變截面鋼-混凝土組合連續桁梁橋設計與施工

宋鑫

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

桁架橋是一種常用的橋梁結構型式，通常采用純鋼結構方案，橋面板只作為外荷載計入，忽略了橋面板作為結構受力構件和鋼桁架結合在一起共同受力，在較大程度上影響了結構設計的經濟性與合理性。為使傳統鋼桁架橋在結構體系上更趨合理、經濟性能更具競爭力，可以通過連接件將混凝土橋面板和鋼桁架上弦桿組合在一起共同受力，形成鋼－混凝土組合桁梁橋。

由于組合桁梁橋充分發揮了鋼和混凝土兩種材料的的優勢，相對于純鋼桁架橋，具有如下優點：（1）充分發揮材料潛能，從而降低鋼用量，減小結構高度，減輕自重；（2）有利于提高結構總體穩定性，從而減少桿件接頭，減少主桁根數，盡可能地少設主桁間的縱、橫梁；（3）顯著提高結構剛度，改善結構動力性能，從而改善路面行車條件；（4）形成穩定的空間結構，具有優越的抗扭能力。（5)結構型式簡潔，通透性好，有比較好的美學效果，并且有利于增加各種景觀裝飾。

鋼桁架-混凝土組合梁橋，由于其優越的綜合效益，建造過程桁架桿的工廠化制造和節段預制拼裝等新技術的運用，讓鋼桁架橋有了更大的拓展空間。但大跨徑鋼桁架-混凝土組合梁橋，設計方法較傳統鋼桁梁橋復雜，建造過程對拼裝精度、焊接變形控制都要求極高，且須考慮溫度對拼裝、合攏的影響。本文以北京順于路西延跨溫榆河橋為例，總結連續組合桁梁橋的主要設計、施工難點，并提出具體優化措施。

1 工程概況

順于路西延道路工程西起立湯路，路線向東延伸，跨越溫榆河，在昌平和順義區界與順于路順義區段接順。順于路西延上跨溫榆河處為大橋橋位，溫榆河與順于路西延相交處規劃河道上口寬約在250 m左右，河道與道路斜交。

順于路西延跨溫榆河大橋主橋為上承式變截面鋼-混凝土組合連續桁梁橋，位于道路定線平面圓曲線（R=1 000 m）及直線段。橋跨布置為（73+90+73）m，橋梁全寬 40 m，分為南北半幅，橋面布置為3 m（人行道及欄桿）+3.5 m（非機動車道）+1 m（機非隔離帶）+11.5 m（機動車道）+2 m（中央隔離帶）+11.5 m（機動車道）+1 m（機非隔離帶）+3.5 m（非機動車道）+3 m（人行道及欄桿），如圖1所示。

圖1 橋梁立面圖

順于路西延跨溫榆河大橋主橋中支點處鋼桁架裸高6.5 m，梁端及中跨跨中鋼桁架裸高4.0 m，鋼桁架上設0.3 m厚混凝土橋面板。主橋半幅橋寬20 m設四榀桁架，全橋共8榀桁架，主桁中心間距5.37 m。

圖2為橋梁剖面圖。

圖2 橋梁剖面圖

桁架采用Q345D鋼材制作，上弦桿、下弦桿及斜腹桿均為箱形截面，每榀主桁共有34個節間，節間長度為6.0 m～7.4 m，主桁采用整體式節點板，為全焊接鋼結構。

2 變截面鋼-混凝土組合連續桁梁橋設計難點

在大跨連續組合桁梁橋中，負彎矩作用將使支點混凝土橋面板產生拉應力，從而有可能導致橋面板的開裂，影響結構的耐久性；而下弦桿鋼板處于受壓狀態容易失穩，于是往往需要采用厚鋼板或較多的加勁肋，不僅制作加工困難，而且產生較大的殘余應力。因此，裂縫控制，以及下弦桿鋼板的穩定性在內的負彎矩區設計是連續組合桁架梁橋設計的重點和難點。

為了更有效地改善連續組合桁梁橋負彎矩區的受力性能，順于路西延跨溫榆河大橋優化了施工工序，主要分為6個步驟：（1）架設臨時支撐和鋼桁架，并澆注負彎矩區下弦桿混凝土，形成負彎矩區組合截面；（2）根據現場測量，調整拼接段長度，焊接主桁架及上下橫梁；（3）澆注正彎矩區橋面板，澆筑的混凝土和相應的鋼桁架上弦桿通過剪力釘形成完全組合；（4）拆除跨中臨時支撐，這樣正彎矩區橋面板能預存壓應力，且正彎矩區橋面板自重產生的負彎矩僅由下弦桿承擔；（5）澆筑負彎矩區混凝土橋面板，預留后澆帶，這樣可以大大減少收縮、溫度等引起的橋面板拉應力；（6）澆筑后澆帶混凝土，拆除支點處臨時支撐，施工橋面鋪裝，成橋，如圖3所示。

