道慶洲大橋標準段鋼桁結合梁關鍵技術研究

鄭亞鵬

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司,武漢 430056)

1 工程概況

福州市道慶洲過江通道工程位于閩江和烏龍江交叉口，連接福州市倉山區和長樂市。大橋位于青州閩江大橋和福泉高速烏龍江大橋之間，在道慶洲濕地邊緣通過，如圖1所示。

圖1 工程總平面

跨江大橋采用“公路+軌道交通”[1]雙層合建方式，建設標準上層采用6車道城市主干道兼一級公路和人行非機動車混行通道，下層通行速度100 km/h雙線地鐵。跨江橋全線長2 268.5 m，其中，跨江引橋標準段采用7×84 m連續鋼桁結合梁[2]。跨江引橋標準段分第三聯和第四聯，位于線路直線段，如圖2所示。跨江標準段引橋從道慶洲濕地邊緣通過，大部分河床面高程均在-2.0 m左右，平時水深較淺，無通航要求。橋址處覆蓋層為第四系全新統沖洪積層，厚35～62 m。場區基巖以燕山早期侵入花崗巖后經區域動力變質形成的花崗片麻巖為主。

圖2 橋梁跨度布置(單位：m)

2 橋梁設計技術難點及跨度構思

跨江引橋孔跨布置需綜合考慮道慶洲濕地保護、橋下防洪、三江口景觀、施工便利、經濟性等因素。道慶洲濕地作為沿海通往內陸的生態廊道和濕地鏈之一，為各類水生、濕地植物提供必要的生長環境，是各類動物良好的繁殖地、覓食地和棲息地。本項目在工可階段對線位進行多次調整和比較，以避開道慶洲濕地[3]。然而，受總體規劃線位及兩岸接線等條件控制，最終調整后的線位從道慶洲濕地邊緣通過，還是不可避免地侵占了部分水域。為最大程度降低大橋對濕地的不利影響，環評要求加大跨江引橋的跨度以減小橋墩數量，專題報告建議引橋跨徑需大于80 m。

根據TB10082—2017《鐵路軌道設計規范》要求，溫度跨度大于100 m的鋼梁需設置鋼軌伸縮調節器[4]；同時，考慮到行車舒適性的要求，盡量減少伸縮縫數量。綜合考慮各種因素要求，采用7×84 m連續鋼桁梁方案經濟性和結構受力均較好，滿足環評報告要求。

相比其他同類型橋梁，本橋在技術方面具有以下難點。

(1)長聯大跨。本橋為7孔一聯，每孔跨度84 m。隨著聯長的增加，對設計和施工均提出更高要求。

(2)地鐵橋面采用無砟軌道[5]。無砟軌道對結構剛度要求較高，且對施工精度要求更高。

(3)無橫向連接系。相比常規鋼桁梁，本橋未設置橫向連接系，需對結構進行深入分析。

(4)公路面采用組合梁結構[6]。組合梁結構可有效避免鋼橋面鋪裝的難題，但同時使得結構自重增加，給墩頂和挑臂橫向根部裂縫控制帶來新的挑戰。

3 主要技術標準

(1)設計基準期100年。

(2)上層橋面線路標準：城市主干道兼一級公路，6車道，設計行車速度60 km/h，城市A級。

(3)下層橋面線路標準：地鐵6號線，雙線通行，設計運行速度100 km/h，線間距4.2 m，采用國家標準B2車型，列車編組6輛，接觸網受電，車輛最大軸重140 kN，最小軸重65 kN，空載軸重80 kN[7]。

(4)抗震設防標準：抗震設防烈度為Ⅶ度；E1地震作用下(50年超越概率10%)的水平地震動峰值加速度為0.125g，E2地震作用下(50年超越概率2%)的水平地震動峰值加速度為0.237 5g。

4 結構設計

4.1 總體布置

鋼桁梁跨度布置為：0.7 m+7×84 m+0.7 m=589.4 m，見圖3。上層為6車道公路+兩側人群和非機動車道，下層為雙線地鐵。上層橋面采用密橫梁結構，組合梁結構；下層為“縱橫梁+正交異性板整體鋼橋面[8]”。橋梁橫斷面采用2片主桁，不設置橫向聯結系[9]，主桁中心距15 m，公路挑臂橫梁長8 m，公路路面寬31 m，見圖4。

圖3 引橋標準段立面布置(單位：m)

圖4 引橋標準段橫斷面布置(單位：m)

