卿前志

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

1 工程概況

寧波市梅山春曉大橋工程西起春曉洋沙山東六路與春曉東八路交叉口，終點(diǎn)位于梅山島鹽湖路與港灣路交叉口，工程全長約1.971 km。橋梁工程主要包括主橋、春曉側(cè)引橋、梅山側(cè)引橋及明月湖輔道橋。梅山春曉大橋主橋采用中承式雙層桁架拱橋。水中引橋結(jié)構(gòu)形式為3×72 m連續(xù)鋼桁架-混凝土橋面板疊合梁，包括梅山側(cè)與春曉側(cè)兩聯(lián)。為了解決慢行系統(tǒng)過江的問題，橋梁采用雙層橋面布置：上層為雙向6車道一級公路，下層為人非專用通道。考慮到下層橋面系需要布置人非系統(tǒng)，為降低車輛行駛過程中對下層慢行交通系統(tǒng)的噪聲影響，同時(shí)避免鋼橋面板在活載作用下的疲勞問題，上層機(jī)動車橋面系采用混凝土橋面板。

水中引橋采用鋼-混凝土連續(xù)桁架疊合梁形式，設(shè)置上、下兩層橋面系。結(jié)構(gòu)總高8.96 m，上層橋面總寬25 m，下層橋面寬12 m。鋼桁架下弦桿采用箱形截面，截面高1.2 m，截面寬1 m。上弦桿采用箱形截面，截面高1.8 m，截面寬1.53 m。腹桿根據(jù)受力采用H形或箱形截面。上層橋面弦桿中心距16.46 m，中間設(shè)置小縱梁一道。縱橋向布置橫隔板，間距4 m。上層橋面為混凝土橋面板，板厚250 mm，混凝土強(qiáng)度等級C60。下層橋面采用鋼板，加勁采用一字肋。水中引橋疊合梁橫斷面如圖1所示。

圖1 梅山春曉大橋水中引橋斷面圖（單位m）

現(xiàn)結(jié)合梅山春曉大橋水中引橋，對連續(xù)鋼桁架疊合梁的設(shè)計(jì)及建造技術(shù)進(jìn)行介紹。

2 鋼桁梁設(shè)計(jì)

2.1 整體計(jì)算

水中引橋結(jié)構(gòu)形式為3×72 m連續(xù)鋼桁架疊合梁。橋梁采用雙層桁架形式，上部結(jié)構(gòu)混凝土橋面板縱橋向按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，橫橋向按預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。

建立鋼桁梁整體計(jì)算模型：上層鋼橫梁、腹桿、上弦桿、下弦桿、下層鋼橫梁以梁單元模擬。混凝土橋面板以板單元模擬，并與上層鋼橫梁采用共節(jié)點(diǎn)。上層橫梁與弦桿之間采用剛性連接。下層橋面系用板單元模擬，并計(jì)入下層橋面加勁的剛度，即下層橋面板加勁與橋面板等效為板單元。下層橋面系與下弦桿橫梁之間通過剛性連接進(jìn)行連接，下弦桿橫梁端部與下弦桿共節(jié)點(diǎn)。中支點(diǎn)及端支點(diǎn)橫梁對應(yīng)位置約束相應(yīng)的自由度。

建立的整體有限元分析模型如圖2所示。

圖2 3×72 m連續(xù)鋼桁架疊合梁整體計(jì)算有限元模型

橋面橫梁與上弦桿及下層橋面板與下橫梁連接細(xì)部如圖3、圖4所示。

圖3 橋面橫梁與上弦桿連接圖

圖4 下層橋面板與下橫梁連接圖

整體分析模型模擬施工階段如下：

（1）安裝鋼桁梁、上層鋼橫梁及下層鋼橋面板，并安裝桁架節(jié)點(diǎn)板位置橫梁相接的小縱梁及截面端部小縱梁。

（2）兩中支點(diǎn)向上頂升55 cm。

（3）安裝剩余段小縱梁。

（4）吊裝施工上層預(yù)制混凝土橋面板，現(xiàn)澆預(yù)制橋面板縱橫向濕接縫，待達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后張拉橫向預(yù)應(yīng)力。

