王 冰

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

1 工程概況

某高速公路主橋跨越既有鐵路，線路平面位于直線及R=1 000 m的圓曲線上和緩和曲線上，立面位于3.5%的上坡和0.3%的下坡上?？缇€主橋為(65+100+65)m三跨雙層鋼－混凝土結(jié)合連續(xù)梁，橋面采用雙幅布置，每幅橋面寬度16.5 m，中間0.5 m分隔帶，橋梁全長997.08 m。上部鋼結(jié)構(gòu)部分采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場拼裝，采用步履式頂推法施工，以減少對既有鐵路的運營影響。下部橋墩錯孔設(shè)置，主、邊墩采用鋼筋混凝土矩形獨柱花瓶式空心橋墩，群樁基礎(chǔ)，樁徑1.5 m。

2 主要技術(shù)標準

(1)道路等級:高速公路。

(2)設(shè)計荷載:1.3倍公路－Ⅰ級。

(3)設(shè)計車速:100 km/h。

(4)橋?qū)?橋面按雙向六車道設(shè)計，雙幅橋，每幅橋?qū)?6.5 m，兩幅橋凈距0.5 m，兩幅橋總寬33.5 m。

(5)地震等級:抗震設(shè)防烈度為8度，水平向地震動峰值加速度為0.255g，反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

(6)橋面橫坡:2.0%單面坡。

(7)氣溫:年平均氣溫14.9℃，極端最高氣溫31.5℃，極端最低氣溫–7.8℃。

(8)設(shè)計風(fēng)速:100年一遇10 m高度處設(shè)計基本風(fēng)速V10m=26.3 m/s，施工狀態(tài)10 m高度處設(shè)計基本風(fēng)速V10m=19.9 m/s。

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

3.1 上部構(gòu)造

本橋橋式為一聯(lián)(65+100+65)m鋼—混結(jié)合連續(xù)梁，左、右兩幅分幅布置，結(jié)構(gòu)橫斷面由混凝土橋面板及整體成槽形的鋼梁組成，槽形鋼梁整體上由頂板、腹板、底板、空腹式橫梁、實腹式橫梁、腹板加勁肋、底板加勁肋組成。為方便步履式頂推施工，全橋結(jié)構(gòu)采用等高度(4.8 m)，高跨比為1/20.8，標準橫斷面形式見圖1。

圖1 標準橫斷面(單位:mm)

3.2 下部構(gòu)造

(65+100+65)m鋼—混結(jié)合梁，主橋兩幅共8個橋墩，分別是右幅6號邊墩、7號主墩、8號主墩、9號邊墩;左幅7號邊墩、8號主墩、9號主墩、10號邊墩。橋址地面起伏，墩高差別較大，橋墩結(jié)構(gòu)高度參數(shù)見表1。

表1 橋墩結(jié)構(gòu)高度參數(shù) m

主橋橋墩均采用鋼筋混凝土矩形獨柱空心橋墩，墩柱截面尺寸均采用5.0 m×4.0 m，主、邊墩頂部圓弧擴大為蓋梁尺寸8.0 m×3.0 m，邊墩頂部接L形蓋梁順接引橋小箱梁。主橋基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ)，樁基均按摩擦樁設(shè)計，承臺矩形尺寸10.5 m×10.5 m×4.0 m，每墩下設(shè)9根直徑1.5 m鉆孔灌注樁。

左幅8號主墩、右幅7號主墩墩頂設(shè)縱向固定支座，其余墩頂均設(shè)活動支座，支座采用摩擦副減隔震支座系列產(chǎn)品。

4 結(jié)構(gòu)分析計算

4.1 施工順序

根據(jù)施工過程體系轉(zhuǎn)換，將施工順序分為以下11個步驟。

(1)安裝頂推段128 m鋼梁。

(2)跨既有鐵路段48.45 m范圍，安裝橋面板、現(xiàn)澆橋面板濕接縫、澆筑防撞墻、安裝防拋網(wǎng)，計入橋面板混凝土濕重。

(3)跨鐵路孔橋面板與鋼梁結(jié)合受力。

(4)步履式頂推，距離128 m。頂推就位后，安裝其余102 m鋼梁段。

(5)安裝邊跨及中跨跨中橋面板，現(xiàn)澆濕接縫，計入橋面板混凝土濕重。

(6)邊跨及中跨跨中橋面板與鋼梁結(jié)合受力。

(7)整體落梁，拆除臨時墩，完成體系轉(zhuǎn)換。

(8)安裝主墩墩頂橋面板，現(xiàn)澆濕接縫，澆筑底板混凝土，計入混凝土濕重。

(9)橋面板、底板混凝土與鋼梁雙層結(jié)合受力，張拉負彎矩橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束。