標準段鋼桁梁均采用Q345qD鋼材，公路橋面板采用C50混凝土，橋面板鋼筋采用HRB400鋼筋，樁基為C35混凝土，承臺為C35混凝土，墩身為C40混凝土。

4.2 主桁

主桁采用無豎桿的三角型桁架[10]，節間長12 m，桁高9.5 m。上、下弦桿均采用箱形截面，腹桿采用箱形截面或H形截面[11]，見圖5。主桁節點采用焊接整體節點，節點外拼接。上弦桿高1.56 m，下弦桿高1.46 m，內寬均為1.0 m。上、下弦桿內側均設置板式加勁肋，腹桿不設置加勁肋。節段間弦桿采用栓焊結合聯接，腹桿采用栓接，見圖6。

圖5 主桁截面(單位：mm)

圖6 主桁節點構造

4.3 鐵路橋面系

鐵路橋面系采用“縱橫梁+正交異性板整體鋼橋面[12]”，見圖7。每隔12 m設置1道大橫梁，中間設置3道橫肋。鐵路橋面系頂板厚16 mm，頂板采用板式加勁肋，加勁肋尺寸200 mm×16 mm；橫梁腹板厚18 mm，橫梁下翼緣尺寸700 mm×32 mm；橫肋腹板厚12 mm，下翼緣尺寸200 mm×12 mm；縱梁高1 100 mm，腹板厚12 mm，下翼緣界面360 mm×16 mm。鐵路橋面系與主桁連接采用栓焊結合方式[13]，鐵路橋面系頂面設置1%橫坡。

圖7 鐵路橋面系布置(單位：m)

4.4 公路橋面系

公路橋面系采用鋼混結合梁，見圖8，混凝土板厚220 mm，鋼橫梁采用密橫梁體系[14]，混凝土板和鋼橫梁通過剪力釘連接。橫梁間距3 m，橫梁頂板尺寸480 mm×24 mm，普通橫梁腹板厚12 mm，節點橫梁腹板厚14 mm，普通橫梁底板尺寸360 mm×24 mm，節點橫梁底板尺寸440 mm×24 mm。公路橋面系頂板設置2%橫坡。公路橫梁與主桁采用栓焊結合方式連接，上翼緣與主桁焊接，下翼緣和腹板為栓接[15]。

圖8 公路橋面系布置(單位：m)

混凝土橋面板采用C50高性能混凝土，縱橫向分塊預制，板厚220 mm。橋面板主筋采用HRB400鋼筋，縱向鋼筋φ20 mm，間距125 mm，橫向鋼筋φ22 mm，間距125 mm。混凝土板預制存梁期180 d。

4.5 支座

支座均采用雙曲面球形減隔震支座[16]，各支點設置橫向擋塊。邊墩支座承載力1.5×104kN，中墩支座承載力4×104kN。

4.6 預拱度

主桁設有預拱度[17-18]，預拱度由上弦桿長度伸縮形成，伸長或縮短值在上弦桿拼接板的拼縫中變化，弦桿和斜桿仍交匯于節點中心。縱向預拱度考慮恒載和豎曲線影響。

4.7 下部結構

引橋標準段鋼桁梁墩身結構形式相同，上半部墩身橫向均為“n”字形框架墩，下半部采用圓端形實體墩身，單個墩柱為“馬蹄形”，基本尺寸為5 m×5 m，墩柱為實體截面。墩頂設矩形帽梁，平面尺寸為6.5 m×21.5 m，高度4.3 m；承臺平面尺寸為14 m×24.5 m，承臺厚4.0 m。橋墩基礎均為鉆孔灌注樁，規格為φ2.0 m和φ2.2 m。

5 施工方案

5.1 下部結構施工

橋墩施工首先搭設鉆孔平臺，進行鉆孔樁施工；然后，根據實際水位，采用鋼板樁圍堰[19]進行承臺施工。墩身采用分節段翻模法施工，模板宜采用整體鋼模板，模板外側帶有操作平臺以滿足墩身施工作業要求。

5.2 上部結構施工

鋼桁梁采用懸臂桿件拼裝方案，每孔跨中設置臨時墩。混凝土板采用工廠預制施工，存梁后吊裝到位，之后澆筑濕接縫。

由于本橋荷載較大，中墩頂處主梁承受較大負彎矩，上部混凝土板承受較大拉應力。同時，在混凝土收縮徐變長期作用下，混凝土板受拉問題更加突出，如不采取必要的控制措施，混凝土拉應力超標，裂縫寬度超過JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》的要求。為保證墩頂處混凝土板裂縫寬度不超限，改善混凝土板的受力狀態，采取以下施工措施。

(1)優化混凝土板結合順序和頂落梁措施[8]。為控制中墩頂處混凝土板裂縫，采用依次起頂中墩鋼梁的方法為混凝土板施加預壓應力，先結合跨中2個節間混凝土板→起頂中墩處鋼梁→結合墩頂區域5個節間混凝土板→下落中墩處鋼梁。根據中墩位置的不同，起頂量分為17 cm和22 cm兩種。頂落梁示意見圖9。

