代 亮，陳宜言，陶慕軒

（1.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 5 18029；2.清華大學(xué)，北京市 1 00084）

深圳東寶河新安特大橋設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

代 亮1，陳宜言1，陶慕軒2

（1.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 5 18029；2.清華大學(xué)，北京市 1 00084）

受規(guī)劃道路紅線、500kV高壓走廊等因素制約，同時(shí)滿足橋下通航及防洪要求，東寶河新安特大橋主橋跨徑布置為88 m+156 m+88 m，上部結(jié)構(gòu)采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。為解決中墩處箱梁混凝土的抗裂、腹板抗剪屈曲和連接件設(shè)計(jì)等難點(diǎn)問題，創(chuàng)造性地將中跨跨中區(qū)段下翼緣混凝土底板替換為抗拉性能較好的鋼板，有效減輕自重，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力并解決底板開裂問題。鋼底板與混凝土底板之間設(shè)置過渡結(jié)合段，通過焊釘和開孔板結(jié)合。為研究跨中鋼底板組合箱梁受力性能，進(jìn)行了模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值分析，結(jié)果表明設(shè)計(jì)合理、可靠。

波形鋼腹板；組合結(jié)構(gòu)；混合梁

1 工程概況

東寶河新安大橋?yàn)榭缡薪绲缆窐蛄汗こ?，連接深圳市沙井街道和東莞市長(zhǎng)安鎮(zhèn)，是深莞惠三市銜接道路的8個(gè)國省干道項(xiàng)目之一，承擔(dān)中短距離通過性交通和沙井與長(zhǎng)安之間的城市區(qū)域交通功能。該項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)貫徹落實(shí)《珠江三角洲地區(qū)改革發(fā)展規(guī)劃綱要》和加快深莞兩地交通一體化建設(shè)、提高區(qū)域合作水平等具有重要意義。

東寶河新安大橋西接長(zhǎng)安鎮(zhèn)建安路，東接沙井新和路，道路全長(zhǎng)1.45 km，其中橋梁總長(zhǎng)1.04 km，分為深圳段引橋及道路、主橋、東莞段引橋及道路三段建設(shè)。主線雙向6車道，輔道為雙向4車道，道路紅線寬度66～75 m。工程實(shí)施受規(guī)劃道路紅線、500 kV高壓走廊、IV級(jí)航道、兩側(cè)建筑物及橋梁縱坡等因素制約。建安路中的高壓鐵塔塔基與現(xiàn)狀道路邊線約1.5 m，新和路北側(cè)的高壓鐵塔塔基與現(xiàn)狀道路邊線約5.0 m。按照規(guī)范要求，高壓鐵塔外導(dǎo)線與公路之間的水平凈距≥8.0 m，凈空≥14 m。

主橋跨越東寶河，大橋橋址河段兩岸堤防之間的距離約為180 m，現(xiàn)狀兩側(cè)灘地較寬，通航水域河槽寬度約100 m。橋梁線位與水流主流方向斜交角度約45°，河道遠(yuǎn)期規(guī)劃為內(nèi)河IV級(jí)航道，根據(jù)通航凈空尺度和技術(shù)要求論證及通航安全評(píng)估，擬建大橋橋墩不宜布置在通航水域內(nèi)。要求承臺(tái)凈距≥147 m，投影尺寸≥94 m，同時(shí)滿足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中航凈空尺度凈高≥8 m、側(cè)高≥5 m的要求。

橋址場(chǎng)地原始地貌為海沖積平原，微風(fēng)化巖頂板埋深在31.80～58.00 m，埋藏較深，起伏較大，樁基礎(chǔ)按嵌巖樁設(shè)計(jì)，持力層采用微風(fēng)化混合巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值25 MPa。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a。

