小半徑“V”形深溝橋跨結構方案研究

中交基礎設施養護集團寧夏工程有限公司，寧夏 銀川 750000

隨著鋼-混組合梁研究及應用的完善，管翼緣組合梁的概念首次在直梁應用中被提出來，吳建偉等[1]研究發現直管翼緣梁具有較大的局部屈曲抗力，較強的扭轉剛度和減小的長細比；Kim[2]研究了以圓管內填混凝土作為受壓翼緣，以平板作為受拉翼緣的直管翼緣梁抗彎強度和穩定性。經過國內外對管翼緣組合梁多年的研究及應用，表明帶內填混凝土的管翼緣鋼梁具有較好的延性，較高的強度，其中，鋼管與內填混凝土的套箍作用增大的構件的抗彎剛度，橋梁的橫向框架體系使管翼緣梁擁有較大扭轉剛度[3-6]。在已有的結構理論和工程實例基礎上，文章綜合現場建設條件和地方技術經濟條件，通過建模和計算，提出管翼緣組合梁跨越國省道路中路線平曲線半徑較小且處于“V”形深溝的可行性及合理性，旨在推動鋼-混組合梁橋在地方山區國省道路中的應用。

1 建設條件

某大橋位于天然林保護區，橋位跨越一“V”形深溝，溝深45.7m，橋跨處溝寬180m左右，溝兩側有巖石外露，為砂巖，表面看比較破碎，地形非常復雜，大樁號側山坡陡峭，平均坡度達到64%，此段設計路線平面半徑為200m，縱坡2.8%。為減少開挖，減少對山體擾動，減少防護工程，保護景區植被，確保工程施工及運營安全，橋梁基礎主要受兩岸陡崖地形控制，綜合考慮橋臺易設在易施工的穩定岸坡上，橋位于“V”形深溝，地勢起伏較大，交通條件較差。施工設備和材料的運輸以及施工場地的布置均是橋型方案選擇中必須考慮的因素，應將運輸的構件重量、尺寸盡量控制在公路能承受的范圍內。

2 方案比選

2.1 橋型方案總體構思

兼顧地形、地質，考慮運輸條件、施工場地布置與施工方法的適應性、橋梁結構成橋與施工狀態的抗風穩定性、橋型與環境的配合協調性等因素的要求來選取橋型方案，并將橋梁全長選定在200m左右。

2.2 主梁形式的比選

預制預應力混凝土結構具有結構簡單、受力明確、節省材料、架設安裝方便，可大量節省模板，橋梁的上、下部可平行施工，使工期顯著縮短。但該地區為山區且橋梁位于圓曲線和緩和曲線上，預制結構橫向穩定性不易保證，線形不易控制，預制場地空間有限，運輸不方便，吊裝重量較大。

現澆預應力混凝土結構是按一定的施工程序完成混凝土的就地澆筑，現澆混凝土施工需要搭設臨時支架，適合場地比較平整的施工平臺。此橋位處于小半徑平曲線內，現澆預應力混凝土結構的跨徑不宜過大，小跨徑結構會造成下部墩柱增多，并且跨高比與橋位處自然環境不協調，影響成橋美觀。

管翼緣組合梁是將傳統鋼+混凝土組合梁中工字鋼梁的平鋼板翼緣用鋼管混凝土替代的新型組合結構。管翼緣組合梁管翼緣的豎向高度減小了腹板的高度，從而避免了腹板長細比過大在設計中引起的問題，提高了組合梁的剛度和穩定性。內填C50自密實混凝土，套箍效應能顯著提高混凝土強度，從而提高構件承載力。管翼緣組合梁的施工簡單方便，吊裝重量較輕，施工周期短，經濟合理。

由于該橋位于超高段，因此主梁形式的選擇非常重要。從結構穩定性、施工難易性和施工周期等多個方面對比分析上述三種主梁形式各自的優缺點，可以得出管翼緣組合梁各方面指標均優于其他幾種主梁形式，其施工簡單方便，吊裝重量較輕，施工周期短，經濟合理，是比較理想的主梁形式。

2.3 跨徑比選

結合橋位處的地形地質初步擬定的結構形式為管翼緣組合連續梁。針對管翼緣組合連續梁擬定了40m、45m、50m、48m四種不同跨徑橋跨形式，各跨徑截面形式如圖1所示。