圖9 頂落梁示意(單位：m)

(2)預制混凝土板，并嚴格控制存梁期。由于混凝土的收縮徐變效應主要發生在早期，將混凝土在工廠內預制后，放置180 d存梁，可有效減小收縮徐變對結構的不利影響[14]。

(3)濕接縫。濕接縫現澆段采用微膨脹混凝土。

通過以上措施，并結合混凝土板配置普通鋼筋，可將裂縫寬度控制在規范允許值以內。

6 受力分析

采用橋梁空間結構分析軟件3DBridge[20]建立全橋結構分析模型。主桁、橋面系縱橫梁采用梁單元，混凝土橋面板和正交異性板采用板單元。混凝土板考慮施工過程對收縮徐變的影響。

結構荷載包括：①恒載，鋼梁和混凝土自重用密度調整系數施加，附屬荷載按照壓力荷載施加，附屬荷載包括公路面鋪裝、欄桿、燈柱、排水槽、指示牌、鐵路無砟軌道、軌道附屬件、檢查車軌道等；②公路活載，采用6車道“城A”，按規范考慮橫向折減系數，兩側設置“人群+非機動道”；③鐵路活載，采用6輛編組“B2型車”。

6.1 主桁檢算

按照TB10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》進行檢算。檢算工況分為3個階段，即主力、主+附、安裝階段。Q345qD軸向容許應力200 MPa，根據不同檢算工況，容許應力乘以相應的提高系數[21]。主桁主要桿件的檢算結果如表1所示。

表1 主桁主要桿件檢算結果

6.2 橋面系橫向驗算

采用空間節段分析模型，進行橋面系橫向驗算，活載按照車輛荷載(輪載)施加，其余荷載與總體計算模型一致。將公路和鐵路橫梁計算結果列出，如表2、表3所示，橋面系橫向應力滿足TB10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》容許應力要求。

表2 公路橫梁計算結果 MPa

表3 鐵路橫梁計算結果 MPa

6.3 結構剛度

(1)梁端轉角

根據計算，梁端轉角為0.8‰。根據GB50517—2013《地鐵設計規范》要求：在列車靜活載作用下，有砟軌道橋梁梁單端豎向轉角不應大于5‰，無砟軌道橋梁單端豎向轉角不應大于3‰rad；無砟軌道梁單端豎向轉角大于2‰rad時，應檢算梁端處軌道扣件的上拔力。本橋活載梁端轉角滿足規范2‰rad要求。

(2)跨中撓度

根據計算，邊跨活載撓跨比1/4 305，中跨活載撓跨比1/4 962。根據JTG_D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》要求：簡支或連續桁架，撓跨比限值為1/500。根據GB50517—2013《地鐵設計規范》要求：L>80 m橋梁，豎向撓跨比限值1/1 000。本橋活載撓度均滿足規范要求。

6.4 混凝土板

混凝土橋面板縱橫梁均采用普通混凝土結構。橋面板主筋采用HRB400鋼筋，縱向鋼筋φ20 mm，間距125 mm，橫向鋼筋φ22 mm，間距125 mm。混凝土板計算分為縱向及橫向計算，縱向計算考慮第一系統和第二系統疊加。

橫向計算結果：混凝土板最大拉應力5.9 MPa，最大壓應力3 MPa，最大裂縫寬度0.17 mm。縱向計算結果：混凝土板最大拉應力4.5 MPa，最大壓應力6.1 MPa，最大裂縫寬度0.16 mm。結果均滿足JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中一類環境要求。

7 結論

在福州道慶洲大橋標準段設計過程中存在諸多限制因素和設計難題，關鍵技術總結如下。

(1)標準段引橋采用長聯布置，橋型簡潔統一，減少了公路面伸縮縫數量，提高了行車舒適性；同時長聯布置，有利于懸臂拼裝施工。

(2)采用84 m孔跨布置，有利于保護濕地環境，也減少了地鐵伸縮軌道調節器數量。

(3)公路橋面采用“密橫梁+混凝土板”結合梁設計，不僅結構傳力清晰，有利于提高縱橫向結構剛度，減少了橫聯，且有利于降低鋪裝工程造價。

(4)鐵路橋面采用正交異性板整體鋼橋面，有利于提高結構剛度。

(5)為保證墩頂處混凝土板裂縫寬度滿足規范要求，改善混凝土板的受力狀態，采用頂落梁措施。

通過介紹道慶洲大橋引橋標準段的結構設計、施工方法、受力分析等關鍵技術，以期為今后類似橋梁設計、施工提供參考。福州道慶洲大橋于2017年開工建設，預計2022年開通運營。