（2）設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ=1.1。

（3）環(huán)境類別：上部結(jié)構(gòu)為Ⅰ類環(huán)境，下部結(jié)構(gòu)為Ⅱ類環(huán)境。

（4）道路等級(jí)：城市主干道-I級(jí)。

（5）設(shè)計(jì)行車速度：主線60 km/h，輔道30 km/h。

（6）橋下凈空：IV級(jí)正交通航（單孔）凈高≥8.0 m，凈寬≥90 m；車行道≥5.0 m。

（7）最高通航水位3.54 m，設(shè)計(jì)洪水頻率1/300，洪水位5.786 m（黃海高程）。

（8）汽車荷載：城-A級(jí)；人行荷載標(biāo)準(zhǔn)值4.2 kN/m2。

（9）橋面縱、橫坡：主橋縱坡為0.5%～3.71%；主橋橫坡為1.5%，人行道橫坡為2%。

（10）地震作用：抗震設(shè)防烈度七度，地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g。

（11）船舶撞擊作用：橫橋向撞擊作用標(biāo)準(zhǔn)值550 kN；順橋向撞擊作用450 kN。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足橋下通航及防洪要求，主橋采用一跨跨過可通航水域的橋型布置方式，通航孔兩側(cè)的橋墩布置在河道的邊灘上，主橋跨徑布置為88 m+ 156 m+88 m，橋梁橫向布置為雙幅橋，單幅橋?qū)?6.25 m。上部結(jié)構(gòu)采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部采用柱徑為6 m的獨(dú)柱式空心圓柱墩，承臺(tái)群樁基礎(chǔ)。橋型總體布置如圖1、圖2所示。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

圖2 橋位平面圖(單位：cm)

波形鋼腹板PC組合箱梁是在普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁基礎(chǔ)上演變出來的組合結(jié)構(gòu)，它是由混凝土頂?shù)装?、波形鋼腹板、橫隔板、體內(nèi)外預(yù)應(yīng)力鋼筋等構(gòu)成[1]。與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁比較，將混凝土腹板置換成波形鋼腹板后，抗彎剛度、剪切剛度和抗扭剛度都不同程度地減小了[2]，因此，波形鋼腹板PC組合箱梁對(duì)立面布置、體外索及其橫隔板的布置要求也與常規(guī)混凝土箱梁不同。

東寶河特大橋上部結(jié)構(gòu)為三跨波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單幅箱梁采用單箱單室斷面，梁體美觀，線形流暢。箱梁采用C60混凝土和Q345qC鋼板。受通航及高壓線限制，箱梁中支點(diǎn)梁高8.3 m（為主跨跨度的1/18.8），按1.6次拋物線過渡到跨中梁高為3.5 m（為主跨跨度的1/44.6），梁高較常規(guī)波形鋼腹板PC組合箱梁橋偏低。每幅箱梁全寬16.25 m，箱室寬度8.0 m，箱梁外側(cè)懸挑4.125 m，箱梁頂板厚35 cm，墩頂局部加厚至65 cm，底板厚30～90.8 cm，墩處局部加厚至160 cm。

為了保持較大的抗扭剛度并兼做體外索轉(zhuǎn)向塊使用，不僅要在支座處設(shè)置橫隔梁，同時(shí)也要在跨徑內(nèi)適當(dāng)布置橫隔板。該橋箱內(nèi)橫隔板間距約20 m，中跨設(shè)了6道橫隔板，邊跨設(shè)了3道橫隔板，橫隔板厚0.5 m。

該橋設(shè)計(jì)除端橫隔及根部墩上0#和1#塊腹板分別采用了混凝土腹板及鋼-混凝土組合腹板外，其他節(jié)段腹板均為波形鋼腹板，鋼板厚10～34 mm，其形狀按1600型采用。波形鋼腹板與頂?shù)装寤炷林g的連接，主要作用在于傳遞橋軸方向的剪力，是確保波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装骞餐芰Φ年P(guān)鍵構(gòu)造[1，2]。因該橋箱梁較寬，為確保連接的可靠性，參考國內(nèi)外波形鋼腹板橋設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，波形鋼腹板與混凝土頂板的連接采用波形鋼腹板頂端焊有翼緣板的開孔板連接件，底板連接件采用開孔板+焊釘組合連接件。

