無錫市盛新大橋鋼-混凝土混合連續(xù)梁橋設計與施工

齊 新

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

1 工程概況

盛新大橋是規(guī)劃次干路建樂路跨越運河的節(jié)點。盛新大橋的建設，增加跨越無錫市三大水系之一的京杭大運河的通道，溝通無錫市中心城區(qū)及住宅區(qū)湖濱區(qū)，促進無錫市經(jīng)濟的發(fā)展、完善區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分流太湖大道交通量。

盛新大橋主橋方案為鋼－混凝土混合連續(xù)梁橋。引橋采用分幅預應力混凝土連續(xù)梁橋。

2 主要技術(shù)標準

（1）建樂路為城市次干路，計算行車速度為40 km/h。

（2）設計荷載等級：城－A級 。

（3）橋面寬度：雙向六車道的車行道單側(cè)寬11 m，中央分隔帶寬0.5m，人非共板寬4.75 m（包括欄桿），全橋?qū)?2 m。

（4）運河東路、運河西路凈空高度不小于4.5m。

（5）運河為三級航道，最高通航水位2.81 m，通航孔寬90 m，凈高7 m。

3 主橋總體設計

主橋跨徑布置為（63.5+121+63.5）m。橋梁與河道斜交23.17°，主墩和邊墩分別順河和順路方向布置。

橋位西岸有居民小區(qū)，橋梁需要在小區(qū)出入口前盡快落地。根據(jù)道路平面和縱斷面線形，為了使接坡道路盡早落地和滿足通航凈空和地面橫向道路凈空要求，必須采取措施降低主橋的梁高。為了減輕上部結(jié)構(gòu)重量以達到降低主梁高度的目的，中跨跨中54 m長一段設計為鋼結(jié)構(gòu)箱梁。

鋼箱梁與混凝土箱梁通過鋼-混凝土結(jié)合段固結(jié)在一起，形成三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)。因為鋼結(jié)構(gòu)大大輕于預應力混凝土結(jié)構(gòu)，所以中支點主梁剪力和彎矩都降低很多，從而可以降低主梁梁高。

本橋中支點主梁高度降為5.6 m，比同跨度的預應力混凝土連續(xù)梁橋降低約2 m。達到了橋梁盡快落地的目的，解決了工程難題。中跨中和梁端梁高降為2.5 m。

該橋型結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良、安全適用、造價合理。因為梁高低，橋型很輕盈，景觀效果較好。

橋梁與河道中心斜交，結(jié)合建設單位的墩身順河向布置景觀效果好的意見，墩身斜向布置。這增加了設計難度，橋梁設計計算采用空間有限元模型，定量分析斜交對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、支座反力的影響，避免盲目加大安全儲備而造成不必要的工程浪費。

鋼-混凝土接頭位置的確定首先從結(jié)構(gòu)受力上考慮，確定在彎矩最小的位置，即1/4跨附近。鋼箱梁長度的確定還考慮到滿足制造、運輸和起吊條件和能力。

主梁預應力混凝土部分的施工與一般預應力混凝土連續(xù)梁橋無異。中跨鋼結(jié)構(gòu)箱梁的安裝工藝在現(xiàn)有施工水平下也是成熟的，整個連續(xù)梁橋施工工期比同跨徑的一般預應力混凝土連續(xù)梁橋要短。

無錫市建樂路工程橋梁建筑高度低，解決了工程對結(jié)構(gòu)的要求。低高度的梁高使得該橋輕巧美觀，而且因為梁高低，減少了引橋長度，進一步降低了整個工程的造價。該橋主橋經(jīng)濟指標低，與同規(guī)模連續(xù)梁橋相當，不僅結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良，同時也是一座經(jīng)濟的橋梁。

混合連續(xù)梁橋總體布置見圖1，建成后橋梁照片見圖2。

4 主梁構(gòu)造設計

本橋梁方案結(jié)構(gòu)采用三跨連續(xù)體系，一個主墩設縱向固定支座，一個主墩設縱向活動支座，邊墩支座均為縱向活動。中墩和邊墩橫橋向設置限位構(gòu)造。

