大跨長聯空腹式鋼-混混合梁連續梁橋技術探討

張曉光，宋堯2

（1.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121；2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056）

1 多跨長聯變截面連續梁概述

多跨長聯變截面連續梁各跨主梁造型上采用相似的曲線，呈現出跳躍的跨越感。而在結構上，多跨連續梁橋具有剛度大、變形小、行車舒適、養護簡單、伸縮縫少、經濟性好的特點。但多跨連續梁橋由于跨數多，活動支座、伸縮縫構造復雜，主梁在受到混凝土收縮徐變以及溫度變化等的影響時會產生較大的縱向位移，這些問題制約了多跨長聯連續梁橋的應用。而隨著近年大位移支座和大變形量伸縮裝置的研發應用，且梁橋計算水平的提高，多跨長聯連續梁橋開始得到廣泛應用，使多跨長聯連續梁成為競爭力較強的一種橋型。而由于某些原因限制，如通航孔徑、限高及景觀需求等，多跨連續梁橋主跨跨徑需超過其常規跨徑。文章以在建的福州市馬尾大橋為背景，從總體設計、空腹匯合段設計、鋼混結合段設計及大型抗震支座設計等方面對大跨長聯空腹式鋼-混混合梁連續梁橋進行了一些探討研究。

2 工程概況

馬尾大橋及其接線工程位于福建省福州市，是連接馬尾新城與倉山、城門片區重要的跨江通道。馬尾大橋跨江段橋梁工程橋型為空腹式變截面連續梁橋，全長1684m，全橋共分2聯，左右分幅，單幅橋寬20.25m。主橋跨徑布置為（71+83+123.5+240+123.5+83+71）=795m，主跨240m，為國內最大跨度連續梁橋。其中，主橋主跨跨中96m采用鋼箱梁，其余部位均為混凝土結構。

3 若干技術問題的研究

3.1 總體設計

馬尾大橋主跨由于通航及景觀需求，采用240m變截面連續梁結構。主跨主梁結構形式總體上考慮了如下兩種措施。

①主墩支點處采用空腹式V型變高度梁。

綜合考量結構受力及橋梁景觀等因素，馬尾大橋主墩處梁截面高度定為20m。主墩支點處采用空腹式V型變高度梁，既提高了支點處梁高度，同時也減輕了上部結構重量，提高了跨越能力。設計中通過設置斜腿的方法理論上減少了主橋的計算跨徑，但受到施工等多方面的影響，實際規模相當于200m左右的預應力混凝土連續梁橋。

②在主跨跨中一定范圍或主跨全部采用鋼結構。

主橋主體采用預應力混凝土變截面連續梁，但在主跨跨中一定范圍內采用鋼結構的鋼混組合結構時，能降低梁高、減少恒重、增大跨度和減短工期。

部分或全部采用鋼結構時各有優缺點。在主跨跨中一定范圍內采用鋼結構的鋼混組合結構能充分發揮各自材料的優缺點，能一定程度上降低梁高、減少恒重、增大跨度和減短工期，造價相對經濟，但鋼混結合段構造復雜，結合點剛度變化大，有變形不協調性；而采用全鋼結構能進一步降低梁高、減少恒重、增大跨度和減短工期，但費用高，根部腹板高度大，腹板局部穩定性問題較突出，馬尾大橋根部高度要求高達20m，即使采取V型空腹式結構后，梁、腿結合處高度也達11.5m，同時鋼斜腿的受力和鋼板穩定性問題也比較突出。經綜合比選后，主跨采用了240m鋼混組合變截面連續箱梁。

采用鋼混組合變截面連續箱梁時，跨中鋼箱梁越長，主墩支點處負彎矩越小，結構受力更為有利。但鋼箱梁的造價遠高于混凝土梁，如果僅考慮鋼箱梁的造價，理論上可估算出鋼箱梁節段的最合理長度。而另一方面，確定鋼箱梁長度另一個必須考慮的因素是施工條件。鋼箱梁在工廠制造完成后，將通過水運被牽引至橋位處，整體提升至橋面。這些因素也制約了鋼箱梁節段長度。綜合考量，馬尾大橋主橋主跨跨中96m采用鋼箱梁結構，其中包括90m的鋼箱梁及兩端各3m鋼混結合段。