圖1 各跨徑主梁截面形式（單位：mm）

采用Midas Civil 2012軟件分別建立該橋上部結構的有限元模型，上部結構中采用梁格法建模，主梁和混凝土板均離散為梁單元，管翼緣鋼梁和管內混凝土為組合截面，頂板混凝土根據規范計算得有效計算寬度為2.7m，同時，設置混凝土板虛擬橫梁，虛擬橫梁縱向間距為2.5m，混凝土板與管翼緣組合梁之間對應節點采用剛性連接。上部結構變形計算結果如表1所示，主梁應力匯總表如表2所示。

表1 上部結構變形計算結果 單位：mm

表2 主梁應力匯總表 單位：mm

由于橋位跨越一“V”形深溝，溝深45.7m，橋跨處溝寬約180m，地形非常復雜，大樁號側山坡陡峭，平均坡度達到64%，綜合考慮施工難易性和經濟合理性最終選擇4×48m的橋跨結構形式。

在此種跨徑結構形式下，主梁在汽車荷載作用下（不計沖擊）最大豎向撓度為25mm＜L/500=100mm，滿足設計規范要求；主梁在荷載組合1的最大應力為228MPa＜270MPa，滿足設計規范要求。

3 4×48m管翼緣組合連續梁橋

3.1 方案設計

（1）上部結構設計。跨徑布置為4×48m，主橋采用5片焊接方管翼緣組合梁作為主梁，方管內填C50自密實混凝土。主梁中心間距為2.7m，主梁中心高度為2.3m（含25cm混凝土板和10cm瀝青混凝土鋪裝），其中，鋼梁部分高度為1.95m。橋臺和墩頂處橫向設置5個支座，均采用JPZ（Ⅱ）型盆式支座，兩側橋臺處各設80型模數式伸縮縫。主梁由縱梁、橫梁和橋面混凝土板組成，鋼結構部分含主梁、橫梁；除縱梁下翼緣采用Q500qDNH，其余均采用Q345qDNH鋼材。主梁標準橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁標準橫斷面（單位：mm）

橋位處于超高段，通過橋墩頂面高程和楔形體調整橋面橫坡。同時，每隔1500mm布置一道豎向加勁肋，縱向加勁肋連續，豎向加勁肋在縱向加勁肋位置斷開。

橫梁分兩大類，端橫梁為空腹式，中間橫梁為桁架式。混凝土板板厚250mm，為鋼筋混凝土結構，通過栓釘與縱橫梁連接為整體。主梁各個分段的鋼管翼緣、腹板和下翼緣之間現場采用焊接連接。每根縱梁分為4段，縱梁通過焊接實現縱向鋼管翼緣、腹板、下翼緣連接；橫梁與縱梁之間僅腹板通過高強螺栓連接，上下翼緣不連接。

（2）下部結構設計。橋臺采用擴大基礎重力式橋臺形式，橋墩采用薄壁空心墩的截面形式。

3.2 上部計算成果

（1）幾何模型。采用Midas Civil 2012分別建立該橋上部結構的有限元模型，跨徑布置為4×48m管翼緣組合連續梁橋，上部結構中采用梁格法建模，主梁和混凝土板均離散為梁單元，管翼緣鋼梁和管內混凝土為組合截面，頂板混凝土根據規范計算得有效計算寬度為2.7m，同時，設置混凝土板虛擬橫梁，虛擬橫梁縱向間距為2.5m，混凝土板與管翼緣組合梁之間對應節點采用剛性連接，上部結構靜力有限元模型如圖3所示。

圖3 上部結構有限元模型

（2）靜力計算結果。上部結構變形計算結果如表3所示，主梁應力匯總表如表4所示。主梁在汽車荷載作用下（不計沖擊）最大豎向撓度為25mm＜L/500=100mm，滿足設計規范要求；混凝土頂板應力在汽車荷載作用下最大拉應力為3.1MPa，經抗裂性驗算，滿足規范要求；主梁在荷載組合1的最大應力為228MPa＜270MPa，滿足設計規范要求。

表3 上部結構變形計算結果 單位：mm

表4 主梁應力匯總表 單位：mm

4 結束語

文章中的工程項目地區為山區，橋梁位于圓曲線和緩和曲線上，地形復雜，橋梁跨越“V”形深溝，預制結構橫向穩定性不易保證，線形不易控制，預制場地空間有限，運輸不方便，吊裝重量較大。在此項目背景下，從結構穩定性、施工難易性和施工周期等多個方面對比分析預制結構、現澆混凝土箱梁及管翼緣三種主梁形式各自的優缺點，可以得出管翼緣組合梁各方面指標均優于其他幾種主梁形式，其施工簡單方便，吊裝重量較輕，施工周期短，經濟合理，是比較理想的主梁形式，符合綠色發展理念，可有效提升公路橋梁的建設品質，發揮鋼結構橋梁性能優勢。