單跨整體式橋臺鋼混組合梁橋設計研究

陳祥構

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350000)

0 引言

隨著橋梁建造技術不斷發展，對橋梁的美學、行車舒適性、快速建造、全生命周期等特性提出了更高要求。主梁采用鋼-混組合梁構造簡單，鋼材加工靈活，梁底做成簡練的曲線造型，突出了橋梁的美學效應，且施工便捷，是新時期中小橋梁的發展趨勢。整體式橋臺將橋臺臺身、樁基與主梁聯結形成整體，共同承受荷載作用。同時，橋面不設伸縮縫裝置、支點無支座，行車舒適性高，也避免后期對構件的維護，大大降低了橋梁全生命周期的使用成本。由于提高了橋梁的整體性，其承受災害事件能力也有所提高[1]。

將整體式橋臺與鋼混組合梁的優勢進行結合，形成的鋼—混凝土整體式橋臺橋梁，除了能夠優化整體式橋臺外，還具有鋼—混組合結構自重輕、剛度大、跨越能力強的力學特點，便于工廠化預制、裝配式施工。因此，該結構在城市橋梁中取得良好的社會、經濟和環境效益。

基于此，本文擬以福州市某橋梁工程為例，探析單跨整體式橋臺鋼混合梁橋設計，以期為中小跨徑橋梁的今后設計選型提供參考。

1 工程概況

位于福州市倉山區的流花溪曾是一條黑臭的垃圾河，經過對該河道的綜合整治，河道拓寬，水質改善，河道兩側布設自然山石駁岸，形成了水清暗綠、美景無邊的城市濱水景觀。本文案例橋跨越流花溪，橋位處水面寬30m，河岸兩側沿河休閑步道寬3.0m，橋面高程10.3m，常水位4.5m，河底標高2.4m，橋下步道凈空高度2.5m，橋面寬度39m(3.5m人行道+3.5m非機動車道+1.5m綠化帶+22m雙向六車道+1.5m綠化帶+3.5m非機動車道+3.5m人行道)，如圖1所示。

圖1 橋位平面圖

為滿足防洪和景觀要求，降低橋梁施工對河道水質的影響，該工程要求單跨過河，并避免在水中搭設施工臨時支架。基于諸多限制條件，經過多方案比對分析，該橋采用跨徑40m單跨整體式橋臺鋼混組合梁橋。橋梁立面布置圖如圖2所示。

圖2 橋梁立面布置圖

2 設計標準

(1)設計荷載：城-A級，人群荷載按《城市橋梁設計規范》(CJJ11-2011)取值；

(2)橋涵設計基準期：100年，結構設計使用年限： 50年；

(3)地震荷載：地震基本烈度為7度，設計地震動峰值加速度0.10g，橋梁抗震設防類別為丁類；

(4)橋梁設計安全等級：一級；

(5)工程環境類別：Ⅰ類；

(6)規劃洪水位：二十年一遇。

3 結構設計

3.1 上部結構

在中小跨梁橋中，梁底的曲線造型是橋梁立面視覺效果的決定性因素。總體來說，跨中與根部的梁高變化越大，梁底曲線越顯著，景觀效果越好。相比簡支梁，整體式橋臺橋梁主梁與墩臺固結，跨中彎矩較小，跨中鋼梁高取值1.3m≈L/30進行設計(L為跨徑)。根部梁高因橋下休閑步道標高和凈空、橋面標高等限制，該橋取值1.8m≈L/22，梁底曲線采用R=180m圓弧線。

橋梁上部結構橫斷面布置如3圖所示。該橋位于直線段，鋼梁部分采用結構形式最為簡單的焊接工形梁，材料采用Q345qD鋼材。橋面較寬，橫向布置為多主梁結構，主梁間距考慮鋼筋混凝土橋面板厚度，結合主梁縱向計算結果，該橋主梁間距取值為2.75m，邊梁混凝土翼緣板懸臂長1.5m。鋼筋混凝土橋面板根部厚度35cm，跨中厚度25cm，混凝土采用C50。

圖3 1/2橋梁橫斷面布置圖

3.2 下部結構

根據現場鉆探揭示地質資料，鉆孔標高6.0m，橋臺地基土層自上而下分布如下：雜填土1.4m，細中砂0.8m，淤泥13.7m，中砂12.8m，卵石11.5m，砂土狀強風化花崗巖19.2m，碎塊狀強風化花崗巖10.8m。該橋下部采用樁基礎的整體式橋臺，橋臺、樁基礎和主梁聯結成整體共同受力，鑒于橋臺和主梁剛度比值將影響角隅處的內力分配，從而影響整體受力，該橋上部主梁為鋼—混組合梁。為盡量減小主梁端部的負彎矩，以減小混凝土橋面板裂縫，該橋設計在滿足其它設計要求下，盡量采用較小的臺身厚度，較小的樁基直徑和較短的樁長[2]。歐美國家的樁基礎整體式橋臺以H形鋼樁這種柔性樁為主，考慮到本地缺乏該類樁基的施工經驗，并且我院以往設計的單跨門式剛構橋采用鋼筋混凝土樁基礎目前運營效果良好，該橋基礎采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，以卵石層為持力層，設計為摩擦樁(屬于彈性樁)。根據試算結果，該橋鋼筋混凝土臺身厚度取值1.5m，樁基直徑采用1.2m。

