北京地鐵大興線鋼混結合V形剛構橋的設計構思

王合希，王 冰

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 概況與關鍵邊界條件

本橋是北京地鐵大興線高架段(新宮站—西紅門站區間)的1座重要橋梁，線路在DK4+672.03處跨京開高速公路，與既有京開高速公路交角86°，線路位于R=800 m的平曲線及直線上，線間距4.2 m，線路縱坡為15‰、0‰，豎曲線半徑R=5 000 m。其中既有京開高速橫斷面布置為:20.75 m(綠化帶)+7 m(輔道)+5.25 m(分隔帶)+16 m(主車道)+2 m(中央分隔帶)+16 m(主車道)+5.25 m(分隔帶)+7 m(輔道)+20.75 m(綠化帶)，線路跨越處在立交路口附近，非標準斷面，設計需采用一跨跨過，且本處高架橋下穿高壓線，與高壓線交叉干擾。主橋總體布置見圖1。

圖1 主橋總體布置(單位:m)

2 設計理念與方案構思

面對項目所特有的環境關鍵邊界條件，提出了靠理性技術創新，提高結構利用率，并與邊界條件設計為“合一”的橋梁設計理念。

2.1 設計原則

(1)在滿足安全、實用、耐久性要求的前提下，結構造型應力求簡潔，充分利用當今的新技術，選用經濟合理、施工可行的方案。

(2)充分考慮橋址處的地質、橋下凈空、道路總體規劃拓寬條件，合理布置，力求施工期間對高速公路的影響最小。

(3)充分尊重、認真分析周邊環境，注重城市景觀協調，處理好橋梁與周邊環境的和諧。

2.2 方案構思

(1)主跨跨度要求

由于高架輕軌上跨京開高速公路，要求主跨一孔跨越，輔道及主路的最小凈寬為76.2 m，因此主跨凈跨跨徑需達到80 m以上。

(2)橋下、橋上凈空要求

高架橋主橋上跨京開高速公路，下穿高壓走廊，必須滿足橋下主路最小凈高5.0 m，輔路最小凈高4.5 m的要求。橋下限界及臨時墩布置見圖2。

圖2 橋下限界及臨時墩布置(單位:m)

(3)設計方案比選

設計方案本著尊重各種技術、環境、經濟條件，結合上述主跨跨度，橋下、橋上凈空及施工不能中斷橋下行車等要求，提出了鋼混結合V形剛構、預應力混凝土連續梁、簡支下承式鋼桁梁3種方案，各方案主要優缺點見表1。

表1 各方案主要優缺點

混凝土連續梁具有取材方便、造價低等優點，但存在自重大、工期長、抗裂性差等缺點;鋼桁梁具有自重輕、工期短、塑性好等優點，但存在造價高，抗火性、耐腐蝕性差等缺點;而鋼混組合結構可以充分利用兩種材料優點，彌補各自缺點，實現節約鋼材、發揮混凝土性能、降低造價、施工方便、易于養護等特點，使結構具有全壽命經濟性。再結合橋址處的邊界條件如梁高受到限制、橋下主輔路凈高要求不同等特點，最終推出了(52+85+52)m鋼混結合V形剛構作為主橋的結構體系。

3 結構體系與其關鍵構造設計

3.1 主橋結構體系

主橋結構體系為(52+85+52)m鋼混結合V形剛構，主梁結構由鋼箱梁和鋼筋混凝土橋面板組成，鋼箱梁和混凝土橋面板通過剪力釘結合在一起整體受力。橋墩采用V形鋼結構，箱形斷面。結構體系的選擇主要考慮如下幾個方面。

(1)造型方面:以“V”字形橋墩支撐橋體，結構獨特新穎，造型輕盈舒展，對公路行車視線影響較小，具有較好的視覺通透感。

(2)抗震方面:V形剛構為墩梁固結體系，橋址地震烈度較高，每個V形墩均可分擔地震力的作用，抵抗地震的性能較好。

(3)受力方面:鋼混結合梁自重較混凝土梁輕，可有效減少基礎規模，降低基礎剛度，有利于抗震，鋼混結合結構還可充分利用材料優勢，較之鋼桁梁，可大大減少用鋼量，降低造價。

