一起整體受力。邊支點處和跨中梁高為2.2 m，中支點梁高4 m(其中含橋面高度為0.4 m)，采用單箱單室直腹板形式。

為滿足塑性混凝土的黏土摻和要求，在造孔用泥漿池旁新建一座200m3的混凝土澆筑專用泥漿池，配置泥漿泵，一臺3 m3空壓機，設置400 m2混凝土專用黏土儲料場及送漿管路等。

全橋鋼箱梁分為7個梁段，最長梁段長35.2 m，最大吊裝重2 020 kN，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。鋼箱梁為變截面形式，邊跨及跨中處梁高1.8 m，中支點處逐漸變至3.6 m(24號墩處為3.2 m)。頂板寬5.2 m，板厚采用20～28～36 mm變化，底板寬4.9 m，板厚采用28～32～44 mm變化。腹板厚度采用16～24 mm變化。橫隔板采用板式結(jié)構(gòu)，每隔3 m設置1個，豎向加勁肋位于腹板內(nèi)側(cè)，每隔1 m設置。

混凝土橋面板頂寬9.4 m，板厚38 cm，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。采用工廠分段預制，現(xiàn)場濕接縫連接的形式，預制橋面板每塊尺寸為9.4 m×2.5 m，標準預制板之間設現(xiàn)澆混凝土接縫，標準接縫尺寸為9.4 m×0.5 m。接縫處的鋼板上布置φ22 mm柔性栓釘，共同受力。為減少混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)的不利影響，要求預制板存放時間宜不少于4個月，同時要求剪力釘槽和濕接縫處采用C50微膨脹混凝土。主梁標準橫斷面見圖3。

3.4 橋墩基礎設計

高架區(qū)間簡支橋梁墩柱采用矩形截面，采用“寶石”造型蓋梁?？紤]區(qū)間景觀一致性兼顧施工方便，本橋下部結(jié)構(gòu)與區(qū)間統(tǒng)一，中墩采用鋼筋混凝土矩形墩，尺寸為4.8 m×2.4 m，承臺尺寸為10.5 m×6.5 m，基礎采用6根φ1.5 m的鉆孔灌注樁。邊墩采用T形墩柱，尺寸為3.0 m×2.4 m，承臺尺寸為7.5 m×7.5 m，基礎采用4根φ1.5 m的鉆孔灌注樁。

3.5 施工方案

(1)施工方法的選擇

該項目跨越鐵路和城市道路，常用的施工方法主要有轉(zhuǎn)體，頂推，工廠預制、現(xiàn)場吊裝架設，懸臂澆筑等方法。為保證運營安全，特別是鐵路的運營安全，鐵路相關部門首選是盡量減少施工對鐵路干擾的施工方法，懸澆一般不會被采用。對于鋼結(jié)構(gòu)來說，轉(zhuǎn)體、頂推、吊裝均可實施，但轉(zhuǎn)體和頂推需要較大的施工場地和較多的施工臨時設備，施工周期相對吊裝長，費用也高，結(jié)合昌平線的施工周期要求緊迫，決定采用工廠加工、現(xiàn)場吊裝架設的施工方法。

(2)施工步驟

根據(jù)橋梁特點和現(xiàn)場場地情況，具體步驟如下：基礎施工→永久橋墩和臨時墩施工→墩梁固結(jié)段鋼套筒吊裝施工→鋼箱梁吊裝施工→橋面板吊裝→臨時墩拆除→橋面系施工。

4 關鍵構(gòu)造和技術(shù)措施

4.1 墩梁固結(jié)

由于采用了連續(xù)剛構(gòu)體系，鋼箱梁與鋼筋混凝土橋墩的固結(jié)、二者如何結(jié)合共同受力成為關鍵問題所在。中墩所在位置高度較大，如果采用鋼管混凝土墩柱，用鋼量較大，本橋僅考慮在鋼箱梁底板以下3 m高度范圍內(nèi)采用鋼套筒與橋墩連接共同承受內(nèi)力。考慮剛度的連續(xù)性，中支點箱梁內(nèi)混凝土不注滿，留有一定的間隙。鋼箱梁腹板與橫向隔板與橋墩鋼套筒焊接為一體，鋼箱梁底板在該處斷開后與橫隔板焊接，縱橫向焊接位置要錯開一定的距離，鋼箱內(nèi)外側(cè)和鋼套筒內(nèi)側(cè)對應設加勁肋進行局部加強。考慮鋼箱豎向力與混凝土墩柱的傳遞，采取在鋼箱和套筒鋼板內(nèi)側(cè)焊接φ22 mm剪力釘，在內(nèi)側(cè)加勁板設PBL鍵措施，其中PBL筋為φ20 mm，孔洞為φ60 mm，在填充C50混凝土的條件下，單鍵承載力達到超過200 kN，豎向傳力以后者為主，前者為輔。由于構(gòu)造復雜，鋼箱與鋼套筒施工焊接順序十分關鍵，從下到上，從內(nèi)到外，為便于箱內(nèi)焊接操作，套筒內(nèi)僅灌注一半高度的混凝土，同時也避免了焊接時高溫對混凝土耐久性影響，待套筒與鋼箱焊接完畢后，從箱頂預留孔澆筑剩余混凝土。墩梁固結(jié)構(gòu)造見圖4。