3.2 空腹匯合段設計

空腹段上、下弦匯合段是空腹式連續梁橋設計的一個重點，若下弦斜腿與上弦主梁梁體匯合處設計不合理，則會導致其受力路徑不明確，易出現復雜的高應力區，使構造不能滿足安全要求。宗昕等[1]比較了2種不同隔板設置形式，分別為格構式（見圖1）和V叉挑板式（見圖2），經過計算分析最后選定了V叉挑板式。馬尾大橋匯合段設計延續了北盤江空腹式剛構橋匯合段設計。馬尾大橋設計過程，在V叉挑板式構造上又提出了一種比選方案，即在交匯點區域增設橫梁，但局部計算結果表明，該構造應力水平及經濟性均較差，這也進一步驗證了V叉挑板式構造的合理性。

圖1 格構式

圖2 V叉挑板式

3.3 鋼混結合部設計

根據相關研究成果，馬尾大橋采用一種設置復合連接件的改進性有格室鋼-混凝土混合梁結合部構造形式（見圖3），其在鋼箱梁端部設置填充混凝土的鋼格室結構，在鋼格室與混凝土相貼的頂板、底板和承壓板設置焊釘連接件，在鋼格室隔板上采用設置開孔板連接件，并與混凝土梁澆筑成一體。該構造形式由于格室隔板設置了剛度和承載力均較焊釘連接件強得多的PBL連接件，使格室隔板傳力比例明顯提高；同時在格室內設置的焊釘連接件，減小鋼與混凝土之間可能由于混凝土澆注不密實引起的脫空而帶來的不利影響，增加了結構的安全儲備。

圖3 鋼混結合段構造圖

3.4 大型抗震支座設計

主橋主跨為240m鋼-混混合梁連續梁橋，采用墩頂設支座的連續梁體系，通過計算，半幅主墩墩頂反力合計24000t，橫橋向采用雙支點，單支座支承反力需要13000t，屬于大噸位支座。馬尾大橋橋址位于7度抗震設防區，在主體結構形式已基本確定的情況，結構最有效的抗震設計措施就是設置有效的減隔震支座。結合目前已有的橋梁減隔震設計研究成果，本橋采用合理設置摩擦擺球形減隔震支座的形式。摩擦擺球形減隔震支座利用單擺原理，不僅能有效延長結構周期，降低地震響應，還可通過自身的摩擦耗散地震能量，進一步降低結構地震響應。

為適應溫度變形及混凝土收縮徐變的影響，各聯橋設制動墩一個，如采用抗震體系（不設減隔震措施），在地震荷載作用下，制動墩將獨自承擔地震荷載，制動墩墩身內力突出。而采用隔震體系（如設減隔震支座）時，通過減弱制動墩對主梁的約束有效低降低制動墩墩頂分擔的有效主梁質量，從而顯著降低制動墩的地震反應，結構體系也由制動墩單獨抗震體系轉變為多墩協同抗震，降低了制動墩的地震內力。

考慮到支座規模及更換難度，主墩支座采用與主體結構同壽命設計基準期。現行規范采用兩階段設防的抗震設計理念，針對兩階段設防不同的地震作用，馬尾大橋除了設置了摩擦擺支座外，還在靠近制動墩的臨近墩上設置速度鎖定裝置。即E1地震通過靠近制動墩的臨近墩上的速度鎖定器實現橋梁結構內力重分配，靠結構自身承受地震效應，E2地震則通過摩擦擺支座耗能、隔震達到減隔震目標。與采取單一的某種抗震措施相比，其在不同等級地震作用下均有對應的抗震裝置投入工作，適應性更強，不僅符合兩階段設防的抗震設計理念，也更有利于實現大噸位支座實現與主體結構同壽命設計基準期設計[2]。

馬尾大橋通過合理設置摩擦擺支座和速度鎖定器既能保證正常使用狀態的結構變形，又能在地震作用下，有效減隔震和多墩共同承擔地震荷載力，降低地震內力，實現大噸位支座與主體結構同壽命設計基準期，確保結構安全。經過上述一系列參數優化，設計約束體系使主墩內力減少50%，主梁位移減少61%，整個結構受力機制更加合理。

4 結語

綜上所述，馬尾大橋主跨240m的大跨空腹式鋼-混混合梁連續梁橋在國內尚屬首次實施，文章結合馬尾大橋的設計過程，從總體設計、空腹匯合段設計、鋼混結合段設計及大型抗震支座設計等方面對大跨空腹式鋼-混混合梁連續梁橋設計關鍵點進行了探討，為同類型結構的設計提供了參考。