鋼- UHPC組合梁在大跨徑橋梁中的設計與應用分析

沈理斌，劉曉鑾

[1.嘉興市快速路建設發展有限公司，浙江 嘉興 314000；2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

鋼- 混組合梁橋近幾年在城市橋梁中獲得了廣泛應用，具有跨越能力大、建筑高度小、抗震性能好及施工快捷等優點[1]。鋼-混組合梁橋可以充分發揮鋼材和混凝土兩種材料的性能優勢，但其負彎矩區混凝土橋面板的開裂問題是設計需要關注的重點[2]。

UHPC 是一種高強度、高韌性、耐久性強的水泥基材料，抗拉強度達到7～10 MPa 以上，臨界開裂應變超過1000×10-6[3-4]。鋼-UHPC 組合梁是通過焊釘將UHPC 橋面板與鋼梁連接成整體，利用UHPC優異的力學性能，鋼-UHPC 組合梁可以實現較薄、較輕的橋面板構造，有效降低上部結構自重和下部基礎工程量，提高負彎矩區橋面板的抗拉強度，提高結構耐久性和橋梁的跨越能力等。

本文以嘉興市市區快速路環線工程跨京杭大運河地面老橋（龍鳳橋）為工程背景，介紹了鋼-UHPC組合梁方案的設計要點，并與預應力混凝土連續梁、波形鋼腹板連續梁和系桿拱橋方案進行了對比分析。結果表明，鋼-UHPC 組合梁方案在類似百米跨徑橋梁工程中具有良好的跨越性能，展示了良好的應用前景。

1 橋梁設計方案

1.1 工程概況

嘉興市市區快速路環線工程采用高架橋梁形式，雙向6 車道，利用現狀中分帶立墩。在中環西路跨越地面老橋龍鳳橋，老橋全長225 m，橋寬56.5 m，跨徑為3×20 m +3×35 m +3×20 m，上部結構采用預應力混凝土T 梁，下部結構采用排架式橋墩，樁柱式橋臺，樁基采用1.2 m、1.5 m 鉆孔灌注樁（見圖1）。

圖1 龍鳳橋現狀平面和橫斷面（單位：m）

1.2 技術標準

（1）汽車荷載：城-A 級。

（2）橋梁寬度：0.5 m（防撞墻）+ 11.75 m（機動車道）+0.5 m（分隔墩）+ 11.75 m（機動車道）+0.5 m（防撞墻）=25.0 m。

（3）環境類別：I 類。

（4）設計使用年限：100 a。

1.3 橋梁總體布置

橋位處為老京杭運河，主干河道，規劃為Ⅵ級航道，河口寬度約80 m，通航凈寬不小于22 m。由于龍鳳橋老橋已有2 個水中墩，為減小阻水率，水利部門要求新建高架橋盡可能不設水中墩。另外，京杭運河為世界文化遺產，文化部門要求盡可能一跨過河；橋墩樁基應避讓老橋樁基，且最小樁間距不小于2.5d，d 為樁基直徑。最終橋梁選擇一跨過河方案，且避讓駁岸，橋墩邊緣距駁岸凈距不小于5 m，總體布置見圖2。

圖2 龍鳳橋主橋總體布置（單位：m）

1.4 鋼-UHP C 組合梁方案

考慮合理受力配跨，鋼-UHPC 組合梁跨徑布置為65 m +95 m +65 m，采用變高度連續梁設計，支點梁高5 m，跨中梁高3 m，梁高按二次拋物線變化。組合梁采用多箱單室結構，共由4 片箱梁組成。橋面板采用6 cm 的UHPC，以減輕上部結構重量、增大橋面板剛度，同時避免鋼橋面板疲勞問題。下部結構采用大挑臂預應力混凝土蓋梁，矩形截面立柱，矩形承臺，鉆孔灌注樁基礎。施工采用鋼梁分段工廠預制，現場組拼后節段拼裝，主橋合龍后澆筑UHPC 組合橋面板。

（1）組合梁斷面設計。組合梁的鋼梁可采用I 形鋼板梁、閉口鋼箱梁或開口槽型梁截面形式，中小跨徑組合梁多采用I 形鋼板梁或開口槽型梁。本橋跨徑較大，為增加主梁的抗彎和抗扭整體性，采用閉口鋼箱梁截面形式，詳見圖3。

圖3 鋼-UHP C 組合梁橫斷面（單位：m）

（2）鋼梁設計。25 m 標準橋寬橫向由4 片箱梁組成，梁距6.0 m，中間采用橫梁連接，橫梁間距10.5 m。鋼梁頂板滿鋪，寬度24.7 m，板厚12～16 m，采用U型加勁肋。底板標準寬度2150 mm，板厚20～30 mm，采用一字加勁肋。

（3）UHPC 橋面板設計。UHPC 橋面板厚60 mm，其上攤鋪40 mm 厚瀝青混凝土磨耗層，UHPC 橋面板與鋼梁采用剪力釘連接，剪力釘型號φ10×40。UHPC 橋面板內布置縱橫向鋼筋，直徑16 mm，間距100 mm。鋼-UHPC 組合梁方案效果見圖4。