圖1 混合連續(xù)梁橋總體布置圖（單位：cm）

圖2 建成后橋梁照片

本橋分上下行兩幅橋布置，單幅橋?qū)?6 m，每幅橋采用單箱單室結(jié)構(gòu)。主梁下緣曲線采用二次拋物線。混凝土箱梁截面兩側(cè)懸臂長為3.75m，懸臂端部高0.22m，懸臂根部梁高0.6m。混凝土箱梁頂板厚0.30m，支點處加厚至0.6m；底板厚0.3 m，支點處加厚至0.8 m；腹板厚度由跨中0.45 m向支點加厚至0.9 m。

為了施工方便同時兼顧主梁景觀，主橋主梁0#節(jié)段斜做，1＃段漸變由斜變正，在節(jié)段端部擺正，2＃及以后節(jié)段正做。

混凝土箱梁采用三向預應力體系。縱、橫向預應力鋼束采用φs15.2高強度低松弛鋼絞線。豎向預應力φ32精軋螺紋鋼筋。混凝土強度等級為C55。

混凝土箱梁構(gòu)造見圖3。

中跨鋼結(jié)構(gòu)箱梁采用單箱單室截面，外形與混凝土箱梁一致，梁高變化也與混凝土箱梁在同一條拋物線上，面漆顏色也盡量與混凝土箱梁接近。使鋼箱梁與整個混合連續(xù)梁渾然一體。

鋼箱梁頂板厚16 mm，底板20～25 mm，腹板14～16mm。頂板按正交異性板設計，縱向布置U形加勁肋，間距600 mm，頂板橫梁間距即U形加勁肋的跨徑2.5m，腹板布置有豎向加勁肋和水平加勁肋，底板布置縱向加勁肋和橫向加勁肋（見圖4）。

5 鋼－混凝土接頭設計

鋼－混凝土接頭是全橋受力的關(guān)鍵部位，也是設計考慮的重點。

鋼-混凝土接頭的設計目標為連接可靠、傳力有效、構(gòu)造簡單、方便施工。

鋼-混凝土接頭的設計思路是：鋼結(jié)構(gòu)可以承受拉力和壓力，而混凝土結(jié)構(gòu)不允許出現(xiàn)拉應力。所以要用預應力鋼束將接頭兩側(cè)的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)緊緊壓在一起，在它們的結(jié)合面上儲備較高的壓力。使接頭處，特別是結(jié)合面上，在短期效應組合下能滿足抗裂要求。所以，布置在接頭頂板、腹板和底板的預應力鋼束需要穿過結(jié)合面鋼墊板而分別錨固在鋼結(jié)構(gòu)一側(cè)的頂板、腹板和底板上。如果僅僅錨固在結(jié)合面鋼墊板上，鋼束產(chǎn)生的壓力得不到擴散到整個結(jié)合面，并且鋼墊板在主梁彎矩作用下會在面外產(chǎn)生局部彎矩。

鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造見圖5。

圖3 混凝土箱梁構(gòu)造圖（單位：cm）

圖4 鋼箱梁構(gòu)造圖（單位：mm）

圖5 鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造圖（單位：mm）

設計中吸收類似工程的經(jīng)驗，采用科研中取得的新技術(shù)、新成果。在鋼－混凝土混合結(jié)構(gòu)中，要保證鋼和混凝土這兩種彈性模量相差很大的材料能夠協(xié)調(diào)共同工作，必須設置能有效傳遞交界面處剪力的構(gòu)件。混合梁中鋼梁與混凝土梁的連接方式我國和日本等國都有較多研究[1][2][3]。

日本新川橋為鋼梁與混凝土梁的混合結(jié)構(gòu),首次在接合部中使用新型PBL剪力鍵。PBL剪力鍵由帶孔鋼板組成，在孔內(nèi)灌注混凝土，在其成型后靠形成的一系列混凝土榫來抵抗剪力，孔內(nèi)可配置鋼筋也可以不配置鋼筋。研究表明：PBL剪力鍵在荷載作用下初始剛度比傳統(tǒng)剪力鍵栓釘要大，在接近極限荷載時，PBL剪力鍵滑移發(fā)展較快，具有較好的延性；其抗剪承載力比栓釘大，并且破壞時卸載較慢，破壞時更有利于荷載的重分布。