由于V形墩的采用，使結構兼具梁橋和拱橋的特點，可以有效減小梁體計算跨徑，降低主梁彎矩，減小上部結構高度，降低工程造價。V形腿夾角的大小對結構的受力特性有重要影響，夾角越大，結構的拱效應越明顯，墩底水平力和彎矩越大，而梁體的實際跨度則會越小。本橋因受橋下凈空及限界的限制，為盡量減小梁體高度，最終采用夾角為64°。

3.2 主梁斷面形式

鋼箱梁為栓焊結合形式的單箱單室斜腹板變截面梁，邊跨及跨中處梁高1.8 m，中支點處逐漸變至3.2 mm。鋼箱梁頂寬5.2 m，頂板厚度變化為20～28～36 mm。腹板厚16 mm，中支點兩側40 m范圍內腹板加厚至24 mm，腹板傾角全橋保持不變。底板厚度變化為28～36～44 mm，采用圓曲線過渡。鋼箱梁橫隔板采用板式斷面，全橋每隔3 m設置1道，豎向加勁肋位于腹板內側，每隔1 m設置。鋼箱梁主體結構采用 Q345qD鋼材，板厚≥35 mm時采用 Q370qE鋼材。

鋼筋混凝土橋面板支承在鋼箱梁上，頂寬9.0 m，板厚38 cm，C50混凝土，采用分段預制，現場濕接縫連接的形式。預制橋面板標準構件尺寸為9 m×2.5 m，吊重約190 kN，對應于剪力釘的位置設置剪力釘槽。標準濕接縫尺寸為9.0 m×0.5 m。鋼箱與混凝土橋面板之間剪力連接件采用φ22 mm柔性栓釘，剪力釘除在部分橋面板濕接縫處在工地焊接外，其余均為工廠焊接。主梁橫斷面見圖3。

圖3 主橋主梁橫斷面(單位:mm)

3.3 關鍵構造設計

(1)橋面板設計

計算中考慮了有效寬度折減，橋面板有效寬度在中支點附近由全截面9.0 m折減到8.5 m，由于計算假定受拉區混凝土板不參加工作，僅計入有效寬度范圍內的縱向受拉鋼筋，為了降低橋面板中支點負彎矩區的混凝土拉應力，并限制負彎矩區混凝土裂縫寬度，提高結構的安全及耐久性，橋面板設計采用預應力與高配筋相結合的形式。在中墩負彎矩區縱向預應力筋采用18束7-7φ5高強度低松弛鋼絞線，普通鋼筋也由標準段的 φ28@12.5 cm單根一束，加強到 φ25@12.5 cm兩根一束。濕接縫處順橋向鋼筋采用扣環搭接，順橋向鋼筋伸出預制板部分設計為環形，環形鋼筋成型采用雙面焊接。

采用V形墩，橋墩的剛度相對較大，因此對于溫度、收縮徐變等縱向力非常敏感，為減少混凝土收縮徐變對結構的不利影響，改善墩底受力狀態，要求預制板存放時間宜不少于6個月，同時要求剪力釘槽和濕接縫處采用C50微膨脹混凝土。為保證預制板與鋼梁頂緣密貼，兩者間鋪墊1層環氧樹脂砂漿，另在鋼混接觸面外緣根據頂板板厚的不同，粘貼寬50 mm、厚26、18、10 mm的橡膠帶，一防砂漿外溢，二防水汽進入銹蝕鋼梁。

(2)主梁與V形支承連接設計

V形支承單肢采用整體性能好、抗扭剛度大的單箱單室箱形斷面，橫橋向采用3.1 m的等寬截面，兩個V形腿夾角64°，板厚采用32 mm，鋼箱內側采用厚12 mm的開口加勁肋，高150 mm，間距300 mm。支承內部每隔1.0 m設1道16 mm厚的橫隔板。

