黃育凡,江越勝,吳慶雄,林上順

(1. 福州大學土木工程學院,福建 福州 350116； 2. 湖州市交通規(guī)劃設計院,浙江 湖州 313000； 3. 福建工程學院土木工程學院,福建 福州 350118)

0 引言

隨著我國鋼產業(yè)的快速發(fā)展, 鋼材種類和質量的不斷提高,以及橋梁可持續(xù)發(fā)展的要求,交通運輸部決定推進公路鋼結構橋梁、鋼-混凝土組合橋梁和無伸縮縫橋梁(簡稱無縫橋)建設,提升公路橋梁品質和耐久性,明確了我國今后橋梁建設的發(fā)展方向[1].

在歐美等發(fā)達國家,鋼混組合結構橋梁已成為中小跨徑橋梁的主導橋型,也在無縫橋中得到廣泛的應用. 美國聯(lián)邦公路局于2004年對美國無縫橋進行了大范圍的調查,表明至少有40個州已建成無縫橋合計超過16 900座[2-3]. 歐洲也針對鋼混組合梁無縫橋的經(jīng)濟性和耐久性開展了相關研究,并在研究報告中給出鋼混組合梁無縫橋的設計規(guī)范[4]. 近幾年,無縫橋在我國發(fā)展迅速,已有的研究主要關注溫度作用、臺后土特性、樁土共同作用和抗震性能等[5]. 邵旭東將無縫橋梁和無縫接線路面相結合,提出了新型全無縫橋梁體系[6]. 目前我國已建和在建的無縫橋共40座,已完成設計的無縫橋梁有17座,總數(shù)達到57座,且已建的無縫橋多以半整體混凝土橋為主.

鋼混組合梁半整體橋由于采用了組合結構,使得主梁與橋臺,主梁與墩上結構的連接構造,與混凝土半整體橋有所不同. 目前,有兩份關于無縫橋的地方標準[7-8],對于鋼混組合梁無縫橋的橋例和相關研究均未見,不利于鋼混組合梁無縫橋在我國的發(fā)展與推廣,亟待開展相關研究. 為此,本研究以抗震能力較好的鋼混組合梁半整體橋為對象,在總結結構體系與構造形式的基礎上,對國內鋼混組合梁半整體橋的設計與施工進行介紹,豐富我國無縫橋的形式,為我國中小跨徑鋼混組合梁無縫橋的發(fā)展提供參考.

1 鋼混組合梁半整體橋的結構體系與構造形式

1.1 結構體系

圖1 半整體橋結構體系Fig.1 Structural system of semi-integral abutment bridges

兩端引板末端范圍內上部結構為連續(xù)結構、無伸縮裝置的橋梁稱為無伸縮縫橋梁,簡稱無縫橋[7]. 根據(jù)上部結構與下部結構的連接方式,無縫橋橋臺可分為三類[9]： 上下部連成整體的整體式橋臺、僅部分連成整體的半整體式橋臺、上下部不連成整體的延伸橋面板橋臺. 本研究介紹的半整體橋是采用僅部分連成整體的半整體式橋臺的無縫橋. 如圖1所示,半整體橋主要特點在于主梁下設支座或滑移層,使得橋臺與主梁并沒有完全連成整體. 國外鋼混組合梁無縫橋多采用H型鋼樁,我國基于經(jīng)濟性和工程習慣,多采用混凝土樁基. 半整體橋對橋臺基礎的柔度要求相對較低,可應用于剛度較大的混凝土樁. 因此半整體橋更適合在我國推廣.

1.2 半整體式橋臺的構造形式

半整體式橋臺是上部分(端墻)與主梁剛接、下部分通過支座與上部結構連接的橋臺. 半整體式橋臺與整體式橋臺的主要差別在于保留了支座,主梁與橋臺間的彎矩得以釋放,溫度變化,收縮徐變等附加內力對結構影響小. 半整體式橋臺剛度較整體式橋臺小,橋臺節(jié)點受力小,橋臺節(jié)點開裂問題不明顯,但其整體性能較整體橋低. 半整體式橋臺主要有懸掛式和支承式兩種形式[9].

