摘要 針對某城市工程項(xiàng)目中一條城市Ⅰ級主干道的快速化改造，文章通過工程概述、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、剪力連接件設(shè)計(jì)、耐久性設(shè)計(jì)及施工過程中的內(nèi)力計(jì)算，詳細(xì)分析了選用簡支鋼混組合梁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的全過程，明確了該橋梁在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及耐久性等方面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)措施。結(jié)果表明，該工程項(xiàng)目在安全性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性方面均達(dá)到了預(yù)期效果，可為類似工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供寶貴的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 鋼混組合橋梁；施工設(shè)計(jì)；技術(shù)案例

中圖分類號 U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0088-03

0 引言

在城市道路交通日益繁忙的今天，城市主干道的快速化改造已成為提升路網(wǎng)結(jié)構(gòu)性和運(yùn)行效率的重要舉措。簡支鋼混組合梁橋作為一種兼具高抗壓和優(yōu)秀抗拉性能的新型橋梁結(jié)構(gòu)，憑借其結(jié)構(gòu)優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)性，逐漸受到工程界的關(guān)注與應(yīng)用。該文通過具體工程案例，深入探討了簡支鋼混組合橋梁的施工設(shè)計(jì)與技術(shù)，旨在為后續(xù)相關(guān)工程提供參考。

1 工程概述

某城市工程項(xiàng)目擬對一條城市Ⅰ級主干道進(jìn)行快速化改造，目的在于提高特定區(qū)域路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)性及運(yùn)行效率，同時減輕南北向交通走廊的交通負(fù)荷。改造道路延伸距離約為6.92 km，路面寬度在40～85 m之間。在改造路段，該主干道被設(shè)計(jì)為雙向六車道，以滿足高效的車流量需求。此外，主線的設(shè)計(jì)車速定為60 km/h，而輔助車道與匝道的設(shè)計(jì)車速則為30 km/h。通過對施工、景觀和經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮，最后選定為簡支鋼混組合梁橋結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)：采用城-A級汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)。

（2）抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：按照7°抗震設(shè)防，采用最大地震反應(yīng)系數(shù)0.10 g進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)等級為B級。

（3）耐久性與環(huán)保性能：混凝土結(jié)構(gòu)依據(jù)二級環(huán)保要求設(shè)計(jì)。

（4）安全性與承載力：橋梁設(shè)計(jì)安全性評定為一類，確保在長期使用條件下能夠承受最大荷載，重要性系數(shù)為1.1。

（5）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：初步設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)期為100年。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該工程應(yīng)用簡支鋼混組合箱梁的設(shè)計(jì)方案，主要包含主跨38 m的兩條單箱單室組合箱梁，寬度變化范圍為9.545～17.183 m。鋼箱梁在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的角色至關(guān)重要，其底緣寬度的范圍為2.321～5.012 m，且相鄰兩根梁的間距為1.138～3.933 m不等。在設(shè)計(jì)中規(guī)定，鋼箱梁的總高度在梁中心線處為1.8 m，而鋼箱梁本身具有1.35 m的梁高，每個腹板上配置寬度為0.8 m的上翼板。此外，在橋面板處采用焊接鋼板作為現(xiàn)澆底模，通過槽鋼增強(qiáng)底模的結(jié)構(gòu)剛度。此設(shè)計(jì)不僅強(qiáng)調(diào)了鋼材與混凝土材料的組合優(yōu)勢，還確保了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與耐久性（如圖1～2所示）。

2.1 設(shè)計(jì)限值

鋼混組合箱梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定等的設(shè)計(jì)限值，依據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTG/T

D64-01—2015）和《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，如表1所示：

2.2 鋼筋混凝土橋面板設(shè)計(jì)

