某立交兩層交叉鋼混凝土組合梁的設(shè)計計算

張 為

（北京市市政工程設(shè)計研究總院，北京 100082）

0 引言

鋼混凝土組合梁的鋼箱在工廠制造、運輸至現(xiàn)場，再分段吊裝、組裝。混凝土橋面板在鋼箱上臨時設(shè)置的模板現(xiàn)場澆筑，可大幅度縮短現(xiàn)場施工周期，最大限度地減少對現(xiàn)狀交通的干擾，在城市立交橋梁施工中得到了大量應(yīng)用。隨著城市路網(wǎng)建設(shè)的密集，現(xiàn)場管線、道路交通等施工條件越來越復(fù)雜，對于鋼混凝土組合梁的設(shè)計施工提出了許多新的難題，尤其是雙層交叉的鋼混凝土組合梁設(shè)計施工難度均較大，如何以最短的工期、結(jié)構(gòu)受力最合理的方式實現(xiàn)，本文提供了一種解決思路。

1 工程概況

某立交A匝道（A0#墩～A3#墩），B匝道(B4#墩～B5#墩)，C匝道(C10#墩～C14#墩，C14#墩～C16#墩)，共四聯(lián)橋梁主梁結(jié)構(gòu)形式采用鋼混凝土組合連續(xù)梁，保證施工期間對橋下道路通行影響降低到最低程度。鋼混凝土組合梁橋梁長度共342 m，橋梁面積共計3269 m2。其中C匝道(C14#墩～C16#墩)上跨B匝道(B4#墩～B5#墩)，B匝道(B4#墩～B5#墩)上跨已有道路。立交平面布置如圖1所示。

2 橋梁設(shè)計

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）橋梁機動車道荷載標(biāo)準(zhǔn)：城-A級；驗算荷載：公路-I級。

（2）橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a。

（3）公路橋涵設(shè)計安全等級：一級。

（4）道路性質(zhì)：立交橋梁匝道，設(shè)計車速為40 km/h。

圖1 立交平面布置圖

（5）橋面施工及使用階段按非線性溫度梯度荷載進(jìn)行計算，升溫t1:14℃，t2:5.5℃；降溫t1：-7℃，t2：-2.75℃。橋梁體系升溫30℃，降溫-30℃。

（6）設(shè)計基礎(chǔ)縱向不均勻沉降5 mm。

（7）地震基本烈度：該擬建場地抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，地震動峰值基本加速度0.10 g。

（8）橋下凈空：快速路凈空不小于5.5 m；主干路凈空不小于5.0 m。

（9）橋面寬度：A、C匝道 0.75 m+8 m+0.75 m，全寬9.5 m。B匝道0.75 m+8.5 m+0.75 m，全寬10.0 m。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 B匝道

B4#～B5#墩，位于匝道道路圓曲線（半徑600 m）、緩和曲線段。橋梁位于道路縱坡為1.80%、-4.95%的豎曲線段，豎曲線半徑R=2000 m，車行道寬8.50 m，橋梁全寬10.00 m。橋梁橫向設(shè)單向2.00%橫坡。

B4#～B5#墩主梁采用鋼混凝土組合梁結(jié)構(gòu)。梁高1.80 m，其中預(yù)制高度1.45 m，現(xiàn)澆橋面板厚0.28m～0.35m。橋梁中線處分孔為一孔簡支40m。橫向為單箱雙室斷面，箱室全寬10.00m，底板寬6.00 m，外懸臂2.00 m。鋼箱底板水平，腹板高度不同，橋面橫坡由腹板高度變化形成。其總體設(shè)計圖見圖2所示。共分3個制作段工廠預(yù)制，現(xiàn)場在各制作段接口處設(shè)臨時墩，鋼箱制作段現(xiàn)場吊裝就位，高強螺栓栓接。

B4#墩、B5#墩墩頂設(shè)板式橡膠支座，其下設(shè)樁柱式構(gòu)造。

2.2.2 C匝道

C10#～C14#墩、C14#～C16#墩，位于匝道道路緩和曲線、圓曲線段，橋梁中線處圓曲線半徑R=100 m。橋梁位于道路縱坡為2.269%、-2.65%的豎曲線段，豎曲線半徑R=3000m，車行道寬8.00m，橋梁全寬9.50 m。橋梁橫向設(shè)單向2.00%～0.00%變化橫坡。