為了加快施工進度及操作方便，V形腿上部與主梁0號梁段采用高強螺栓栓接。由于主梁為斜腹板形式，墩梁連接部位構造復雜，為了保證結構受力的整體性，將拼接縫設在V形腿等寬部位，避開了墩梁連接漸變段，V形腿上部側板與斜腹板采用1塊鋼板整體彎折，工廠焊接成形，既保證了焊接質量，又大大降低了現場施工的難度。V形腿與0號梁段連接位置見圖4。

(3)V形支承與基座的連接設計

V形鋼支承下部嵌入混凝土基座，嵌入深度2.0 m。V形鋼支承與混凝土基座之間采用PBL剪力鍵進行連接。V形腿箱壁與混凝土接觸的部位布置φ22 mm的剪力釘、φ60 mm的過筋孔及箱內穿過的φ20 mm鋼筋和基座混凝土共同形成PBL剪力鍵，實現鋼混結合段的可靠連接。主梁的荷載主要通過V腿的PBL剪力鍵和底座逐步傳遞于下部結構。鋼混結合段構造見圖4。

圖4 V腿及鋼混結合段構造(單位:mm)

4 施工方案及關鍵施工技術

4.1 總體施工方案

根據橋址處的地形、交通環境，V形剛構主橋的總體施工方案可簡要概述為:基礎施工→V腿吊裝→大節段吊裝鋼箱→橋面板安裝。施工臨時墩布置見圖2。

4.2 關鍵施工技術

(1)V形腿安裝技術

主橋墩身由混凝土基座和V形鋼腿結合而成，V形鋼腿在工廠焊接成形后運輸至現場，吊裝到位后采用臨時鋼支承將其定位，再綁扎底座鋼筋;并澆筑底座混凝土。

(2)鋼箱梁吊裝技術

全橋鋼箱梁根據長度、平曲線類型等不同劃分為G1～G9共9個梁段，最長梁段長33 m，最大吊裝質量242.4 t。本橋在盡量減少對京開高速公路運營影響的前提下，設置8處臨時墩，鋼箱梁每個梁段在工廠焊接成型，運送至現場，通過500 t汽車吊將梁段架上臨時墩，調整并定位，并在工地進行連接，各節段腹板、底板之間采用高強螺栓連接，頂板之間采用現場焊接。

(3)橋面板吊裝工序

本橋橋面板的吊裝在鋼箱梁完全合龍后進行。預制橋面板采用間斷安裝法，順序為先跨中后支點，以此改善結構尤其是墩頂負彎矩區橋面板的受力狀態。先吊裝正彎矩區段橋面板混凝土，綁扎濕接縫鋼筋，再拆除臨時墩，澆筑濕接縫及剪力槽混凝土，然后進行負彎矩區段橋面板的施工，張拉并錨固該區段縱向預應力。采用這種施工順序，操作方便，簡單可行，可有效的改善了橋面板混凝土的受力狀態，達到調整內力的目的。

5 結語

(1)結合橋下凈空要求不同的特點，提出了V形剛構橋的設計構思，既減小了橋梁跨度，降低梁高，又大大提高了橋梁的縱向剛度。本設計對于橋下、橋上凈空受到限制的同類工程具有借鑒意義。

(2)采用鋼-混結合技術，充分發揮各自的材料特點，可以使結構設計、施工、維修更趨合理，并具有全壽命經濟性。

(3)大節段設計、制造、運輸、吊裝技術，既提高了工程質量的可靠性，又大大縮短了現場作業時間，降低了施工對橋下交通的影響。

(4)本橋在關鍵部位的處理及施工方案的優化方面，在借鑒其他同類橋梁成功的基礎上，精心設計，使問題得到很好的解決。

［1］中華人民共和國建設部.GB 50157—2003 地鐵設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］中華人民共和國建設部.GB 50017—2003 鋼結構設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［5］中華人民共和國鐵道部.TBJ24—89 鐵路結合梁設計規定［S］.北京:中國鐵道出版社，1989.

［6］黃喬.橋梁鋼-混凝土組合結構設計原理［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［7］朱聘儒.鋼-混凝土組合梁設計原理［M］.北京:中國建筑工業出版社，1989.

［8］胡建華，侯文崎，葉梅新.PBL剪力鍵承載力影響因素和計算公式研究［J］.鐵道科學與工程學報，2007(6).