如圖2(a)所示的懸掛式半整體橋臺,適用于伸縮量較大、總長較長的無縫橋. 懸掛式半整體橋臺,設置的滑動支座,可以保證在溫度作用下主梁產生的變形和軸力能通過引板(無縫橋的橋頭搭板)向接線路面平順傳遞. 端橫梁跨越橋臺,對防止落梁有利,在強震區(qū)推薦采用具有懸掛式半整體橋臺的半整體橋.

圖2 半整體式橋臺結構體系Fig.2 Structural system of semi-integral abutments

如圖2(b)所示的支承式半整體式橋臺,適用于伸縮量較小、總長較短的無縫橋. 支承式半整體式橋臺,當縱橋向變形量較大時可采用支座,當縱橋向變形量較小時也可采用滑移層. 由于不像懸掛式有下垂部分,臺后土和水更容易流到支座,需要在臺后設置盲溝排水以及設置密封防水條堵水.

半整體式橋臺在端墻與橋臺間隙中一般均填塞可壓縮的泡沬類材料,起防水作用,又能適應主梁一定的變形.

1.3 鋼混組合梁與橋臺之間的連接構造

圖3 鋼混組合梁半整體橋臺結構形式Fig.3 Structural system of composite bridges with semi-integral abutments

對于鋼混組合梁半整體橋臺,結構形式與常規(guī)混凝土半整體橋臺相同,僅在主梁與橋臺連接部分有所不同,多采用鋼梁端部焊接端板和剪力釘?shù)男问絹砼c混凝土橋臺相連[10],如圖3所示. 國外目前對于鋼混組合梁無縫橋的橋臺形式,因采用鋼樁較多,橋臺變形性能較采用混凝土樁基的橋臺更好,因此多采用整體式橋臺,主要有兩種結構形式： 1)鋼梁直接和鋼樁焊接,再外包混凝土橋臺澆筑成一體； 2)在混凝土臺帽上設置臨時支座支撐鋼梁或用螺栓連接鋼梁和樁帽,最后澆筑混凝土將上部結構和橋臺連成整體,成為整體式橋臺.

1.4 其他構造形式

鑒于多跨鋼混組合梁無縫橋,還存在墩上結構如何連接的問題. 對于鋼混組合梁,墩梁連接方式可以采用支座連接和墩梁固接兩種形式. 其中,墩梁固接可以采用鋼筋混凝土結構的顯性蓋梁,也可以采用鋼結構的剛性連接形式. 墩梁固接通常通過墩上位置的鋼梁加勁肋上設置剪力釘,與橋墩通過混凝土現(xiàn)澆在一起,形成墩上連續(xù)構造,上部結構的力通過梁的端部剪力鍵,傳給端隔梁(墩帽)后再傳給橋墩[9],如圖4(a)所示. 美國一些州為加強墩上位置結構的整體性,將橋面板縱向鋼筋伸出并向下彎起,形成墩上蓋梁位置鋼筋骨架,并設置橫向鋼筋與其連接后,一體式澆筑成顯性蓋梁[11],如圖4(b)所示. 還可采用橋面連續(xù)法,鋼梁間采用橫隔板連接代替栓釘連接,降低成本、加快施工進度[12],如圖4(c)所示.

圖4 鋼混組合梁墩上結構的連接構造Fig.4 Connection between composite girders and pier top

與樁基和橋臺或橋墩直接固接的整體橋相比,半整體橋對樁基變形能力的要求更低,可采用混凝土鉆孔灌注樁. 半整體橋取消了橋臺位置的伸縮縫,引板與橋梁結構可設置水平拉結筋或斜向拉結筋相連接,如圖5所示,可防止引板在反復變形過程中與橋梁結構脫離,產生病害. 引板與橋面板間可用填塞軟木條或鋸縫形成變形縫,以避免負彎矩引起的不規(guī)則開裂. 采用瀝青鋪裝層時,鋪裝層底面、變形縫處應設置阻裂隔離層,以防裂縫反射到鋪裝層中,在鋪裝層相應位置設置鋸縫,防止不規(guī)則裂縫的出現(xiàn).