3 變截面鋼-混凝土組合連續桁梁橋施工難點

3.1 工廠預制、拼裝

該工程項目半幅橋共4榀鋼桁架，每榀鋼桁架共十三個單元，A～K十一個節段，以及兩個端橫梁，各單元位置如圖4所示。如此多的節段需縱、橫向聯接，其加工精度，以及工廠預拼裝至關重要。

圖3 施工步序圖

圖4 節段劃分圖

鋼桁架節段組裝完成后，需在工廠內進行節段預拼裝，該步驟是控制施工質量、保證現場順利安裝的有效措施。

受施工場地限制，該工程項目無條件進行全橋預拼裝，因此設計采用拼三留一的節段拼裝方案。具體操作為，將端橫梁與A,B,C三節段拼裝，將端橫梁與A,B節段運至現場，C節段繼續與D、E節段預拼裝，如此反復。經現場施工檢驗，該預拼裝方案是切實可行的。圖5為桁架節段在工廠進行預拼裝之實景。

3.2 現場吊裝

主橋位于溫榆河河道內，其中中跨90 m位于主河槽內。施工期間正逢汛期，為了保證河道度汛，不能填土截流，但工期又很緊張，因此吊裝設備必須上跨河道，鋼梁節段吊裝方案成為該工程的又一難點。

對于需要保證通航或度汛的跨河橋梁施工，通常采用架設施工棧橋或水上施工平臺的方法。采用這兩種方法的主要吊裝設備為汽車吊機或履帶吊機。該工程的主梁桁架為全焊接結構，對節段間的拼裝定位要求很高。為了保證施工線形和焊接質量，需要吊裝設備具有很強的穩定性并能實現定位微調，相比較之下，門式吊機更能滿足要求。該方案不僅能夠滿足施工精度及質量要求，也能夠保證度汛。和架設棧橋或施工平臺相比，門式吊機中軌道基礎工程量更小、時間更短，也保證了工期，節約了時間成本。

圖6為節段現場吊裝之實景。

圖5 桁架節段在工廠進行預拼裝之實景

圖6 節段現場吊裝之實景

現場拼裝按照從中間向兩邊的順序，以此減少拼裝過程中產生的累積誤差。吊裝每片桁架節段時，兩臺吊機同時工作，以保證桁架的穩定性。在鋼梁拼裝過程中，進行全過程測量，如誤差超過規范要求，及時進行調整。

鋼桁架左右位置的調整在桁架吊裝時進行，當桁架梁底距離支架上支點還有2 cm時，龍門吊停止下鉤。桁架兩端橫向都安裝上手拉葫蘆進行左右位置的調整，待桁架調整至設計位置時，龍門吊下鉤落至支架上。鋼梁位置調整完畢后，要在梁體兩側及兩端的平臺上焊接限位板，用以固定梁體。

3.3 現場拼裝

3.3.1 合理的焊接順序

同樣的焊接工藝，焊接順序不一樣，最后產生的焊接殘余應力也不相同，優化焊接順序，能有效地降低焊接殘余應力。優化焊接順序的機理主要是減少剛性約束、消除焊接殘余應力最大值之間的迭加、減少焊接變形，從而減少焊接殘余應力。

桁架的縱向焊接順序：焊接中墩墩頂位置，然后對稱向兩邊依次焊接（見圖7）。然后，依次焊接橫梁。

圖7 桁架的橫向焊接順序圖

橫向焊接順序：按照先中間后兩邊的原則進行，即先焊接2、3榀桁架之間的橫梁，再焊接1、2及3、4榀桁架之間的橫梁。

3.3.2 充分考慮溫度對拼裝的影響

桁架跨度很大，溫度效應明顯，嚴格控制合攏溫度對于保證結構具有合理的初始溫度與使用期間的安全具有非常重大的意義。

在該項目現場拼接時，正值北京十月，日溫差最大可達20℃。桁架吊裝就位后，采用連接板臨時連接，后發現支座的限位螺栓變形明顯（見圖8），設計者及時將B、F、J段的連接板改為縱向可活動連接板，釋放了溫度內力。其合攏安裝在每日清晨，合攏溫度控制在15℃～25℃。

圖8 支座限位螺栓變形之實景

3.3.3 設計拼接段，增大容錯

在現場拼裝過程中，由于受吊裝精度、安裝溫度、焊接變形等不利因素影響，設置現場拼接段十分必要。為此，在每兩個節段間都設置了現場拼接段。拼接段在預制時，要長于設計尺寸，在實際拼裝時，根據實際尺寸進行切割，可以滿足不同溫度下節段的精確拼裝。

4 結語

本文以順于路西延跨溫榆河橋為背景，以解決鋼桁架-混凝土組合連續梁橋負彎矩區橋面板易開裂，以及下弦桿易失穩的設計難題為目標，提出優化施工工序來改善負彎矩區的受力性能。在建造工程中，采取合理的焊接順序，并嚴格控制合攏溫度，有效地控制殘余應力。