在鋼混組合橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，混凝土橋面板不僅是組合截面的組成部分，還獨(dú)立參與承受交通荷載。橋面板設(shè)計(jì)需同時考慮組合結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能與交通荷載所導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力[1]。該項(xiàng)目中使用C50標(biāo)號混凝土并設(shè)計(jì)了縱向鋼筋d14，間距為100 mm；橫向鋼筋根據(jù)力學(xué)性能計(jì)算，配置為d16，間隔同樣為100 mm。中部構(gòu)件的板厚為240 mm，而在主梁連接處設(shè)計(jì)成倒梯形支托，厚度為320 mm，斜度按1：3比例設(shè)定。同時，橋面板被分為三塊預(yù)制，濕接縫寬度為0.5 m，順橋向的預(yù)制板標(biāo)準(zhǔn)長度為3.6 m，以確保施工的便捷性和整體受力的均勻性。此外，利用20 mm厚的壓縮性墊條布設(shè)在槽形鋼梁構(gòu)件的翼緣板及剪力釘群預(yù)留區(qū)，以保證橋面板與上層鋼結(jié)構(gòu)的緊密結(jié)合，提升橋面板的整體性能。

2.3 橋面連續(xù)設(shè)計(jì)

在簡支鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)中，充分利用混凝土的高抗壓特性與鋼材的高抗拉能力，但橋面橫向伸縮縫引起的行車不平順性需要特別關(guān)注。相比連續(xù)梁，簡支梁設(shè)計(jì)避免了頂板混凝土受拉和鋼底板受壓的局部失穩(wěn)問題，同時也解決了簡支梁橋橋面不連續(xù)造成的不利影響[2]。該工程優(yōu)化了預(yù)制梁端處的橋面板制造，預(yù)留了縱向主筋作為預(yù)埋鋼筋接頭，使相鄰主梁架設(shè)完成后形成預(yù)留槽口，并在槽底鋪設(shè)聚乙烯泡沫板作為非黏結(jié)層，確保預(yù)留槽的穩(wěn)固性和有效連接[3]。最終，采用C50補(bǔ)償收縮混凝土對預(yù)留槽進(jìn)行填充澆筑，實(shí)現(xiàn)橋面的連續(xù)性構(gòu)造。這樣的方法不僅提升了橋梁結(jié)構(gòu)整體的連續(xù)性和受力性能，也確保了橋面在活載條件下的平順與耐久。

2.4 剪力連接件設(shè)計(jì)

在鋼混組合橋梁結(jié)構(gòu)中，剪力連接件的設(shè)計(jì)是確?；炷翗蛎姘迮c鋼梁之間力學(xué)聯(lián)結(jié)的關(guān)鍵因素，可實(shí)現(xiàn)兩種材料在受載作用下的協(xié)同工作。該項(xiàng)目采用預(yù)制橋面板，并在其設(shè)計(jì)中選擇D19×200的圓柱頭焊釘作為主要的剪力連接件。這些焊釘通過精準(zhǔn)計(jì)算和設(shè)計(jì)，采用集束式布置，每個釘間中心距為100 mm。這種布置方式不僅優(yōu)化了剪力釘?shù)恼w性能和傳力效率，還能有效利用群釘效應(yīng)，提升了剪力釘在承載過程中的穩(wěn)定性和耐久性。經(jīng)過深入分析后，將剪力釘設(shè)置在結(jié)構(gòu)跨的中部位置，進(jìn)一步優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的承載性能，有助于均勻分散負(fù)載；而在橫向隔板上則不設(shè)置剪力釘，以減少材料的冗余，提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和施工的便捷性。此外，通過預(yù)留孔洞實(shí)現(xiàn)剪力釘與橋面板的連接設(shè)計(jì)，將橋面板的安裝和整體復(fù)合受力性能提升至最佳狀態(tài)，從而保證橋梁在使用壽命內(nèi)的安全性和穩(wěn)定性[4]。

2.5 耐久性設(shè)計(jì)