（5）中支點(diǎn)下降回落至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

（6）施工橋面鋪裝、欄桿等二期荷載。

（7）成橋。

施工階段鋼梁應(yīng)力滿足。

成橋狀態(tài)，橋面板收縮徐變完成前及完成后，恒載+活載+沉降組合下，主要鋼結(jié)構(gòu)桿件組合應(yīng)力如表1所列。

表1 恒載+活載+沉降組合主要桿件應(yīng)力一覽表

可知橫+活+沉降組合下，最大應(yīng)力均小于210 MPa，滿足要求。

成橋狀態(tài)，橋面板收縮徐變完成前及完成后，恒載+活載+沉降+溫度+風(fēng)荷載組合下，鋼結(jié)構(gòu)主要桿件組合應(yīng)力如表2所列。

表2 恒載+活載+沉降+溫度+風(fēng)荷載組合主要桿件應(yīng)力一覽表

恒載+活載+沉降+溫度+風(fēng)荷載組合下，容許應(yīng)力最大為283.5 MPa，驗(yàn)算滿足。

2.2 結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算

在活載作用下，其結(jié)構(gòu)變形如圖5所示；計(jì)算其結(jié)構(gòu)位移，如表3所列。

圖5 活載下結(jié)構(gòu)變形圖

表3 活載豎向位移一覽表

結(jié)構(gòu)最大撓跨比為：0.033/72=1/2180，結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

2.3 整體穩(wěn)定計(jì)算

運(yùn)營階段，在進(jìn)行整體穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)，考慮的荷載包括：結(jié)構(gòu)自重、近期鋪裝荷載、遠(yuǎn)期鋪裝荷載、防撞欄恒載、樓梯荷載和橋面板橫向預(yù)應(yīng)力荷載。經(jīng)計(jì)算，其整體穩(wěn)定系數(shù)為17.38＞4，滿足要求。

2.4 混凝土橋面板剪力連接件計(jì)算

該工程中剪力連接件取用Φ22×180栓釘。根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）[1]，計(jì)算單個(gè)剪力釘承載力如下：

取1.4的安全系數(shù)，容許強(qiáng)度：

通過有限元計(jì)算，縱橋向剪力連接件所承受的剪力考慮的荷載主要有：恒載、活載和收縮徐變、溫度荷載作用。配置的剪力釘數(shù)量如下：

端節(jié)點(diǎn)2 m范圍內(nèi)所需釘數(shù)為220個(gè)；桁架節(jié)點(diǎn)4 m范圍內(nèi)所需釘數(shù)為260個(gè)；一般區(qū)域4 m范圍內(nèi)所需布釘為160個(gè)。

3 疊合橋面板計(jì)算

連續(xù)鋼-混凝土疊合梁中支點(diǎn)位置，在恒載及汽車等活載作用下，主梁承受負(fù)彎矩作用。在墩頂負(fù)彎矩作用下，上緣混凝土橋面板受拉。為抵抗負(fù)彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力，通?？梢圆捎玫墓こ檀胧┯衃2]：預(yù)加荷載法、調(diào)整支點(diǎn)高度法、設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋、優(yōu)化橋面板施工順序、限制混凝土裂縫寬度方法及部分組合梁法。

調(diào)整支點(diǎn)高度法，一般先在鋼梁架設(shè)完成后，將中支點(diǎn)通過千斤頂抬升一定高度，然后澆筑混凝土橋面板，待混凝土橋面板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，將中支點(diǎn)下降至設(shè)計(jì)高度，從而使混凝土橋面板產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力。

連續(xù)疊合梁橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，在外荷載作用下，需驗(yàn)算橋面板中的最大裂縫寬度，使其滿足現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2015）的相關(guān)規(guī)定[3]。通常，在荷載作用下，混凝土橋面板控制不出現(xiàn)裂縫或?qū)⒘芽p寬度限制在一定范圍內(nèi)。從經(jīng)濟(jì)性考慮，一般將墩頂?shù)牧芽p寬度限定在一定的允許范圍。