波形鋼腹板PC組合箱梁橋縱向預(yù)應(yīng)力鋼束分為體內(nèi)束和體外束兩種。體內(nèi)束主要用于承擔(dān)一期恒載及施工時(shí)的臨時(shí)荷載，體外束則用于承擔(dān)二期恒載及運(yùn)營階段的活載。該橋體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束采用單股直徑φ215.2 mm的高強(qiáng)低松弛鋼絞線。體外索采用多根環(huán)氧涂層鋼絞線經(jīng)扭絞并熱擠HDPE護(hù)套的ES3型索體，具有優(yōu)異的防腐性能。同時(shí)為防止體外束在轉(zhuǎn)向的時(shí)候鋼絞線相互擠壓而造成預(yù)應(yīng)力損失及HDPE護(hù)套的損壞，設(shè)計(jì)采用雙層式轉(zhuǎn)向器。錨具采用可調(diào)可換式體外束專用夾片式錨具，體外束于全橋合攏后張拉，待二期恒載施工后再次調(diào)整張拉力，以使梁的受力達(dá)到最佳狀態(tài)。

該橋采用節(jié)段懸澆施工方法，由于波形鋼腹板PC組合箱梁較混凝土腹板箱梁輕，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度取4.8 m，較普通混凝土箱梁節(jié)段長(zhǎng)，全橋減少節(jié)段數(shù)量20%～30%，同時(shí)在施工中省去了腹板的綁扎鋼筋等復(fù)雜工作，減少了大量的支架、模板和混凝土澆筑過程，掛籃輕便，有利于加快施工進(jìn)度。全橋共設(shè)置60個(gè)懸澆節(jié)段，每個(gè)中墩頂1個(gè)托架現(xiàn)澆段，每端橫梁設(shè)置1個(gè)支架現(xiàn)澆段，全橋設(shè)3對(duì)合攏段。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)及創(chuàng)新

4.1設(shè)計(jì)難題及優(yōu)化

雖然波形鋼腹板組合箱梁橋在我國已得到推廣應(yīng)用，但大跨度連續(xù)梁橋的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)還不夠豐富。由于大跨徑連續(xù)梁懸臂法施工時(shí)，中墩處負(fù)彎矩和剪力均較大，中墩處箱梁混凝土的抗裂、腹板抗剪屈曲和連接件設(shè)計(jì)等成為設(shè)計(jì)難點(diǎn)問題。該橋由于受通航及高壓線限制，箱梁根部梁高偏低（高跨比1/18.8），上述問題更加突出。該橋初步設(shè)計(jì)時(shí)采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法擬定截面尺寸，選擇連接件形式，確定混凝土標(biāo)號(hào)和波形鋼腹板厚度等參數(shù)。傳統(tǒng)的波形鋼腹板組合箱梁下翼緣為混凝土結(jié)構(gòu)，吊掛于梁底，混凝土抗拉性能較差，當(dāng)用于跨中節(jié)段時(shí)，自重偏大，同時(shí)施工復(fù)雜。因此，運(yùn)用組合結(jié)構(gòu)原理，合理發(fā)揮材料的優(yōu)勢(shì)，該橋創(chuàng)造性地在中跨跨中區(qū)段將下翼緣混凝土板替換為抗拉性能較好的鋼板，有效減輕自重，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力并解決底板開裂問題。圖3為優(yōu)化方案示意。

圖3 優(yōu)化方案示意圖（單位：cm）

根據(jù)波形鋼腹板組合梁的空間受力特點(diǎn)，采用桿系有限元模型和實(shí)體精細(xì)有限元模型對(duì)東寶河新安大橋進(jìn)行全過程模擬分析，將原方案和優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1，優(yōu)化效果顯著。

表1 主要指標(biāo)對(duì)比表

對(duì)比原方案與優(yōu)化方案主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，由于在中跨跨中區(qū)段箱梁下翼緣使用鋼板替換原混凝土板，跨中正彎矩區(qū)減輕重量268 t，減輕比例約23%，中墩處最大負(fù)彎矩和最大剪力分別降低24%和19%。創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方案將該橋的設(shè)計(jì)難度大大降低，較好解決了該橋的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。中墩處頂板混凝土應(yīng)力由原設(shè)計(jì)的0.9 MPa拉應(yīng)力改善為1.5 MPa的壓應(yīng)力，解決了該處混凝土的抗裂問題，提高了結(jié)構(gòu)耐久性。中墩處底板混凝土壓應(yīng)力最大值原方案約為18 MPa，接近正常使用極限狀態(tài)下C60混凝土最大壓應(yīng)力允許值（0.5 fck=19.25 MPa），優(yōu)化后為15.1 MPa，可采用C50混凝土。0#塊波形鋼腹板厚度根據(jù)原方案設(shè)計(jì)時(shí)采用34 mm，優(yōu)化后可用28 mm，節(jié)約材料，方便鋼板加工和安裝。波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装宓倪B接件設(shè)計(jì)安全系數(shù)由原方案的1.1提高到1.35。

