新型大跨徑連續(xù)鋼桁組合梁橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

李 仙，張德利，徐婷婷

（1.天津?yàn)I海新區(qū)高速公路投資發(fā)展有限公司，天津市 300457；2.天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市 300122）

1 連續(xù)鋼桁組合橋

組合鋼桁橋充分利用了鋼和混凝土材料的特性，與純鋼桁梁橋相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。頂部混凝土板同時(shí)發(fā)揮著橋面板、主桁平縱聯(lián)等多種作用，進(jìn)一步加強(qiáng)了由上下弦以及腹桿組成的空間鋼桁架的整體穩(wěn)定性。同時(shí)，有研究表明[1]，由于結(jié)構(gòu)整體性提高，與純鋼桁橋相比，板件及其桿件的數(shù)量大幅減少，焊接總長度縮短，削減了構(gòu)件加工費(fèi)用，并減少了后期的維護(hù)費(fèi)用。

（2）顯著提高結(jié)構(gòu)剛度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能。通過鋼桁架與混凝土橋面板的組合作用，橋梁橫橋向剛度顯著提高，動(dòng)力性能更為優(yōu)越[2]，有利于減少桁架高度，節(jié)省鋼材，改善路面行車條件和降低工程造價(jià)。

（3）具有良好的抗扭性能。混凝土板參與結(jié)構(gòu)整體抗扭，橋梁的抗扭剛度提高，進(jìn)而提升橋梁的抗扭承載力，使組合橋梁更適合應(yīng)用于較大跨徑的跨線橋梁和曲線橋梁[3]。

雖然鋼桁組合橋在實(shí)際工程上已被廣泛應(yīng)用，但主要應(yīng)用于簡支梁橋，在連續(xù)梁橋中，由于負(fù)彎矩區(qū)的不利作用，其應(yīng)用也僅局限于較小跨徑的橋梁結(jié)構(gòu)中，在大跨徑連續(xù)梁橋中應(yīng)用的實(shí)際工程還較為少見。

2 大跨徑連續(xù)鋼桁組合梁橋設(shè)計(jì)

某依托工程為三跨變截面連續(xù)鋼- 混凝土組合桁架橋，跨徑布置為95 m+140 m+95 m=330 m，橋?qū)?3 m，設(shè)計(jì)構(gòu)造見圖1、圖2。橋面系的組成包括混凝土橋面板、鋼桁架梁以及桁架間橫向聯(lián)系。橋面板和鋼桁架之間通過剪力釘連接，并在負(fù)彎矩區(qū)的混凝土橋面板內(nèi)布置了預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

圖1 主橋立面（單位：m）

圖2 主橋橫斷面（單位：mm）

在大跨連續(xù)鋼桁組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)容易出現(xiàn)混凝土板開裂，為解決該問題，往往需要在負(fù)彎矩區(qū)的橋面板內(nèi)布置大量的預(yù)應(yīng)力束，對(duì)下弦桿內(nèi)力突變（見圖3）和穩(wěn)定問題，需要增加下弦桿鋼板厚度，這種設(shè)計(jì)施工工藝復(fù)雜、預(yù)應(yīng)力效率低、增加用鋼量、對(duì)于負(fù)彎矩截面的剛度提高十分有限。

圖3 下弦桿內(nèi)力突變現(xiàn)象

3 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 減少橋面板混凝土拉應(yīng)力的施工措施

鋼- 混凝土連續(xù)組合橋可以考慮采用以下幾種施工上的措施來減少混凝土拉應(yīng)力[4]。

（1）先澆筑跨中位置橋面板混凝土，后澆筑中間支座位置的混凝土。如圖4 所示的傳統(tǒng)澆筑方法會(huì)導(dǎo)致混凝土硬化后，中間支座位置的混凝土產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。而如圖5 所示的交替澆筑方法則可以有效地減小這種影響。

圖4 傳統(tǒng)的混凝土橋面板澆筑順序

圖5 通過交替澆筑降低混凝土的拉應(yīng)力

（2）通過設(shè)置臨時(shí)支撐，使主梁產(chǎn)生與自重方向相反的向上撓度，此時(shí)主梁上緣受拉、下緣受壓；拆除臨時(shí)支撐后在自重作用下，主梁上緣的拉應(yīng)力和下緣的壓應(yīng)力均會(huì)減小，其原理見圖6，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