經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)不采取任何措施，成橋階段，在欄桿、鋪裝等二期恒載作用下，墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面板中有3.5 MPa的拉應(yīng)力。為了控制墩頂裂縫，采用了調(diào)整支點(diǎn)高度的方法：鋼梁架設(shè)完畢后先將桁架頂升55 cm，然后才能安裝預(yù)制橋面板，并從跨中向墩頂澆筑橋面板間的現(xiàn)澆接縫，待達(dá)到規(guī)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后將結(jié)構(gòu)下降到永久支座上。鋼梁頂升點(diǎn)在永久支座旁進(jìn)行，圖6為鋼梁頂升施工之實(shí)景。

圖6 頂升中的鋼桁梁之實(shí)景

根據(jù)整體計(jì)算得到橋面板內(nèi)力，并疊加汽車局部加載荷載引起橋面板內(nèi)力，計(jì)算墩頂板頂裂縫寬度為0.158 mm，小于0.2 mm，滿足規(guī)范要求。

4 下層人行橋面系計(jì)算

該工程下層橋面板采用10 mm厚鋼板，橫向12 m。由于在施工過程中，對中支點(diǎn)頂升55 cm，根據(jù)整體計(jì)算模型，在橋面板頂升施工過程中，存在80 MPa壓應(yīng)力，因而對下層橋面的穩(wěn)定需要格外關(guān)注。為此，要對下層橋面板進(jìn)行受壓穩(wěn)定驗(yàn)算。

在下層橋面板穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)，計(jì)算采用板單元模擬加勁及橫梁，約束縱橋向一端三個(gè)方向的平動自由度，另一端約束豎向自由度。橫橋向約束兩側(cè)橋面板的豎向及橫向自由度。

在橋面板計(jì)算時(shí)，考慮荷載為：鋼橋面板自重78.5 kN/m3；橋面板鋪裝及人行荷載；板端壓力荷載值80 MPa。

建立局部分析計(jì)算模型，予以屈曲分析（見圖7）。

圖7 下層橋面板穩(wěn)定計(jì)算模型

得到在所加荷載下，彈性屈曲系數(shù)為4.15＞4，滿足要求。

5 鋼桁架主梁施工

根據(jù)梅山春曉橋所處的環(huán)境，主桁采用節(jié)段拼裝，橋梁共分東西兩聯(lián)。在橋梁施工時(shí)，采用軌道滑移法就位進(jìn)行施工。

首先，將每一聯(lián)縱向分成13個(gè)節(jié)段，最大節(jié)段重約372 t。工廠加工完畢后，采用駁船運(yùn)至現(xiàn)場，利用浮吊將桁梁起吊，安放在設(shè)置的滑移軌道上。通過滑移小車將節(jié)段梁運(yùn)至引橋岸側(cè)。一聯(lián)（3×72 m）主橋滑移就位后，進(jìn)行現(xiàn)場拼接（見圖8）。

圖8 主桁軌道滑移示意圖

6 結(jié)語

本文結(jié)合梅山春曉大橋水中引橋鋼-混凝土連續(xù)桁架疊合梁設(shè)計(jì)，介紹了其整體強(qiáng)度分析、剛度分析、穩(wěn)定分析；橋面板與鋼連接件設(shè)計(jì)；混凝土橋面板設(shè)計(jì)及需要重點(diǎn)解決墩頂區(qū)段的混凝土橋面板裂縫問題。并結(jié)合該工程，對主桁鋼梁施工進(jìn)行了簡單介紹。

在橋面板裂縫計(jì)算時(shí)，一定要注意將橋面板整體受力和局部受力進(jìn)行組合，以便得到橋面板中外荷載的最大效應(yīng)。梅山春曉大橋水中引橋采用的是調(diào)整支點(diǎn)位移方法，同時(shí)在施工中，對橋面板現(xiàn)澆濕接縫的澆筑順序進(jìn)行了控制。計(jì)算表明，能有效地控制墩頂位置橋面板裂縫寬度。

對于該工程采用雙層橋面，由于施工過程中需要對桁架進(jìn)行頂升施工，對下層橋面的穩(wěn)定亦需要重點(diǎn)關(guān)注。本文所述內(nèi)容可供類似工程項(xiàng)目參考。

[1]JTG D64-2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]吳沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]JTG D62-2015，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].