4.2 模型試驗(yàn)

為檢驗(yàn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案下鋼底板組合梁的承載力和延性，全面考察其安全性，同時(shí)與傳統(tǒng)構(gòu)造形式波形鋼腹板PC組合箱梁的抗彎和抗剪性能進(jìn)行對(duì)比，選取跨中典型節(jié)段進(jìn)行縮尺模型試驗(yàn)（見圖4）。試驗(yàn)縮尺比例取為1∶10，模型節(jié)段長(zhǎng)度取為6 m，縮尺后截面高度為350 mm，高跨比1/17。

圖4 波形鋼腹板組合箱梁模型試驗(yàn)

通過模型試驗(yàn)和數(shù)值分析，結(jié)論如下：（1）鋼底板組合梁能很好地發(fā)揮材料性能，相比傳統(tǒng)截面組合梁具有更高的極限承載力。（2）鋼底板組合梁初始剛度與傳統(tǒng)截面組合梁相當(dāng)，剛度不會(huì)因混凝土開裂而下降，且無需考慮裂縫控制的難題。（3）鋼底板組合梁的截面正應(yīng)變分布與傳統(tǒng)截面組合梁類似：頂板呈一平截面，鋼底板與靠近鋼底板的一小部分腹板呈一平截面，其余部分應(yīng)變幾乎為0。（4）鋼底板組合梁與傳統(tǒng)截面組合梁的剪應(yīng)力均在同一截面不同高度均勻分布。（5）鋼底板組合梁預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)力隨撓度幾乎為線性增長(zhǎng)。采用鋼底板組合梁預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)力增量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)截面組合梁，計(jì)算極限承載力時(shí)可較保守地直接取張拉控制應(yīng)力作為極限狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力。

5 結(jié)語

多年的工程建設(shè)實(shí)踐表明，普通預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋存在兩類工程病害，即梁根部腹板開裂和跨中持續(xù)下?lián)?。究其原因在于箱梁自重?nèi)力占設(shè)計(jì)內(nèi)力比重過大，混凝土腹板抗剪、抗拉強(qiáng)度不足，而波形鋼腹板PC組合箱梁橋用抗剪性能較好的鋼板代替混凝土腹板，并實(shí)現(xiàn)了主梁的輕型化，增大了梁橋的跨越能力，有針對(duì)性地改善了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的上述兩項(xiàng)弊病。同時(shí)，波形鋼板具有剪切屈曲強(qiáng)度高、不抵抗縱向軸向力的特點(diǎn)，提高了預(yù)應(yīng)力的效率；另外，省去了腹板的綁扎鋼筋等復(fù)雜工作，從而方便了施工，縮短了工期，降低了成本[1，2]。

東寶河新安特大橋，在常規(guī)波形鋼腹板箱梁橋的基礎(chǔ)上，將中跨跨中底板采用鋼結(jié)構(gòu)代替混凝土，充分利用材料特性，降低結(jié)構(gòu)自重，降低墩頂負(fù)彎矩和剪力，具有新穎性和創(chuàng)造性。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的創(chuàng)新證明，我國大跨度波形鋼腹板PC組合連續(xù)梁橋具備了設(shè)計(jì)主跨達(dá)到200m的技術(shù)條件和實(shí)施能力，這將是該類橋梁跨徑上的突破。

[1]陳宜言.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社,2009.

[2]劉玉擎，陳艾榮.組合折腹橋梁設(shè)計(jì)模式指南[M].北京：人民交通出版社,2015.

[3]DB 44/T 1393-2014,波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].

[4]DB 41/T 643-2010,公路波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京:人民交通出版社,2005.

U442.5

B

1009-7716（2017）01-0055-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.015

2016-10-10

代亮（1984-），男，安徽阜陽人，碩士，高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)與研究工作。