圖5 引板與橋臺的連接方法Fig.5 Connection between approach slabs and abutments

2 我國首座鋼混組合梁半整體橋的設計

2.1 總體設計

我國首座鋼混組合梁半整體橋的跨徑布置為9.65 m+10 m+9.65 m,含橋臺的無縫橋橋梁總長為10.75 m+10 m+10.75 m=31.5 m,橋寬6 m,如圖6所示. 設計荷載為公路-Ⅱ級.

圖6 橋梁總體布置圖(單位： m)Fig.6 General layout of bridge (unit: m)

圖7 橋梁全景圖Fig.7 Bridge panorama

橋址處屬于杭嘉湖海湖相平原區(qū),地勢平坦,環(huán)境良好,土質多為粘土,適合采用混凝土樁基進行無縫橋的設計,因此,下部采用樁接蓋梁式墩臺,基礎采用直徑80 cm的鉆孔灌注樁(單排2根樁).

上部結構采用耐候工字鋼-混凝土板組成的組合梁,結構簡支、橋面連續(xù). 根據(jù)區(qū)域水文地質資料,橋址場地環(huán)境類型為Ⅱ類,地下水對混凝土結構及鋼筋混凝土結構中的鋼筋有微腐蝕性. 經(jīng)多方討論后,擬采用耐候鋼混組合梁半整體橋的設計方案, 建成后的橋梁如圖7所示. 由文獻[13]可知,采用耐候鋼最高可節(jié)省10%的建造成本,雖然耐候鋼較普通鋼材昂貴,但后期可節(jié)省涂裝防護費用以及涂裝層維護和更換費用,也省去了清理和噴漆時采用的某些避免污染和保護工人的防護措施. 較采用涂層防護的鋼材而言,耐候鋼橋梁結構的全壽命影響也顯著降低.

2.2 鋼混組合梁設計

如圖8所示,上部主梁為Q235NH工字鋼和整體現(xiàn)澆混凝土橋面板組成的組合梁. 混凝土橋面板寬6 m,厚0.25 m； 工字鋼梁高0.588 m,型號為HM 588 mm×300 mm×12 mm/20 mm,橫向布置5片,間距為1.2 m； 板外側懸臂長度為0.6 m. 為加強組合梁間的橫向聯(lián)系,在支座處設置C40混凝土橫隔梁,截面尺寸為588 mm×400 mm. 在各跨中設置鋼結構橫向連接,連接桿件采用雙角鋼L 50 mm×5 mm.

圖8 主梁截面圖(單位: mm)Fig.8 Cross sections of girder(unit: mm)

2.3 半整體橋臺設計

如圖9～10所示,采用半整體懸掛式橋臺,取消傳統(tǒng)橋臺的臺背與耳墻,主梁沿縱向延伸110 cm,在端部設置下掛端梁,端梁截面為888 mm×400 mm. 臺后采用面板式引板,與組合梁混凝土橋面板通過縱向鋼筋、現(xiàn)澆混凝土形成縱向連接. 其下澆筑氣泡混合輕質土,在兩者之間填充200 mm中粗砂和20 mm砂漿找平,以保證引板具一定滑動能力,適應橋梁縱向變形. 在收縮徐變、溫度荷載作用下,臺后引板與組合梁混凝土橋面板一起發(fā)生縱向變形.