3.3 橋面鋪裝

采用4cm厚SMA-13瀝青瑪蹄脂碎石混合料(粗骨料為玄武巖)+5cm AC-20C中粒式改性瀝青混凝土。鋪裝層下涂刷HM1500防水涂料。

4 計算模型主要計算結果

本文采用有限元程序Midas civil 2019建立一幅橋的空間有限元驗算模型，對結構進行驗算。在該模型中，主梁采用鋼-I形組合截面，通過施工階段聯合截面模擬組合截面施工過程。臺身采用板單元模擬，樁基采用實腹圓形截面。完成后的模型共計613個節點，696個梁單元、80個板單元。分析模型如圖4所示。

圖4 橋梁計算模型

4.1 邊界條件模擬

整體式橋梁墩臺和上部結構固結為整體，在荷載作用下，橋臺與上部結構固結處不發生相對變形，上部結構的變形通過柱的撓曲吸收。由于在溫度荷載和其他縱向荷載的作用下, 主梁的變形會受到臺后填土、樁側土的抵抗，而臺后、樁側土對樁基礎側向土阻力的大小又與它們的變形大小有關。所以，將橋面板從膨脹到收縮的狀態變化認為是一個周期。如果這個循環無限進行，回填土的地基反力系數會是一個常量[3]。鑒于土壤的這種特性，水平向土彈簧定義為對稱的只受壓非線性彈性支承，豎向的土彈簧定義為線性彈性支承。樁土相互作用模型如圖5所示。

圖5 橋梁邊界條件模型

4.2 荷載工況

基于該橋較寬，橫向采用多主梁結構，各主梁不均勻受力主要由橫向剛度分配和偏心荷載引起，計算模型中，汽車及人群荷載根據橫向橋面功能劃分按實際位置加載，一期恒載結構自重由程序自動加載，二期恒載(人行道、欄桿、綠化帶、橋面瀝青砼鋪裝)按實際位置加載。溫度效應采用整體升、降溫25℃；梯度溫度按《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》(GB 50917-2013) 取值；混凝土收縮徐變按10年。

4.3 施工階段分析

為了減小梁端的負彎矩、橋臺頂部的剪力和樁頂的彎矩，以減少鋼筋混凝土構件帶裂縫工作區域和裂縫寬度，該橋對施工過程進行了詳細規定，對橋面板澆筑和主梁固結時間分階段細化，使橋梁上下部都能更趨近于主梁簡支狀態受力特性。施工階段劃分如表1所示。

表1 施工階段劃分

施工過程中，CS2階段鋼梁吊裝一次落架，鋼梁自身重量全部由鋼梁承擔，CS3階段暫未形成組合截面，認為橋面板混凝土濕重全部由鋼梁承擔；CS4階段將主梁與橋臺固結；CS5階段二期恒載由鋼-混凝土組合截面共同承受，且主梁向橋臺傳遞彎矩和剪力。鋼梁的位移包含了CS2和CS3兩階段產生的位移，在預拱度中予以考慮。施工階段鋼梁應力如表2所示，均滿足規范要求。

表2 施工階段鋼梁應力表

4.4 承載能力極限狀態驗算

4.4.1鋼梁抗彎承載力驗算

圖6和圖7分別為基本組合下鋼梁上下緣應力包絡圖。由圖6可見，鋼梁上緣最小正應力為-216.3(受壓)，最大正應力為-1.64(受壓)。由圖7可見，鋼梁下緣最小正應力為-60.5(受壓)，最大正應力為175.6(受拉)。該橋使用的是Q345qD鋼材，鋼梁抗彎承載力滿足要求。

圖6 鋼梁上緣應力包絡圖

圖7 鋼梁下緣應力包絡圖

4.4.2橋面板應力抗彎承載力驗算

如圖8所示，該混凝土橋面板上緣最大壓應力為3.8MPa<22.4MPa(C50強度設計值)，滿足要求。

圖8 橋面板上緣正應力包絡圖

4.5 正常使用極限狀態驗算

4.5.1鋼筋混凝土橋面板裂縫寬度驗算

該橋主梁作用頻遇組合效應如圖9所示，梁端負彎矩最大值為-3071kN·m，出現在邊梁。橋面板開裂區域不考慮混凝土作用，以縱向普通鋼筋與鋼梁形成的組合截面為開裂截面驗算，按鋼筋混凝土軸心受拉構件計算負彎矩區組合梁混凝土板最大裂縫寬度為0.046mm<0.2mm，符合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》等相關規范，并滿足相應限制的要求。

圖9 作用頻遇組合荷載彎矩包絡圖

4.5.2豎向擾度驗算

計算豎向撓度時，按結構力學方法并采用不計沖擊力的汽車車道荷載頻遇值，頻遇值系數為1.0 。如圖10所示，在活載頻遇值作用下，豎向最小位移值為-14.6mm(向下)，滿足規范要求。

圖10 活載最小位移頻遇值

5 結論

(1)單跨整體式橋臺橋梁，依靠梁底曲線突出橋梁美學效應，結構合理、傳力路徑清晰，在城市景觀帶中的中小橋梁不失為一種較優的橋型。

(2)橋梁工程是現代交通建設中的節點工程，組合鋼板梁橋構造簡單、方便工廠預制和快速施工，是未來中小橋梁的發展趨勢。

(3)整體式橋臺橋梁結構整體性好，取消了伸縮縫和伸縮裝置、也取消了支座，具有行車舒適和全壽命經濟性的優勢。

(4)整體式橋臺橋梁需要基礎來吸納上部結構的變形，制定合理的施工順序，可以讓鋼梁和橋面板自重由簡支鋼梁承擔，減小基礎內力，使結構受力更趨近于簡支梁橋。