4.2 鋼套筒安裝

鋼套筒是鋼箱梁和鋼筋混凝土橋墩連接的紐帶，其定位的準確性影響著后期鋼箱梁的安裝精度，所以其安裝控制十分重要，需引起足夠的重視。首先需要預埋鋼套筒的定位型鋼構(gòu)件，預埋件的位置要準確并且需要一定的剛度，以防止在后期澆筑混凝土時變位，鋼套筒與預埋件焊接牢固，并保持鋼套筒頂面水平，高差不大于5 mm。

4.3 邊箱壓重

由于空間位置的限制，橋梁邊跨為37 m和42.5 m，邊跨與中跨比為0.5左右，且橋位還處于半徑為450 m的曲線上。通過空間分析，邊墩支座反力很小，為防止在運營過程中梁端支座脫空，原設計采用鋼材對梁端進行壓重，但是根據(jù)鋼箱梁內(nèi)部構(gòu)造采用鋼材在指定位置壓重實施困難，后材料改為鋼砂混凝土，容重為50 kN/m3(所用材料為鋼砂、水泥、水、高效減水劑等，配合比為4.850∶0.100∶0.080∶0.008)。壓重混凝土布置盡量靠近支座，并避開進人孔通道，混凝土通過補焊的剪力釘與鋼箱結(jié)合為一體。

4.4 鋼箱梁運輸

鋼箱梁分段最大長度約35 m，最大寬度5.2 m，最大高度3.6 m，最大重力2 200 kN，鋼梁運輸方案非常關鍵，對運輸設備、運輸路線、運輸時間以及運輸措施都要求較高，本橋結(jié)合鋼梁的加工地點和橋位地址，選擇夜間在交管部門導引下采用拖車串車運輸。運梁前，對所運輸?shù)穆肪€進行勘查，對所經(jīng)過的橋涵需要檢算加固，以保證運輸構(gòu)件安全。

5 結(jié)語

(1)上部結(jié)構(gòu)采用大跨度結(jié)合梁，下部結(jié)構(gòu)采用矩形墩，墩高跨度結(jié)構(gòu)尺寸比較協(xié)調(diào)，線形流暢，造型輕盈，整體視覺效果好。

(2)結(jié)合梁與混凝土梁相比，其結(jié)構(gòu)自重有較大減輕，便于橋墩基礎滿足受力要求。

(3)采用大節(jié)段工廠制造，現(xiàn)場吊裝的施工方法，大大縮短了橋梁的施工周期，同時避免了對既有鐵路、城市道路的干擾，保證其運營安全。

(4)墩梁固結(jié)關鍵部位的處理，既借鑒其他同類橋梁部分的成功經(jīng)驗，也有一定的大膽創(chuàng)新，為今后類似問題的解決提供較好的思路。

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[3] 中華人民共和國建設部.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003．

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DesignofaContinuousRigidFrameBridgewithSteel-ConcreteCompositeGirder

LV Feng-guo

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing 102600, China)

This paper took a certain continuous rigid frame bridge with steel-concrete composite girder as an example, introduced the bridge layout, material selection, structure design, construction method and other issues, and briefly described the key structural and technical measures. Then the paper came to the conclusions: (a) The long-span composite girder was employed for the superstructure, and the rectangular piers for the substructure, so as to make the ratio of prier height to girder span harmonious, with an influent geometric shape, a graceful modeling and a good overall visual effect. (b) Compared with concrete girder, the composite girder was more lightweight in dead load, and helped the bridge pier foundation meet stress requirement. (c) By using a construction method, which enabled the large bridge segments to be made in factory and to be hoisted on site, the construction time was considerably shortened, and simultaneously the adverse influence on the existing railways and on the urban roads was avoided so as to ensure their operation safety.

steel-concrete composite girder; continuous rigid frame; design

2013-07-30；

：2013-09-25

呂鳳國(1974—)，男，高級工程師，1998年畢業(yè)于西南交通大學橋梁工程專業(yè)，工學學士，E-mail：lvfengguo@t5y.cn。

1004-2954(2014)05-0065-04

U448.21+6

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.05.015