C10#～C14#墩、C14#～C16#墩主梁采用鋼混凝土組合梁結(jié)構(gòu)。主梁梁高1.80 m，其中預(yù)制高度1.45 m，現(xiàn)澆橋面板厚0.28 m～0.35 m；C10#～C14#墩橋梁中線處分孔為27+37.85+28.15+34.5=127.5（m）。橋梁中線處分孔為 29.89+39=68.89（m）。兩聯(lián)主粱橫向均為單箱雙室斷面，箱室全寬9.50 m，底板寬5.50 m，外懸臂2.00 m。鋼箱底板水平，腹板高度不同，橋面橫坡由腹板高度變化形成。其總體設(shè)計圖見圖3所示。共分9個制作段工廠預(yù)制，現(xiàn)場在各制作段接口處設(shè)臨時墩，鋼箱制作段現(xiàn)場吊裝就位，高強螺栓栓接。

C10#墩、C14#墩、C16#墩墩頂設(shè)抗拉球型支座；C11#墩、C12#墩、C13#墩、C15#墩采用墩梁固接體系。由于受橋下管線限制，C15#墩采用獨柱支撐，同時承臺方向旋轉(zhuǎn)避讓管線。

2.3 附屬工程設(shè)計

2.3.1 防腐涂裝

鋼梁部件表面除銹后的鋼表面潔凈度等級應(yīng)達(dá)到《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB/T 8923-1988）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Sa2.5級，外觀相當(dāng)于該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ASa2.5、BSa2.5、CSa2.5。鋼梁防腐涂裝滿足《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》（JT/T 722-2008）相關(guān)要求，鋼箱梁內(nèi)、外表面、墩柱外包鋼板及外露鋼板防護(hù)涂層有效使用壽命至少應(yīng)達(dá)到20 a。

圖2 B4#～B5#墩鋼混凝土組合梁總體設(shè)計圖

圖3 C14#～C16#墩鋼混凝土組合梁總體設(shè)計圖

2.3.2 抗拉球型支座

C匝道邊墩支座采用KLQZ-3000DX±100單向活動型拉壓球型鋼支座，此支座為縱向滑動支座，支座活動方向沿順橋向安裝。KLQZ-3000DX±100單向活動型拉壓球型鋼支座設(shè)計要求：承載力3000 kN，拉力600 kN，縱向活動。

2.4 計算分析

由于上下兩層鋼混凝土組合梁交叉處的臨時支架平面位置基本重合，且下層B匝道的臨時支架待C匝道施工完成后拆除，同時在臨時支架位置，即制作段分段位置兩側(cè)鋼箱內(nèi)設(shè)置有橫隔板，所以上層梁的臨時支架反力通過下層梁的橋面板、橫隔板再傳遞到下層臨時支架，因此在下層鋼混凝土組合梁的整體計算時可以不用考慮上層鋼混凝土組合梁臨時支架反力，下述計算重點介紹C14#～C16#墩鋼混凝土組合梁。

計算采用北京市市政工程設(shè)計研究總院自主開發(fā)的橋梁有限元綜合軟件系統(tǒng)BRGFEP V3.0。

2.4.1 計算參數(shù)

2.4.1.1 溫度

考慮全橋溫差、主梁上下緣線形溫差及非線性溫差。雖然設(shè)計要求橋面板采用無收縮混凝土澆筑，理論上不存在混凝土的收縮，出于安全考慮，計算仍計入主梁上下緣線形溫差以模擬混凝土的收縮徐變。其中升溫組合：主梁上緣 40℃，下緣 30℃；降溫組合：主梁上緣–35℃，下緣–30℃。

