蔣建軍,田 波,文 凱
(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610041)
斜拉橋的主梁按照材料和結(jié)構(gòu)類型劃分有混凝土梁、鋼箱梁、鋼桁梁、鋼混組合梁(又稱疊合梁、結(jié)合梁);當(dāng)鋼梁與混凝土梁混合使用時(shí),稱為混合梁[1]?;炷亮河捎谧灾卮螅m用于跨徑500 m以下且橋面不寬的斜拉橋[1]。鋼箱梁自重輕、抗震和抗風(fēng)性能好,且便于架設(shè),適用于600 m以上跨度的斜拉橋。鋼桁梁可采用散件拼裝,適用于建橋條件困難的山區(qū);且剛度大,也適用于雙層橋面的斜拉橋。鋼混組合梁與混凝土梁相比,具有自重較輕、架設(shè)工法多、耐久性好的特點(diǎn),跨越能力更強(qiáng)[2],適用跨徑為400~650 m的斜拉橋。鋼混組合梁斜拉橋與鋼斜拉橋相比,由于利用混凝土橋面板受壓,橋塔附近主梁的抗壓性能得到改善;橋梁抗彎與整體剛度加大,有利于抗風(fēng)穩(wěn)定;增大了橋面局部剛度,很好地避開了鋼箱梁鋼橋面疲勞及橋面鋪裝易損壞的問題[2];且用鋼量少,經(jīng)濟(jì)性較好。
我國從1991年建成主跨423 m的南浦大橋以來,鋼混組合梁斜拉橋良好的受力性能和經(jīng)濟(jì)性逐漸得到認(rèn)可。目前國內(nèi)已建和在建的跨度大于400 m的鋼混組合梁斜拉橋有近20座,最大跨徑為2016年建成的望東長江大橋,其主跨為638 m[2]。鋼混組合梁斜拉橋最主要的問題是混凝土橋面板的抗裂性差[3],在寬橋面斜拉橋的表現(xiàn)更加突出?;炷翗蛎姘逋ǔ2捎娩摻罨炷两Y(jié)構(gòu),在跨中或邊跨梁端順橋向軸壓力小,一般設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力[5];由于橋面板較薄,且橫梁間距小,以縱向受力為主,一般不設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力體系;在單索面的組合梁斜拉橋中偶有使用,如東海大橋[4]。橋面板在車輛荷載、收縮徐變、泊松效應(yīng)、拉索錨固力、溫度梯度等作用下,在順橋向和45°斜向可能出現(xiàn)裂縫[3,5-7]。寬橋面鋼混組合梁的剪力傳遞有明顯剪力滯后效應(yīng),導(dǎo)致混凝土橋面板與鋼主梁相接處的應(yīng)力明顯高于截面中心處[8],易導(dǎo)致橋面板在縱梁腹板附近產(chǎn)生順橋向裂縫。因此,大跨度斜拉橋?qū)挊蛎娼M合梁設(shè)計(jì)需要綜合考慮各方面因素,選擇合理斷面型式,協(xié)調(diào)混凝土橋面板、主縱梁、鋼橫梁之間的剛度,優(yōu)化節(jié)段長度與鋼橫梁的間距,使得主梁各部位在順橋向、橫橋向均能合理分配內(nèi)力,有效控制主梁各部位的應(yīng)力和整體剛度。
宜賓鹽坪壩長江大橋連接四川省宜賓市臨港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和鹽坪壩組團(tuán),位于三江口(金沙江與岷江匯合成為長江)下游約6.3 km處,是長江上游第二座跨江大橋。主橋?yàn)殡p塔空間索面混合梁斜拉橋,跨徑布置為45 m+51 m+97 m+480 m+97 m+51 m+45 m,半漂浮支承體系,橋梁立面見圖1,效果圖見圖2。中跨采用鋼混組合梁、邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁,鋼混結(jié)合段位于中跨索塔附近彎矩較小處,鋼混結(jié)合面設(shè)置在距索塔中心線10.5 m處,鋼混過渡段總長度為10 m。中跨橋面寬度40 m,包含2.0 m人行道、1.0 m拉索區(qū)、2.5 m非機(jī)動(dòng)車道,半幅凈寬12.5 m車行道,以及護(hù)欄和分隔帶,見圖3;邊跨橋面受立交匝道接入影響而漸變加寬。主橋采用弧形混凝土索塔、環(huán)氧涂層鋼絞線斜拉索。兩岸各設(shè)21對(duì)斜拉索,中跨名義索間距為10.5 m和11.1 m。
圖1 橋梁立面圖(單位:cm)
圖2 主橋效果圖
圖3 組合梁橫斷面(單位:cm)
(1)道路等級(jí):雙向6車道城市快速路,設(shè)計(jì)速度80 km/h;