(10)加載剩余部分二期恒載。

(11)運營通車。

4.2 頂推施工過程模擬

頂推初始位置示意見圖2，頂推就位位置見圖3，共設(shè)8處臨時墩，墩號以右幅為例，僅在臨時墩墩頂設(shè)置頂推裝置。單幅頂推鋼梁長度128 m，頂推距離128 m，頂推重量1 800 t，頂推速度約6 m/h。頂推施工過程采用MIDAS 2010頂推建模助手，建立步履式頂推分析模型，頂推步長1 m，共建立136個施工階段，可以真實、準確模擬各階段結(jié)構(gòu)不同的支承體系，反映鋼梁、混凝土橋面板受力及支反力變化情況，便于有效控制施工過程中的風(fēng)險。頂推模型見圖4所示。

圖2 頂推初始位置示意(單位:cm)

圖3 頂推就位位置示意(單位:cm)

圖4 頂推模型

在頂進過程中，跨既有鐵路段48.45 m范圍內(nèi)橋面板與鋼梁作為聯(lián)合截面共同受力，結(jié)構(gòu)體系隨著梁體支撐位置的不斷變化而變化，混凝土橋面板始終處于受壓狀態(tài)，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最小壓應(yīng)力為0.5 MPa，最大壓應(yīng)力為5.78 MPa;鋼梁上緣最大產(chǎn)生103.5 MPa的拉應(yīng)力、56.3 MPa的壓應(yīng)力，鋼梁下緣最大產(chǎn)生42.5 MPa的拉應(yīng)力、47.6 MPa壓應(yīng)力，均滿足規(guī)范要求。整個頂推過程中6號臨時墩較為典型，其支反力變化曲線見圖5，在頂進113 m的時候，6號臨時墩豎向反力達到最大，為9475.3 kN。鋼梁前端即將到達7號臨時墩即上墩前，鋼梁懸臂最大43 m，前端位移最大達到135.9 mm，為抗傾覆穩(wěn)定最不利狀態(tài)，需有足夠的安全系數(shù)才能保證鐵路的運營安全，此時梁體最小縱向抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為14，有足夠的安全保證。

圖5 頂推過程中6號臨時墩支反力變化

4.3 翼緣板有效寬度計算

薄壁箱形截面剪力滯后效應(yīng)明顯，在應(yīng)力檢算時翼緣板截面采用有效寬度概念簡化計算，而在處理連續(xù)結(jié)合梁的有效翼緣寬度時，國外規(guī)范將連續(xù)梁按等效跨度分為若干段，每一段按簡支梁處理，我國規(guī)范對此規(guī)定僅針對簡支梁，現(xiàn)行規(guī)范沒有連續(xù)梁相應(yīng)的規(guī)定，沒有等效跨度的概念［5］。翼緣板有效寬度取值的科學(xué)合理性是正確設(shè)計計算結(jié)合梁的關(guān)鍵，經(jīng)過綜合比較，依據(jù)日本《道路橋示方書》［6］，對鋼筋混凝土翼緣板及鋼梁底板的有效分布寬度進行計算，由表2結(jié)果可見，中支點截面有效寬度折減最多，達到20%左右，跨中截面有效寬度折減則較少，中跨設(shè)計截面中可按全寬考慮。

4.4 主梁整體結(jié)構(gòu)縱向計算

主梁第一體系即縱梁體系，采用結(jié)合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件和MIDAS 2010結(jié)構(gòu)分析軟件進行有限元分析，鋼梁劃分128個單元，129個節(jié)點，橋面板劃分128個單元(129～256)，129個節(jié)點(130～257)，4個永久墩支承單元，8個臨時墩支承單元，臨時墩處設(shè)為僅受壓支座。結(jié)構(gòu)離散圖見圖6。

