彭亞軍,周澤箭,李 萌

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510507)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，交通建設(shè)可選擇的走廊帶日益緊張，大量的城市高架橋如雨后春筍。如何在城市橋梁的建造過程中確保高效、高質(zhì)量地完成工程施工，減少對城市交通的干擾，同時兼顧經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，一直是業(yè)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。

隨著橋梁預(yù)制裝配化技術(shù)的發(fā)展，在城市高架橋跨越重要路口的位置，常規(guī)混凝土預(yù)制梁的跨徑往往不能滿足需求。如何選擇一種合理的橋梁結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁建設(shè)工業(yè)化要求，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理，對橋梁設(shè)計(jì)者是一個重要的課題。

在綠色交通、全壽命周期、去鋼材產(chǎn)能等要求下，作為一種由鋼結(jié)構(gòu)與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合而發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)型式——鋼混組合梁，在近年的城市橋梁建設(shè)中應(yīng)用越來越廣泛。

1 工程概況

汕頭市黃河路(泰山路～東廈路)快速化升級改造工程，是連貫汕頭中心城區(qū)東西向的重要通道，是加快城市化步伐、提升城市功能質(zhì)量、完善城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重要一環(huán)，與海濱路、中山路、長平路、金砂東路比肩而行。

項(xiàng)目全長4.2km，采用城市快速路標(biāo)準(zhǔn)，主線雙向六車道布置，設(shè)計(jì)速度為80km/h；輔道采用城市次干路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為40km/h。

嵩山路～華山路高架橋是為保持黃河路行車速度、保障行車舒適性、節(jié)約時間成本而設(shè)置的沿黃河路高架橋，跨越嵩山路、衡山路、天山路、華山路等四個重要路口，橋梁長度2 051.5m。主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：

(1)橋梁設(shè)計(jì)荷載：城-A級；

(2)橋梁寬度：26.7m；

(3)車道布置：雙向六車道；

(4)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年；

(5)設(shè)計(jì)安全等級：一級。

2 橋梁方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)控制因素

在黃河路主線高架橋跨越天山路位置，主要的設(shè)計(jì)控制因素有：

(1)天山路遠(yuǎn)期規(guī)劃通過隧道下穿主線高架橋及兩側(cè)落地輔道，必須保證后期天山路快速化改造的凈寬、凈高及施工空間。

(2)黃河路、天山路現(xiàn)狀交通量較大，特別是早晚高峰期，必須保證高架橋施工期間道路的通行，并且方案能夠便于交通組織。

(3)天山路口主線高架橋下方平交口存在人行道、導(dǎo)流島、掉頭車道等，橋墩的位置需避開相關(guān)構(gòu)造物。

(4)橋下輔道、現(xiàn)狀天山路的凈高必需保證≥5.5m。

(5)天山路前后設(shè)置了上下主線橋的立交匝道，從控制匝道橋、主線橋的橋長規(guī)模考慮，要求盡量壓低主線橋的橋面標(biāo)高。

圖1 黃河路與天山路平交平面

2.2 設(shè)計(jì)方案

天山路的現(xiàn)狀為城市主干路，遠(yuǎn)期規(guī)劃為城市快速路，規(guī)劃寬度為34m?？紤]到后期隧道施工支護(hù)的安全寬度、主線橋承臺自身寬度等因素，跨越天山路的橋梁跨徑應(yīng)≥50m，考慮避讓人行道，因此跨徑取值為56m。

從施工高效、高質(zhì)量等方面考慮，保證橋梁工業(yè)化的實(shí)施，宜采用預(yù)制裝配化的主梁。常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁的最大跨徑一般≤40m，而鋼箱梁造價偏高、抗疲勞性能不佳，懸臂現(xiàn)澆箱梁施工周期長、對橋下交通影響大。最終選定橋面板預(yù)制的鋼混組合梁。

主線高架橋可以放置橋墩的范圍，局限于9m寬的中央綠化帶中。由于橋下的輔道凈空十分緊張，因此采用了雙柱大懸臂隱式蓋梁的橋墩，蓋梁截面呈倒T型，如圖2所示。

圖2 橋墩橫斷面(單位:cm)

3 鋼混組合梁的設(shè)計(jì)

3.1 斷面布置

在滿足橋梁功能需求的條件下，應(yīng)考慮橋梁美觀性及與周圍景觀的協(xié)調(diào)性。景觀效果較優(yōu)的方案為單箱多室鋼箱組合梁，但是其施工分段、運(yùn)輸、現(xiàn)場焊接等方面存在困難；結(jié)構(gòu)受力清晰、現(xiàn)場運(yùn)輸簡潔的方案為鋼板組合梁，但是其橋下的陰影效果較強(qiáng)、橫向連接構(gòu)件過多、通透性一般；多片布置的小鋼箱組合梁具有運(yùn)輸方便、預(yù)制橋面板分塊簡便、景觀效果良好等優(yōu)點(diǎn)，因此成為最終選取的方案，橫斷面布置如圖3和圖4所示。

圖3 56m跨徑鋼混組合梁跨中斷面(單位:cm)

圖4 56m跨徑鋼混組合梁支點(diǎn)斷面(單位:cm)