(2)設(shè)計(jì)荷載:城—A 級(jí),人群 2.5 kN/m2;
(3)抗震設(shè)防:地震基本烈度Ⅶ度,地震動(dòng)峰值加速度系數(shù)為0.10g;
(4)橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:100 a;
(5)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限:100 a;
(6)橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí):一級(jí);
(7)航道等級(jí):Ⅰ-(3)級(jí);
(8)基本風(fēng)速:24.3 m/s(100 a重現(xiàn)期)。
隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展,交通量大幅增長,考慮過江通道的稀缺性,大橋的車道數(shù)常采用雙向6車道或8車道,橋面寬度越來越大。寬橋面組合梁斜拉橋的主梁受力復(fù)雜,混凝土橋面板的抗裂問題突出,選擇受力性能良好的截面是關(guān)鍵。根據(jù)統(tǒng)計(jì),大跨度寬橋面組合梁斜拉橋的主梁斷面型式主要有5種類型:雙“工”字形鋼梁+混凝土板[5];雙鋼箱梁+混凝土板[2];PK型分離雙箱鋼+混凝土板[6];閉口鋼箱+混凝土板[9];鋼桁梁+混凝土板[10]。我國已建成或在建的主跨400 m以上鋼混組合梁斜拉橋的主梁斷面型式見表1。
雙“工”字形鋼梁+混凝土板構(gòu)成的組合梁型式具有自重輕、構(gòu)造簡單、安裝方便、便于拉索錨固的特點(diǎn)[2],在多數(shù)大跨度組合梁斜拉橋上使用。雙鋼箱梁+混凝土板構(gòu)成的組合梁型式具有主梁抗彎、抗扭剛度大,鋼板厚度適當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)[2],適用于橋面寬度30m以上的大跨度斜拉橋。PK型分離雙箱鋼+混凝土板構(gòu)成的組合梁型式具有抗彎、抗扭剛度大,橫向撓度小,抗風(fēng)穩(wěn)定性好的特點(diǎn),適用于受臺(tái)風(fēng)影響的大跨度斜拉橋[11]。閉口鋼箱+混凝土板構(gòu)成的組合梁型式具有整體剛度大,抗風(fēng)穩(wěn)定性好,耐腐蝕性好的特點(diǎn)[9],適用于跨海大橋。鋼桁梁+混凝土板構(gòu)成的組合梁型式具有整體剛度大,便于安裝的特點(diǎn),缺點(diǎn)是抗風(fēng)性能稍差,適用于公鐵兩用雙層橋梁[2]。
宜賓鹽坪壩長江大橋位于丘陵開闊地帶,100 a重現(xiàn)期的基本風(fēng)速為24.3 m/s,抗風(fēng)問題不突出。主梁采用雙鋼箱梁+混凝土板構(gòu)成的組合梁時(shí),在0°、+3°、-3°三種風(fēng)攻角下,懸臂施工階段最小顫振臨界風(fēng)速為81.2m/s,顫振檢驗(yàn)風(fēng)速52.02 m/s;成橋階段最小顫振臨界風(fēng)速為96.5 m/s,顫振檢驗(yàn)風(fēng)速56.54 m/s,抗風(fēng)穩(wěn)定性均較好。由于主梁外形為開口板梁,且橋面寬度大,有規(guī)律的漩渦脫落將可能激發(fā)主梁豎向振動(dòng),需要采取工程措施抑制主梁豎向渦激振動(dòng)。
中跨組合梁的橋面寬度達(dá)到40 m,需要主縱梁具有較大抗扭剛度為鋼橫梁提供有效支承,減小橋面橫向下?lián)?。另外,若主縱梁采用“工”字形鋼梁,經(jīng)計(jì)算,底板厚度需要采用100 mm,鋼材采用Q370qD,使得節(jié)段之間無論采用焊接還是高強(qiáng)螺栓連接均不能保證質(zhì)量。
經(jīng)綜合分析,宜賓市鹽坪壩長江大橋最終采用雙鋼箱梁+混凝土板構(gòu)成的組合梁型式。
雙鋼箱梁+混凝土板構(gòu)成的組合梁常由鋼箱主縱梁、鋼橫梁、小縱梁、混凝土橋面板組成?;炷翗蛎姘迮c鋼箱主縱梁、鋼橫梁之間采用剪力釘連接。
表1 我國主跨400 m以上組合梁斜拉橋的主梁斷面型式