表2 有效寬度計算 m

施工過程中模擬了結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的實際過程，橋面板材料按零容重考慮，分階段計入混凝土濕重?？紤]了翼緣板有效寬度、臨時墩安拆、不同齡期橋面板產(chǎn)生的收縮徐變效應(yīng)、混凝土硬化結(jié)合時機、預(yù)應(yīng)力張拉等;運營階段分別考慮了1.3倍的活載、風(fēng)力、1 cm基礎(chǔ)不均勻沉降等;溫度荷載包括整體升溫25℃、降溫25℃、鋼－混材料溫差10℃。

設(shè)計方法上，現(xiàn)行《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTJ 025—86)［1］中關(guān)于組合結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計仍采用以彈性理論為基礎(chǔ)的容許應(yīng)力設(shè)計法，其安全系數(shù)主要根據(jù)經(jīng)驗取值，缺乏嚴格的科學(xué)依據(jù)，而即將頒布的《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(征求意見稿)［2］關(guān)于鋼橋及組合結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計均采用了基于概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法［4］。本橋采用極限狀態(tài)法進行設(shè)計，橋面板作為B類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，允許開裂但對裂縫寬度進行限制。經(jīng)檢算，鋼梁在基本組合下上緣最大應(yīng)力234.0 MPa、下緣最大應(yīng)力261.2 MPa、組合應(yīng)力279.9 MPa，均滿足設(shè)計要求。

4.5 橋面板計算

本橋橋面板為雙向受力板，采用MIDAS 2010結(jié)構(gòu)分析程序建立了空間有限元分析模型，橋面板按板單元進行建模計算，縱向取3個標準隔板單元(共13.95 m)進行分析，計算荷載包括恒載、活載、溫度變化等作用，恒載按面荷載進行加載，活載采用車輛荷載進行局部加載，根據(jù)4個車道面進行最不利組合。經(jīng)檢算橋面板混凝土承載能力及裂縫寬度均能滿足規(guī)范要求。橋面板計算模型如圖7所示。

圖6 結(jié)構(gòu)離散圖

4.6 負彎矩區(qū)的處理

對于結(jié)合梁來說，正彎矩區(qū)上緣混凝土受壓、下緣鋼材受拉，最符合材料分布合理的原則。而在負彎矩區(qū)，混凝土橋面板受拉而鋼梁下緣受壓，混凝土很容易開裂，造成截面剛度的下降，影響結(jié)構(gòu)的強度和耐久性，材料最初的優(yōu)勢變成一種缺陷，中支點負彎矩區(qū)也就成為連續(xù)結(jié)合梁的薄弱位置。需要采取合理有效措施降低中支點截面負彎矩，減少混凝土橋面板的受拉范圍及裂縫寬度。

(1)調(diào)整施工順序

鋼梁架設(shè)完成后，先澆筑正彎矩區(qū)段橋面板混凝土，再拆除臨時支架，鋼梁在一期恒載作用下自由撓曲，一恒產(chǎn)生的正彎矩由組合結(jié)構(gòu)共同承擔，負彎矩由鋼梁獨自承擔，然后澆筑負彎矩區(qū)段橋面板混凝土，其在自重狀態(tài)下基本處于無應(yīng)力狀態(tài)，與鋼梁結(jié)合后只承受二期恒載和活載作用。本橋?qū)φ{(diào)整施工順序前后兩方案做了對比(均未施加預(yù)應(yīng)力)，結(jié)果見表3。由于本橋跨度大，運營階段中支點處負彎矩最大301.3 t·m，遠大于跨中正彎矩194.0 t·m，材料矛盾更為突出，通過對混凝土橋面板澆筑順序的巧妙安排，可對截面內(nèi)力及應(yīng)力分配起到良好的作用。