為保障橋梁結(jié)構(gòu)長期暴露在大氣環(huán)境中而不受腐蝕的侵害，鋼結(jié)構(gòu)部分必須經(jīng)過嚴(yán)格的防腐蝕涂料處理。這一過程首先涉及采用噴砂或拋光技術(shù)進(jìn)行徹底除銹，以確保鋼材表面達(dá)到清潔和粗糙度要求。通常，噴砂或拋光后的表面清潔度應(yīng)符合Sa2.5級或St3級標(biāo)準(zhǔn)，同時保持表面粗糙度在55～80 μm之間。除銹完畢并驗(yàn)收合格的鋼材表面應(yīng)在3 h內(nèi)進(jìn)行防腐處理，以防止二次氧化。防腐蝕涂層通常包括底漆、中間漆及面漆等多層系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過選擇適宜的防腐蝕材料和工藝，確保涂層具有良好的附著力和耐久性。在不同環(huán)境條件下，需要根據(jù)具體要求選用耐候性強(qiáng)、抗紫外線性能優(yōu)良的涂料，以延長橋梁的服役年限，減少維護(hù)成本。針對鋼箱梁的防腐策略具體如下：

（1）對于鋼箱梁上翼板與鋼結(jié)構(gòu)模板頂面，使用冷噴鋅工藝形成防護(hù)層，厚度為80 μm。

（2）對鋼箱梁的外部表面實(shí)施三層涂裝系統(tǒng)，底層為80 μm的冷噴鋅涂層，中間添加120 μm厚的封閉性冷噴鋅中間漆，最外層覆蓋120 μm厚的氟碳面漆，以增強(qiáng)其耐候性。

（3）針對鋼箱梁內(nèi)部主體及內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)模板的底面，同樣施加80 μm厚的冷噴鋅涂層，以保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)免受腐蝕。

對于高強(qiáng)度螺栓連接，首先需對摩擦面進(jìn)行深度清理至Sa3.0級別，施加熱噴涂鋁處理（厚度范圍為180±40 μm），確保螺栓在出廠及安裝后具有不低于0.55及0.45的表面抗滑移系數(shù)。在螺栓擰緊完成后，應(yīng)對接觸部分進(jìn)行徹底清潔后通過機(jī)械打磨至St3級。然后，在露出的螺栓、螺母和墊圈上涂布一層（干燥薄膜厚度為80 μm）環(huán)氧-富鋅底漆，再涂裝兩層（各80 μm）環(huán)氧樹脂中間漆，最終覆蓋兩層氟碳面漆（各40 μm的干燥薄膜），以提高其耐氣候性能和抗腐蝕性[5]。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 施工過程

在對鋼混組合橋梁進(jìn)行時，應(yīng)考慮施工階段對結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的影響。因此，在施工前必須明確鋼混組合橋梁的施工流程：

（1）首先進(jìn)行基礎(chǔ)及支柱結(jié)構(gòu)的施工，并安裝臨時支架。

（2）鋼構(gòu)件由鋼結(jié)構(gòu)廠家制造加工，而橋面預(yù)制板則在現(xiàn)場制備。

（3）在工地上，組裝鋼梁與預(yù)制橋面板，形成組合梁結(jié)構(gòu)，并架設(shè)主梁完成整個跨度。

（4）安裝連接箱梁的外側(cè)橫向隔板及端部橫梁。

（5）執(zhí)行橫向濕式接縫工程，并實(shí)現(xiàn)橋面結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。

（6）實(shí)施路面鋪裝及安裝護(hù)欄。

3.2 荷載取值

（1）二期恒載：由路面及避碰欄桿的自重組成。這個階段的恒載主要影響橋梁的垂直變形和內(nèi)力分布。

（2）其他恒載，包括在樞軸處設(shè)置的橫隔板、鋼模板和澆筑混凝土。這些恒載需要綜合考慮，并在設(shè)計(jì)中詳細(xì)計(jì)算，以確保施工過程中橋梁的穩(wěn)定性和承載能力。