2.4.1.2 沉降

共 2組：C14#、C16#墩沉降 0.005 m；C15#墩沉降0.005 m。

2.4.1.3 鋼材

鋼箱采用q345q-C，鋼材彈模Eg=21×104MPa，彈模比n=Eq/Eh=6.00，考慮橋面板剪力滯后影響，彈模比取為7。

2.4.1.4 邊界條件

C15#墩按照墩梁固結(jié)模擬，墩柱為獨柱圓柱，計算時根據(jù)慣性距和面積相等原則折算成矩形獨柱。柱底按彈性支撐考慮。由樁計算程序pile程序得來：水平剛度＝403112 kN/m，豎向剛度＝3700000 kN/m，轉(zhuǎn)動剛度＝19514339 kN/m（按剛性考慮）。

2.4.2 計算結(jié)論

2.4.2.1 上層混凝土橋面板（見圖4）

施工階段，截面上緣混凝土結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在第6階段，10單元，-3.34/7=0.48 Mpa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在第7階段，30單元，12.18/7=1.74 MPa。

成橋運營階段，截面上緣混凝土結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在荷載組合7（恒載+線性降溫+非線性降溫+強迫位移1+汽車），位置單元9，-5.31/7=-0.78MPa。

圖4 短期效應(yīng)荷載組合7混凝土橋面板應(yīng)力圖

2.4.2.2 下層鋼箱（見圖5）

施工階段，截面下緣鋼結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在第8階段，45單元，-36.99 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在第8階段，23單元，103.99 MPa。

成橋運營階段，截面下緣鋼結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在荷載組合7，位置單元16150.1 MPa。

計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

臨時支架反力分別為1936 kN（下層B匝道的臨時支架位置上方）和2271 kN。

圖5 持久狀況荷載組合7鋼箱應(yīng)力圖

3 施工方案

3.1 施工方案介紹

C匝道C14～C16號墩鋼梁上跨B匝道B4～B5號墩鋼混凝土組合梁，C匝道制作段DC8臨時支撐需設(shè)置在B匝道橋面上。施工單位需安排好兩個匝道鋼梁施工順序，B匝道下方設(shè)置的臨時支撐應(yīng)在C匝道橋面板混凝土澆筑完成、橋面板預(yù)應(yīng)力張拉完成后拆除。其施工順序見圖6所示。

3.2 施工注意事項

（1）鋼箱梁吊裝前，必須首先完成兩側(cè)相鄰現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，以確保全橋施工順利進(jìn)行。

圖6 施工順序圖

（2）施工期間橋面嚴(yán)禁堆載超過橋梁設(shè)計荷載的重物，并嚴(yán)禁一側(cè)施工荷載偏載過重。

（3）注意制作段吊裝運輸過程中，應(yīng)正確使用專用吊具，嚴(yán)防鋼梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)、翹曲和側(cè)傾。在吊裝就位時，應(yīng)配合測量工作，注意梁體同步，輕吊輕放，支墊平穩(wěn)，正確就位。

（4）保證臨時支架的強度、剛度和施工空間，及其基礎(chǔ)的可靠性。在主梁施工的全過程中不能變形或沉降。必要時應(yīng)進(jìn)行預(yù)壓。與鋼梁接觸部位應(yīng)能起頂和滑移。鋼梁吊裝必須確保吊裝方案可行，位置準(zhǔn)確，接口位置誤差滿足規(guī)范要求。各支點應(yīng)保證施工安全，并考慮防止車輛撞擊，施工方案請交通管理部門認(rèn)可。施工過程中嚴(yán)密監(jiān)視墩頂高程變化，并采取相應(yīng)措施。

4 結(jié)語

（1）一座成功的鋼混凝土組合梁設(shè)計要充分考慮施工階段的影響，對于上下兩層交叉設(shè)置的鋼混凝土組合梁，需充分重視上下兩層梁的臨時支架的位置，避免上層梁的臨時支架對下層梁產(chǎn)生不必要的附加施工荷載。

（2）鑒于臨時支架反力較大，且為施工過程中重要的承載結(jié)構(gòu)，建議采用剛度較大的焊接螺紋鋼管配合型鋼支架或者軍用貝雷梁，同時注意支架預(yù)壓及基礎(chǔ)處理，并嚴(yán)格要求施工過程中橋面臨時機具、材料堆放等的重量及偏載限制，避免施工過程中出現(xiàn)設(shè)計荷載工況外的意外。

該項目目前處于施工過程中，進(jìn)展順利。