圖7 橋面板空間有限元計算模型

表3 調(diào)整施工順序結(jié)果對比 t·m

(2)橋面板施加預(yù)應(yīng)力

在混凝土橋面板受拉區(qū)布置預(yù)應(yīng)力，也可以降低混凝土的拉應(yīng)力。標準組合下，考慮負彎矩處橋面板是否施加預(yù)應(yīng)力兩種情況分別計算，不加預(yù)應(yīng)力時，中支點混凝土橋面板名義拉應(yīng)力12.41 MPa，施加預(yù)應(yīng)力后，中支點混凝土橋面板名義拉應(yīng)力6.34 MPa，降低50%左右，效果顯著，加之橋面板的高配筋率，裂縫寬度可控制在規(guī)范限值內(nèi)。需注意的是，混凝土開裂退出工作，中支點兩側(cè)各0.15倍跨度范圍內(nèi)的橋面板截面剛度僅計入有效寬度內(nèi)鋼筋的作用，截面剛度折減較多，應(yīng)以此工況校核鋼梁應(yīng)力。

不過此方法也有不少負面效應(yīng)，由于鋼梁和混凝土的共同作用，負彎矩施加的預(yù)應(yīng)力不能完全有效的作用于橋面板上，需要配置大量的預(yù)應(yīng)力鋼束，導(dǎo)致鋼梁上緣應(yīng)力增大，剪力鍵設(shè)置增多，錨后應(yīng)力突變，在構(gòu)造上也難以布置，施工較為復(fù)雜，需要綜合比較后合理配置。

針對后期預(yù)應(yīng)力損失較大的問題，本橋混凝土橋面板采用分塊預(yù)制，后澆濕接縫的方法，預(yù)制板至少存放6個月的時間，以減少由于混凝土收縮徐變造成的不利影響。

(3)雙層結(jié)合受力

本橋跨度較大，中支點截面除了混凝土橋面板受拉裂縫較難控制外，鋼梁下翼緣板受壓問題也比較突出，需要至少設(shè)置厚度50 mm以上的底板及加勁板，不僅用鋼量大，而且厚板施焊難度大，焊接應(yīng)力及焊接變形大，質(zhì)量不易保證。隨著板厚的增加，應(yīng)力隨之折減較多，厚板效應(yīng)比較明顯，經(jīng)濟性差。

本橋中支點底板厚度28 mm，采用單層結(jié)合方案，中支點下緣應(yīng)力398.2 MPa，而采用雙層結(jié)合方案，截面剛度大大增加，中支點下緣應(yīng)力減小到247.7 MPa，作用明顯。因此采用在中支點采用雙層結(jié)合的方式，下翼緣板用混凝土替代鋼材，此法最大限度的發(fā)揮混凝土承壓特點，底板兼做底模，施工方便，大大降低工程造價。

5 結(jié)束語

(1)結(jié)合頂推法施工，選擇等高度梁配以合適的高跨比，與變高度梁相比，綜合造價相差不大，但施工則更為便利。

(2)對于連續(xù)結(jié)合梁來說，中支點剪力滯后效應(yīng)尤為明顯，直接影響到控制截面的換算特性，設(shè)計時綜合對比國、內(nèi)外規(guī)范并對翼緣板有效寬度進行合理取值很有必要。

(3)結(jié)合梁負彎矩區(qū)的處理是設(shè)計的關(guān)鍵，可采用的措施有很多，通過調(diào)整優(yōu)化加載施工順序、增加預(yù)制混凝土橋面板齡期、負彎矩增設(shè)預(yù)應(yīng)力、提高配筋率等方法均可有效減少混凝土橋面板拉應(yīng)力，控制裂縫寬度。

(4)大跨度連續(xù)結(jié)合梁中支點處采用雙層鋼－混結(jié)合方式，具有眾多潛在的優(yōu)勢，充分發(fā)揮材料特性，大大減少鋼梁底板厚度，降低鋼材的用量，使結(jié)構(gòu)更加合理經(jīng)濟。

［1］ JTJ 025—86 公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］

［2］ 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范(征求意見稿)［S］

［3］ 黃喬．橋梁鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］．北京:人民交通出版社，2003

［4］ 聶建國．鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁［M］．北京:人民交通出版社，2011:19-42

［5］ 李運生，王元清，石永久，張彥玲．組合梁橋有效翼緣寬度國內(nèi)外規(guī)范的比較分析［J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2006(4):34-38

［6］ 日本道路協(xié)會．道路橋示方書［M］．東京:丸善株式會社，1979