圖6 不同安裝方法的截面應(yīng)力分布對(duì)比

（3）在連接件上設(shè)置套管，在混凝土澆筑完成后再使其與連接件連接，延遲連接件發(fā)揮作用。這種做法可以控制混凝土橋面板只在成橋荷載影響下產(chǎn)生拉應(yīng)力。

（4）在圖7 所示位置施加縱向預(yù)應(yīng)力，用于抵消車輛荷載下產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

圖7 在混凝土橋面板內(nèi)施加縱向預(yù)應(yīng)力

3.2 雙重組合作用

針對(duì)負(fù)彎矩區(qū)組合桁架的受力特點(diǎn)，通過改變依托工程上部結(jié)構(gòu)中鋼與混凝土的連接方式優(yōu)化了負(fù)彎矩區(qū)的受力性能。方法如下：

（1）負(fù)彎矩區(qū)混凝土板和鋼桁架之間只設(shè)置稀疏的構(gòu)造栓釘，使混凝土板和鋼梁能自由變形，從而有效釋放因收縮徐變、溫度效應(yīng)以及汽車荷載作用在混凝土板中引起的拉應(yīng)力，并增加混凝土板縱向預(yù)應(yīng)力的導(dǎo)入效率，提高混凝土板的抗裂性能。

（2）在負(fù)彎矩區(qū)附近鋼桁架下弦桿內(nèi)澆注混凝土，形成鋼管混凝土截面，充分地發(fā)揮混凝土的抗壓性能，抵抗下弦桿軸力突變現(xiàn)象，顯著改善下弦桿受壓穩(wěn)定性。此時(shí)，在連續(xù)桁梁橋的中支座位置形成了一個(gè)與其他部位倒置的組合截面，這兩個(gè)互為倒置的組合截面構(gòu)成了雙重組合作用[6]，見圖8。

圖8 雙重組合作用連續(xù)桁梁橋

雙重組合作用橋除了具有較高的承載能力和穩(wěn)定性外，還能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)改變主梁縱向的強(qiáng)度和剛度特性，易于優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置形式。雙重組合作用橋的施工與常規(guī)鋼桁組合梁橋相似，不需要特殊的設(shè)備及工藝。

4 依托工程的應(yīng)用情況

綜合以上研究，確定了依托工程的合理施工工序，有效控制了橋面板開裂。橋梁施工工序見圖9：首先設(shè)置臨時(shí)支撐并架設(shè)鋼梁；其次澆注負(fù)彎矩區(qū)下弦桿混凝土和正彎矩區(qū)混凝土橋面板，通過栓釘連接，使混凝土和對(duì)應(yīng)位置的鋼結(jié)構(gòu)完全組合，分別形成正彎矩組合截面和負(fù)彎矩組合截面；然后拆除臨時(shí)支撐，在梁自重作用下跨中部位混凝土截面上緣產(chǎn)生壓應(yīng)力，作為預(yù)存壓應(yīng)力；澆注中支座位置混凝土板，混凝土板和鋼桁架之間不進(jìn)行完全組合，因此收縮徐變、溫度作用等都不會(huì)導(dǎo)致混凝土板內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力；安裝橋面鋪裝并張拉負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板預(yù)應(yīng)力，其預(yù)存的壓應(yīng)力僅用于抵抗活載引起的拉應(yīng)力即可；最后完成預(yù)留槽混凝土澆筑和鋪裝層施工，成橋[7]。

圖9 雙重組合作用連續(xù)組合桁梁橋的施工工序

采用Midas Civil 2006（V7.4.1）軟件對(duì)主橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下：

作用短期效應(yīng)組合下，主梁下緣不出現(xiàn)拉應(yīng)力，上緣最大拉應(yīng)力為1.2 MPa，滿足抗裂要求。標(biāo)準(zhǔn)組合下主梁上緣最大正應(yīng)力為16.2 MPa，主梁下緣最大正應(yīng)力為12.5 MPa，主梁正截面抗壓滿足要求。

5 結(jié)語

本文依托某實(shí)際工程，對(duì)大跨徑連續(xù)鋼桁組合梁橋應(yīng)用了雙重組合技術(shù)，釋放負(fù)彎矩區(qū)鋼梁對(duì)混凝土的縱向約束，配合合理的施工工序完成橋梁不同階段的體系轉(zhuǎn)換，改善了負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的開裂問題，為負(fù)彎矩區(qū)下弦桿內(nèi)力突增和穩(wěn)定問題提供了經(jīng)濟(jì)可行的措施，實(shí)現(xiàn)了大跨徑連續(xù)鋼桁組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)受力性能的最佳優(yōu)化效果，也為類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)。