本橋經(jīng)比較分析，剪力鍵選用新型PBL剪力鍵。通過將鋼箱梁端部的頂板、底板和腹板做成雙壁板，使填充的混凝土與緊鄰的混凝土箱梁的頂板、底板和腹板通過PBL剪力鍵、預應力鋼筋和普通鋼筋等得到很好的連接，并保證接頭部位在正負彎矩下有一定壓應力儲備。

PBL板的擺放方向與受剪力方向一致，腹板上的豎向布置，頂、底板上的順橋向布置。PBL板上開有傳遞剪力的大圓孔，孔內(nèi)穿鋼筋。為了加強雙壁之間的聯(lián)系，PBL板上還開有小圓孔布置對拉鋼筋。腹板的PBL板與混凝土梁腹板縱向鋼筋垂直，在PBL板靠近雙壁板處開間距150 mm的圓孔，使普通鋼筋能伸入鋼-混凝土結(jié)合段內(nèi)，見圖6。

圖6 腹板PBL構(gòu)造圖（單位：mm）

鋼-混凝土接頭節(jié)段全長4 m，其中鋼結(jié)構(gòu)部分長3.2 m，混凝土部分長0.8 m，鋼結(jié)構(gòu)部分以鋼墊板為界分前后兩部分，靠近混凝土梁部分為雙壁結(jié)構(gòu)，長1.7 m，內(nèi)部澆注混凝土；靠近鋼箱梁部分長1.5 m，為全鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

在鋼束布置上，通過鋼-混凝土接頭的頂板束和腹板束均為長束，底板束為短束。

混凝土箱梁的剛度大，鋼結(jié)構(gòu)箱梁的剛度小，鋼-混凝土接頭需要兼顧剛度的平順過渡，主要構(gòu)造措施為鋼箱梁的頂板、腹板等的厚度適當增加和設置高度高、間距密的加勁肋來進行剛度的過渡。

鋼結(jié)構(gòu)設計還要確保所有部位都具有能進行焊接、涂裝等操作的空間；對于現(xiàn)場，要具有能比較方便地安裝預應力管道、綁扎普通鋼筋、澆注和振搗混凝土、張拉預應力鋼束等操作的條件。沒有好的操作條件，就不能確保施工質(zhì)量。經(jīng)過施工的檢驗證明本橋鋼-混凝土接頭的構(gòu)造設計是很成功的。僅在現(xiàn)場安裝時對其中一塊腹板豎向加勁板的構(gòu)造進行了調(diào)整。另外實際施工時發(fā)現(xiàn)頂板所開的澆注混凝土時用的冒漿孔數(shù)量偏少，現(xiàn)場根據(jù)需要增加了。其他部位未作任何設計變更。

鋼-混凝土結(jié)合段接鋼梁一端的腹板仍保留雙壁構(gòu)造，這是因現(xiàn)場安裝的需要。內(nèi)腹板采用高強螺栓連接，當鋼梁吊裝就位后，首先施擰高強螺栓連接固定。在內(nèi)腹板的高度中間位置開有人孔，提供施擰螺栓和以后焊接的作業(yè)通道，見圖7。

圖7 工地臨時連接內(nèi)腹板構(gòu)造圖（單位：mm）

6 橋墩及基礎設計

為了縮短主跨跨徑，主墩承臺盡量靠近駁岸線，采用墩身斜交、與河岸平行的設計方案。

主墩基礎采用鉆孔灌注樁，每個主墩基礎16根，樁徑150 cm，樁長約70 m，持力層為12層——黃色粉質(zhì)粘土。邊墩基礎每邊采用12根樁徑120 cm鉆孔灌注樁，樁長約60 m。主墩單幅承臺平面尺寸為中墩承臺長8.5 m，寬12.5 m，厚度3.5 m；邊承臺長5.45 m，寬8.7 m，厚度2.2 m。主墩及邊墩承臺均放在岸上。