（3）汽車荷載：根據(jù)城-A級車道標(biāo)準(zhǔn)施加機(jī)動車道所需的荷載。

（4）整體升降溫：對于簡支構(gòu)造，整體的溫度變化通常不會產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)影響，但在組合結(jié)構(gòu)中，這種現(xiàn)象將會比較顯著。在該工程中，整體的溫度變化將通過將相應(yīng)的膨脹系數(shù)轉(zhuǎn)換為等效單一材料的溫度差影響進(jìn)行計(jì)算。

考慮收縮效應(yīng)，將其視為等效的虛擬荷載進(jìn)行分析：

（1）

式中，——從換算截面的形心到橋面板形心的距離（mm）；——收縮的最終應(yīng)變值（%）；——材料的溫度膨脹系數(shù)，其中鋼材的膨脹系數(shù)為

1.2×10-5，混凝土的膨脹系數(shù)為1.0×10-5；——溫度變化差值（℃）。

當(dāng)整體環(huán)境溫度發(fā)生30℃的升降變化時，其等效溫差計(jì)算結(jié)果為6℃。

3.3 梯度溫度

根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》相關(guān)要求，日照引起的溫度梯度效應(yīng)應(yīng)采用推薦的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。對于橋面鋪裝厚度為7 cm的情況，對應(yīng)的溫度變化值依據(jù)該規(guī)范設(shè)定，升溫為17.6℃、降溫為6.22℃。這些溫度梯度的變化將影響橋梁上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，應(yīng)在設(shè)計(jì)中充分考慮。

3.4 收縮徐變

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）附錄C的指引，收縮和徐變的計(jì)算應(yīng)考慮組合后對整體組合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，重點(diǎn)分析那些對橋梁整體結(jié)構(gòu)性能有顯著影響的因素，確保設(shè)計(jì)中充分考慮這些長期變形帶來的附加應(yīng)力及結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 強(qiáng)度驗(yàn)算

由圖3可知，在基本的結(jié)構(gòu)組合情況下，槽梁的上邊緣所承受的最大壓應(yīng)力為113 MPa，而其下邊緣的最大拉應(yīng)力達(dá)到173 MPa，均低于規(guī)定的極限應(yīng)力值

270 MPa，表明該結(jié)構(gòu)配置符合相關(guān)工程規(guī)范的安全標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 剛度驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中7.6條規(guī)定，在試驗(yàn)過程中，需要對簡支結(jié)合橋梁的撓度進(jìn)行驗(yàn)算，并按現(xiàn)行規(guī)范中提出的計(jì)算方法對其進(jìn)行折減。該結(jié)構(gòu)在跨度中部處的最大活載位移為17 mm，遠(yuǎn)低于64 mm的容許最大位移L/500，因此可以確定其剛性滿足有關(guān)規(guī)程的規(guī)定。另外，該項(xiàng)目采用簡支裝配式復(fù)合鋼板的混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示：

表2 剛度驗(yàn)算結(jié)果

類型 簡支組合梁

最大跨徑/m 32

混凝土指標(biāo)/（kN/m） 0.26

鋼材指標(biāo)/（kg/m） Q345qD 180.8

鋼筋 70.8

組合梁吊裝重量/kg 150.0

5 結(jié)語

綜上所述，該項(xiàng)目綜合考慮了經(jīng)濟(jì)性、施工便利性及結(jié)構(gòu)耐久性，通過采用簡支鋼混組合橋梁結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的力學(xué)特點(diǎn)，一系列精細(xì)化設(shè)計(jì)和施工措施如剪力連接件的配置、橋面連續(xù)設(shè)計(jì)及鋼結(jié)構(gòu)的防腐處理，確保了整個工程的安全性和耐久性。通過翔實(shí)的施工和結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性與規(guī)范性，為類似工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供了有益的參考和借鑒。

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