宜賓鹽坪壩長江大橋的組合梁節(jié)段長度為10.5 m、11.1 m,跨中合龍段長度7 m。節(jié)段內(nèi)鋼橫梁道數(shù)與主梁斷面型式和橋?qū)捰嘘P(guān),一般為3.0~4.5 m(如椒江二橋橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為3.0 m、泉州灣跨海大橋?yàn)?.5 m、楊浦大橋?yàn)?.5 m)。本橋的橋面寬度達(dá)40 m,且為貨運(yùn)主通道,具有重載交通特點(diǎn);因此,每節(jié)段設(shè)置3道鋼橫梁,間距為3.5 m、3.7 m。設(shè)計(jì)過程中曾考慮設(shè)2道鋼橫梁,間距為5.25 m、5.55 m,其結(jié)果是橋面板厚度需增大至32 cm,鋼橫梁需要加高至3 m,恒載增加過多,結(jié)構(gòu)受力不合理。橫橋向設(shè)3道工字鋼小縱梁,間距8 m,左右對(duì)稱布置。為提高鋼主縱梁的抗彎、抗扭剛度,梁高取3.5 m(含混凝土橋面板)。鋼箱主縱梁標(biāo)準(zhǔn)寬度2 m,橋塔附近受力較大,逐漸加寬至3 m,鋼板均采用Q370qD鋼材。鋼箱主縱梁頂板厚度16 mm,設(shè)三道縱向加勁肋,在變寬段逐漸增加至5道。腹板厚度為20 mm,在橋塔附近加厚至24 mm,設(shè)三道縱向加勁肋。底板厚度從跨中段的16 mm逐漸加厚至橋塔附近的50 mm,底板上布置3道縱向加勁肋。為提高腹板和底板的受壓局部穩(wěn)定性,鋼箱主縱梁內(nèi)每個(gè)節(jié)段等距設(shè)置6道橫隔板,間距為1.75 m(橋塔附近)、1.85 m(跨中附近)、2 m(跨中合龍段),橫隔板厚度16 mm。
鋼橫梁腹板與主縱梁之間通過高強(qiáng)螺栓連接。橫梁采用工字形斷面,跨中鋼梁高度2 620 mm(橋塔附近)、2 640 mm(跨中附近)。鋼橫梁底面保持水平,頂面隨橋面設(shè)置橫坡。鋼橫梁的腹板設(shè)置縱向、橫向加勁肋,與小縱梁對(duì)應(yīng)位置的橫向加勁肋預(yù)留螺栓孔與小縱梁連接。小縱梁用于為澆筑橋面板濕接縫提供支承,為工字形斷面,梁高500 mm,寬度500 mm,翼板和腹板厚度均為16 mm。腹板通過高強(qiáng)螺栓連接在鋼橫梁腹板橫肋上,見圖4。
圖4 小縱梁與橫梁連接構(gòu)造(單位:mm)
對(duì)應(yīng)橫梁位置,在主梁外側(cè)設(shè)置挑梁。挑梁采用工字形鋼梁,長度2 000 mm,端部高度320 mm,根部高度760 mm。挑梁與鋼主縱梁焊接連接。
大跨度鋼混組合梁斜拉橋主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面的混凝土橋面板厚度一般為23~28 cm(如香港汀九大橋預(yù)制橋面板厚為23 cm[10],青州閩江大橋?yàn)?5 cm,武漢二七長江大橋?yàn)?6 cm,望東長江大橋?yàn)?8 cm[2]),橫橋向在主縱梁腹板附近加厚,順橋向在橋塔附近局部加厚。混凝土橋面采用預(yù)制安裝,在鋼主縱梁、小縱梁、鋼橫梁頂面設(shè)置濕接縫,要求預(yù)制板的存梁時(shí)間不少于6個(gè)月。預(yù)制橋面板采用C60混凝土,濕接縫采用補(bǔ)償收縮的C60鋼纖維混凝土。根據(jù)分析計(jì)算,宜賓市鹽坪壩長江大橋的預(yù)制混凝土橋面板厚度取26 cm,在橋塔附近加厚至28 cm。橫橋向,混凝土橋面板在鋼主縱梁處為負(fù)彎矩,且在斜拉索巨大順橋向水平壓力下,混凝土橋面板泊松效應(yīng)明顯,因此,為了防止橋面板開裂,需要提高截面面積和剛度,在鋼主縱梁頂面處加厚至40 cm??缰懈浇崩黜槝蛳蛩椒至Φ暮狭π?,橋面板壓應(yīng)力儲(chǔ)備不足,因此需要設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力??v向預(yù)應(yīng)力采用9根φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼束,跨中布置26對(duì),向橋塔方向逐根下彎,依次設(shè)置齒塊錨固在橋面板底面。