7 結(jié)構(gòu)靜力分析

為了準確計算橋梁結(jié)構(gòu)的總體和局部受力和變形情況，建立了平面梁單元總體模型、空間實體和板單元總體模型、鋼-混凝土結(jié)合段局部板單元模型進行分析。

橋梁計算按橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)行規(guī)范的要求進行，主要包括：橋梁結(jié)構(gòu)的一期恒載、二期恒載、汽車、人群、均勻溫差、橋面板溫差、沉降等多項荷載，并按規(guī)范進行組合。部分模型和計算結(jié)果見圖8～圖12。

圖8 梁單元有限元計算離散模型圖

圖9 正常使用荷載短期組合效應混凝土主梁上緣正應力圖（單位：MPa）

圖10 正常使用荷載短期組合效應混凝土主梁下緣正應力圖（單位：MPa）

圖11 正常使用荷載標準組合效應鋼箱梁上緣正應力圖（單位：MPa）

圖12 正常使用荷載標準組合效應鋼箱梁下緣正應力圖（單位：MPa）

橋上車道荷載和人群荷載作用時，中跨跨中撓度為向下101 mm，向上37 mm，δ/L為1/833。小于計算跨徑的1/600（見圖13）。

圖13 活載下主梁撓度圖（單位：m）

經(jīng)計算分析，混合連續(xù)梁橋靜力性能優(yōu)良，主梁承載力驗算、抗裂驗算、橋梁各結(jié)構(gòu)部分應力驗算、主梁剛度驗算均滿足規(guī)范要求。

8 主橋施工方案

從安裝方面考慮，鋼箱梁施工可有多種方案。第一方案是大節(jié)段懸臂拼裝，即54 m長的鋼箱梁分5～7個節(jié)段分次吊裝；第二方案是整段吊裝；第三方案為先在已施工好的混凝土梁（引橋或主橋）上拼裝成整段鋼梁，再結(jié)合河中施工船舶拖拉到位安裝（見圖 14、圖 15）。

最終沿河及附近鋼結(jié)構(gòu)加工廠調(diào)研，并結(jié)合施工風險、工程質(zhì)量控制等因素，確定采用第二方案。

圖14 吊裝鋼-混凝土結(jié)合段

圖15 吊裝第一個跨中鋼梁

混凝土主梁1～7#節(jié)段掛籃懸臂澆注施工。邊跨現(xiàn)澆段采用支架法現(xiàn)澆，先合攏邊跨。中跨鋼結(jié)構(gòu)箱梁采用整體運輸?shù)綐蛭唬跹b就位后通過臨時連接構(gòu)造與鋼-混凝土結(jié)合段的鋼結(jié)構(gòu)部分連接好，然后可以恢復通航，進行鋼箱梁頂、底、腹板的對接焊接工作。

混合連續(xù)梁施工順序見圖16。

圖16 混合連續(xù)梁橋施工順序圖

9 結(jié)論

（1）混凝土-鋼混合連續(xù)梁橋是一種降低主梁重量、增加跨越能力、降低主梁高度的一種過渡橋型。它具有減少梁體彎矩和剪力、降低梁高、減少梁重及基礎工程量的優(yōu)點；同時施工速度較快。在梁高有限制、城市跨線橋受施工條件的限制或者為了加快施工速度等情況下，是較適用的橋型。

（2）鋼-混凝土接頭位置需要根據(jù)內(nèi)力、加工、運輸、現(xiàn)場架設條件等確定。

（3）鋼-混凝土接頭是受力的關(guān)鍵部位，構(gòu)造設計需要精心設計。傳力要可靠、剛度要平順過度、構(gòu)造要簡單。

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

[2]劉玉擎.混合梁結(jié)合部設計技術(shù)的發(fā)展[J].世界橋梁,2005(4):9-12.

[3]劉安雙,劉雪山,代彤,等.重慶石板坡長江大橋復線橋鋼-混凝土接頭設計[J].橋梁建設,2007(2):35-38.