圖9 半整體橋臺構造圖 (單位: cm)Fig.9 Constructional details of semi-integral abutment(unit: cm)

圖10 半整體橋臺示意圖 Fig.10 Semi-integral abutment

2.4 組合梁與橋臺、橋墩之間的連接構造

鋼梁采用ML15栓釘(規(guī)格： 22 mm×150 mm)連接件與混凝土橋面板連接,鋼梁翼緣寬300 mm,栓釘橫向雙排布置,間距200 mm； 縱向間距根據(jù)主梁剪力進行設置,支座附近段栓釘縱向間距140～150 mm,跨中段栓釘縱向間距200 mm. 鋼梁采用栓釘連接、貫穿鋼筋的形式與混凝土橫梁連接. 在鋼梁側面和翼緣底面分別焊接栓釘連接件,栓釘縱向間距145 mm,高度方向間距156 mm. 支座處和橋臺處栓釘構造如圖11所示. 墩上橋跨間采用橋面連續(xù)結構,橋墩上設置支座,主梁簡支,相鄰主梁間的橋面板通過縱向鋼筋、現(xiàn)澆混凝土形成連續(xù)構造,取消伸縮縫與伸縮裝置,如圖12所示.

圖11 栓釘連接構造圖(單位: cm) Fig.11 Constructional details of shear studs(unit: cm)

圖12 墩上結構示意圖 Fig.12 Constructional details of shear studs

3 我國首座鋼混組合梁半整體橋的施工

3.1 組合梁施工流程

組合梁的施工流程包括： a)架設Q235NH工字鋼梁,安裝臨時支撐； b)焊接主梁橫向連接和主梁側面栓釘,澆筑支座橫梁及半整體橋臺掛梁； c)焊接鋼梁上緣栓釘,以主梁作支撐搭設模板,待氣泡混合輕質土澆筑完成,澆筑組合梁混凝土橋面板和臺后引板混凝土； d)對橋面板作拋丸處理,澆筑護欄底座混凝土,涂刷改性乳化瀝青防水粘結層,澆筑5 cm瀝青混凝土鋪裝,安裝橋面護欄等附屬設施.

3.2 半整體橋臺施工流程

如圖13所示,半整體橋臺施工流程包括： a)橋臺前后填土,預填長度根據(jù)橋臺錐坡坡腳距離橋梁起點處超填30 cm； b)待地基沉降穩(wěn)定后開挖至樁頂標高,開挖寬度滿足鉆孔工作面要求,開挖后施工樁基； c)澆筑臺帽； d)開挖橋臺后路基,至泡沫混凝土底緣； e)澆筑臺后氣泡混合輕質土； f)填充20 cm中粗砂,并表面2 cm砂漿找平； g)澆筑臺后搭板混凝土； h)施工橋面鋪裝和修筑錐坡.

圖13 半整體橋臺施工流程圖Fig.13 Construction flow chart of abutment

鋼混組合梁半整體橋工業(yè)化程度高,施工質量可控性好,結構形式簡單,連續(xù)性好,易于裝配化施工. 成橋監(jiān)測表明,其縱向變形很小,可在中小跨徑鋼混組合梁無縫橋的建設中推廣.

4 結論

1) 鋼混組合梁多采用鋼梁端部焊接端板和剪力釘?shù)男问脚c橋臺連接. 對于多跨鋼混組合梁無縫橋,墩梁連接方式有支座連接和墩梁固接兩種形式,墩梁固接可通過栓釘、顯性蓋梁或僅橋面連續(xù)的方式連接.

2) 設計了鋼混組合梁半整體橋. 采用懸掛式橋臺和混凝土樁,臺后澆筑氣泡混合輕質土. 上部結構采用耐候工字鋼-混凝土板組成的組合梁,結構簡支、橋面連續(xù). 引板下設置中粗砂墊層,保證引板具有一定滑動能力,適應橋梁縱向變形,全橋取消伸縮縫與伸縮裝置.

3) 半整體橋臺的施工先填土至樁頂標高,待地基沉降穩(wěn)定后進行鉆孔灌注樁的施工,臺后氣泡混合輕質土在半整體橋臺施工完成后澆筑,最后施工組合梁混凝土橋面板和引板.

我國目前尚無有關鋼混組合梁無縫橋的技術規(guī)范,今后在推廣組合梁無縫橋工程建設實踐的同時,應不斷總結歸納國內外成功的鋼混組合梁無縫橋結構形式,編制相應技術標準,為鋼混組合梁無縫橋的設計和應用提供技術支撐.