對(duì)于主梁為雙鋼箱梁+混凝土板的組合梁斜拉橋,索梁錨固方式有三種:(1)錨固在外腹板外側(cè)的鋼錨箱上;(2)錨固在鋼箱主縱梁內(nèi)的鋼錨箱上;(3)錨固在與腹板對(duì)應(yīng)的錨拉板上。本橋斜拉索最大索力達(dá)到8 532.8 kN,且拉索橫橋向與水平面的最小夾角為82.785°,即斜拉索與鉛垂線的偏角為7.215°,采用錨拉板錨固或單側(cè)腹板外側(cè)鋼錨箱錨固時(shí),內(nèi)外側(cè)腹板受力差異大,且存在厚板焊接與鋼板層狀撕裂問題,因此采用鋼箱內(nèi)錨固。鋼箱內(nèi)的鋼錨箱由錨墊板、錨箱底板、承壓板、索導(dǎo)管、加勁肋組成,索力通過錨箱底板傳遞至承壓板,然后傳遞至鋼主縱梁的兩側(cè)腹板,進(jìn)而傳遞至主梁斷面,傳力途徑明確,結(jié)構(gòu)受力均勻,見圖5。
本橋采用Midas Civil和Wiseplus空間有限元分析軟件分別建立全橋空間模型進(jìn)行計(jì)算。鋼橫梁及其上的橋面板采用單獨(dú)建模分析,鋼橫梁與鋼主縱梁之間采用螺栓連接,邊界條件采用簡支模擬。半橋單梁半橋空間網(wǎng)格模型見圖6。
圖5 索梁錨固構(gòu)造(單位:mm)
圖6 全橋計(jì)算模型
施工期與成橋階段組合梁順橋向正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果:(1)中跨組合梁混凝土橋面板拉應(yīng)力最大值1.6 MPa,壓應(yīng)力最大值 9.8 MPa;(2)竣工狀態(tài)及收縮徐變后,中跨組合梁橋面板未出現(xiàn)拉應(yīng)力,壓應(yīng)力最大值為9.3/7.3 MPa;(3)施工階段中跨組合梁鋼板應(yīng)力最大值為153.1 MPa壓應(yīng)力;(4)竣工狀態(tài)及收縮徐變后,中跨組合梁鋼板應(yīng)力最大值為126.1/153.1 MPa壓應(yīng)力。
運(yùn)營期組合梁順橋向正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果:(1)標(biāo)準(zhǔn)組合下中跨組合梁混凝土橋面板拉應(yīng)力最大值1.4 MPa,壓應(yīng)力最大值 10.8 MPa;(2)標(biāo)準(zhǔn)組合下中跨組合梁鋼板拉應(yīng)力最大值64.5 MPa,壓應(yīng)力最大值202.9 MPa;(3)承載力組合下中跨組合梁鋼板拉應(yīng)力最大值101.5 MPa,壓應(yīng)力最大值258.0 MPa。汽車荷載作用下,主梁豎向撓度最大值為-340 mm,剛度滿足要求。
鋼橫梁與混凝土橋面采用剪力釘連接,為鋼混組合結(jié)構(gòu)。橫向分析時(shí),考慮自重、汽車荷載、整體升溫或降溫、梯度溫度、收縮徐變。不計(jì)斜拉索橫橋向水平分力的情況下,計(jì)算結(jié)果見表2。
由表2可知:在恒載、汽車荷載作用下,混凝土橋面板均受壓,鋼梁上緣受壓、下緣受拉;而在溫度梯度、混凝土收縮及徐變作用下,橋面板橫橋向均產(chǎn)生了拉應(yīng)力;在最不利標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí),橋面板上緣拉應(yīng)力為1.73 MPa,下緣拉應(yīng)力為2.61 MPa;鋼梁上緣最大壓應(yīng)力為155.0 MPa,鋼梁下緣最大拉應(yīng)力為163.5 MPa。因此,混凝土橋面板橫橋向鋼筋配筋需要加強(qiáng),以抵抗2.61 MPa的拉應(yīng)力。
表2 鋼橫梁與混凝土橋面橫向應(yīng)力結(jié)果
宜賓鹽坪壩長江大橋主跨480 m,邊跨193 m,邊中跨比為0.402,中跨橋?qū)?0m,雙向6車道,基本風(fēng)速為24.3 m/s(100年重現(xiàn)期),地震動(dòng)峰值加速度系數(shù)為0.10g。中跨選用雙鋼箱梁+混凝土橋面板組合梁,邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁;鋼混組合梁外腹板處梁高3.5 m,節(jié)段采用10.5 m、11.1 m,橫梁間距采用3.5 m、3.7 m,橋面板厚度26 cm,索梁錨固在鋼箱梁內(nèi)部的鋼錨箱上。通過空間分析計(jì)算,鋼主縱梁、混凝土橋面板、鋼橫梁的應(yīng)力均控制在合理范圍內(nèi),主梁剛度滿足要求。