圖4 鋼-UHP C 組合梁方案效果

1.5 預應力混凝土連續梁方案

跨徑布置與鋼-UHPC 組合梁相同，為65 m+95 m+65 m。上部結構采用單箱多室變高度連續梁，支點梁高5 m，跨中梁高2.6 m，按二次拋物線變化，箱梁采用單箱三室斷面。下部結構采用雙柱式墩，鉆孔灌注樁基礎。立柱頂端采用擴大頭設計，以增大橫梁支座間距，造型上與主梁順接（見圖5）。采用懸臂澆筑施工方案。

圖5 預應力混凝土連續梁斷面（單位：m）

1.6 波形鋼腹板連續梁方案

跨徑布置采用65 m+95 m+65 m，上部結構采用單箱多室變高度連續梁，支點梁高5.5 m，跨中梁高2.8 m，按二次拋物線變化（見圖6）。波形鋼腹板采用1600 型波形鋼板，現澆節段長度取3.2 m 和4.8 m兩種。箱梁采用混凝土橫隔板，板厚0.5 m，間距8～10 m。波形鋼腹板與混凝土頂、底板之間均采用雙PBL 開孔板的連接方式，采用以波形鋼板作為施工支架的SCC 施工法。

圖6 波形鋼腹板連續梁斷面（單位：m）

1.7 系桿拱橋方案

系桿拱采用鋼梁鋼拱方案，跨徑為95 m，兩邊接線采用小箱梁。主梁采用雙邊箱結構，箱室寬度與拱肋保持一致，兩箱室中心距為27.1 m。標準橫梁采用工字形斷面，橫梁間距6 m，與拉索間距保持一致。采用先梁后拱施工方法，先在河中搭設2 個臨時墩，施工系梁和橫梁；主梁架設完畢后，在梁上架設鋼拱。

系桿拱橋方案效果見圖7。

圖7 系桿拱橋方案效果

2 鋼-UHPC 組合梁方案分析

2.1 經濟性分析

本文分別對相同跨徑和技術標準的鋼-UHPC組合梁、預應力混凝土連續梁、波形鋼腹板連續梁和系桿拱橋方案的經濟性進行分析，結果見表1。從中可以看出，與預應力混凝土連續梁相比，鋼- UHPC組合梁方案綜合單價增加約12%，波形鋼腹板連續梁方案綜合單價增加約8%，系桿拱橋方案綜合單價增加約6%。由此可見，鋼-UHPC 組合梁方案具有良好的經濟優勢。

表1 方案經濟比選表

從表1 可以看出，預應力混凝土連續梁自重最大，約為鋼-UHPC 組合梁的3 倍，導致其基礎體積大，需拆除的地面老橋的T 梁數增加，增大了地面橋拆除工作量和造價。由于體外預應力和波形鋼腹板的單價較高，波形鋼腹板連續梁上部結構造價比預應力連續梁方案略高，下部結構造價相當。系桿拱方案沒有配跨，單位面積造價與混凝土連續梁相當。鋼-UHPC 組合梁方案上部結構自重最小，基礎體量和地面橋拆除改建工程量最小，綜合造價更顯優勢。

2.2 施工方案分析

龍鳳橋是快速路環線的控制性工程，其施工進度決定了整個項目的竣工時間，所以宜選擇工期較短的施工方案。預應力混凝土連續梁為常規橋梁，施工工藝成熟，但其懸臂施工需逐節段澆筑，施工周期長。波形鋼腹板連續梁采用SCC 施工方法，施工周期與懸澆混凝土梁相當，但其景觀效果與文物保護要求不大一致。系桿拱橋方案采用先梁后拱的施工方法，施工期間對航道、河道行洪有一定影響，施工工序繁雜，對施工技術要求最高。

鋼-UHPC 組合梁方案可以實現工廠預制，現場拼裝，上、下部結構同步施工，施工周期最短。綜合考慮工期要求、河道行洪、通航、老橋改建、地面交通、抗震性能、景觀要求等因素，最后選定鋼-UHPC 組合梁為本工程推薦方案。

2.3 耐久性分析

已有工程實踐表明，大跨徑預應力混凝土連續梁橋在服役期易出現箱梁裂縫、豎向預應力失效和主梁撓度持續增大等病害，影響結構的正常使用性能和使用壽命[8]。波形鋼腹板連續梁可以解決大跨徑混凝土連續梁橋的腹板開裂問題，提高腹板抗剪性能和結構耐久性。

UHPC 材料結構致密，氯離子等有害物質難以通過毛細孔進入混凝土內部，提高了抵抗有害物質侵襲的能力，鋼結構的防腐技術[5-7]也已經相對成熟，因此鋼- UHPC 組合梁與預應力混凝土連續梁和波形鋼腹板連續梁相比，在耐久性方面具有較大優勢。

3 結 論

本文以嘉興市市區快速路環線工程跨越京杭大運河地面老橋（龍鳳橋）為例，介紹了鋼-UHPC 組合梁方案的設計要點，并與預應力混凝土連續梁、波形鋼腹板連續梁和系桿拱橋方案進行了對比，最終決定采用鋼-UHPC 組合梁方案。同時得到如下主要結論：

（1）鋼-UHPC 組合梁方案上部結構自重輕，下部結構規模小，地面橋拆除改建工程量小，在經濟性方面具有良好的競爭優勢。

（2）鋼-UHPC 組合梁方案可以實現工程全預制，吊裝重量輕，實現快速化架設。

（3）鋼- UHPC 組合梁方案可避免傳統組合梁負彎矩區混凝土易開裂的風險，UHPC 材料內部致密，耐久性良好，可大幅減少結構后期維護。