選定的鋼混組合梁方案為開口小鋼箱梁與預(yù)制普通鋼筋混凝土橋面板形成閉合的多箱單室組合截面，主要由普通鋼筋混凝土橋面板、開口鋼箱梁、抗剪連接件、橫向鋼隔板等四大構(gòu)件組成。

3.2 鋼梁設(shè)計(jì)

各片開口鋼箱梁中心間距為6.6m，翼緣懸臂長度為1.49m。橋面板橫向各支撐點(diǎn)的距離為3.3m左右，橋面板橫向受力均勻。

開口鋼箱梁的鋼材采用Q345qD，以保證鋼材具有良好的焊接性能和沖擊韌性。

開口鋼箱梁的頂板厚度為25mm，腹板厚度為18mm和22mm，底板厚度為25mm、36mm和46mm，主梁加勁肋厚度一般為16mm，橫隔梁加勁肋厚度一般為10mm。鋼主梁底板上設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)的防震擋塊。

鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)年限為二十年，采用冷噴鋅長效防腐漆和氟碳面漆相結(jié)合的防護(hù)體系，外表面涂裝厚度為290μm，內(nèi)表面涂裝厚度為90μm。

為了保證成橋狀態(tài)下，有效地通過橫向分配活荷載來提高結(jié)構(gòu)的整體承載能力[2]，提高各片鋼主梁的整體性、穩(wěn)定性、抗彎剛度和抗扭剛度，在每片主梁箱室內(nèi)每隔2m設(shè)置一道隔板，各主梁之間縱橋向每隔4m設(shè)置一道工字型橫隔板。

3.3 橋面板設(shè)計(jì)

預(yù)制橋面板混凝土采用C50混凝土，為了降低收縮率，防止收縮裂縫的產(chǎn)生，現(xiàn)澆混凝土采用C50微膨脹混凝土。

預(yù)制混凝土橋面板橫橋向分為兩塊，縱橋向按照2.8～3.5m每塊進(jìn)行切分；橋面板厚度為26cm～38cm，頂板至橫向跨中設(shè)置50cm×12cm的承托；翼緣板厚度20cm～38cm。各預(yù)制橋面板之間設(shè)置現(xiàn)澆濕接縫進(jìn)行連接，濕接縫寬度為50cm。

3.4 連接件設(shè)計(jì)

預(yù)制橋面板與開口鋼箱梁頂板之間通過集束式剪力釘進(jìn)行連接，現(xiàn)澆橋面板與開口鋼箱梁之間通過均布式剪力釘連接。

剪力釘采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》(GB/T 10433-2002)的D22×180圓柱頭焊釘。

集束式剪力槽中的剪力釘按照3個×5個布置，間距為15.0cm(縱)、10.5cm(橫)。鋼梁頂板上均布式剪力釘間距為12.5cm(縱)、10.5cm(橫)。橫隔梁頂板上均布式剪力釘?shù)拈g距為12.5cm(縱)、25cm(橫)。

4 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

合理進(jìn)行梁高的選取是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，主要考慮的因素有：橋梁的承載力、截面剛度、造價的經(jīng)濟(jì)性、景觀及凈空因素等。

本文通過采用不同梁高、不同板厚，建立有限元模型，如圖5所示，分別進(jìn)行有限元分析計(jì)算。在應(yīng)力控制限值不變的情況下，分析梁高與結(jié)構(gòu)剛度、鋼材用量之間的關(guān)系。

圖5 簡支鋼混組合梁有限元模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析可知，如圖6、圖7所示，主梁活載撓度隨著梁高的增加而變小，即梁高越大，截面剛度越大；鋼材用量最小的梁高為2.6m，即經(jīng)濟(jì)梁高為跨徑的1/21.5。

圖6 主梁活載撓度與梁高的關(guān)系曲線

圖7 鋼材用量與梁高的關(guān)系曲線

考慮黃河路兼顧國道的功能，日常通行的車輛中，大貨車的比例較高，且發(fā)生擁堵的情況比較常見，因此主梁的截面剛度應(yīng)適當(dāng)保守。

在設(shè)計(jì)中，擬定的梁高取值為3.0m，即跨徑的1/18.7，活載撓度為L/3128=17.9mm

5 制作與安裝

(1)工廠預(yù)制混凝土橋面板，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值90%以上時，脫模起吊；存放預(yù)制混凝土橋面板，存放時間不得小于3個月，存放期間需對外露鋼筋采取相應(yīng)的防腐措施；同步施工橋墩樁基、承臺、墩柱、蓋梁等。

(2)工廠分段制造鋼梁；現(xiàn)場搭設(shè)臨時墩，應(yīng)確保臨時墩在設(shè)置時保持原有的鋼梁預(yù)拱度，臨時墩的位置不影響天山路的基本通行需求。

(3)現(xiàn)場架設(shè)主梁，焊接主梁和橫隔梁。

(4)自臨時墩分別向兩邊對稱吊裝預(yù)制橋面板，按照設(shè)計(jì)指定的位置將混凝土橋面板擱置于鋼梁上；搭設(shè)混凝土現(xiàn)澆接縫支架與模板，澆筑橋面板剪力槽及濕接縫微膨脹混凝土。

(5)現(xiàn)澆砼強(qiáng)度達(dá)到100%、且齡期≥14d后拆除臨時支承；全橋吊裝施工完成，進(jìn)行橋面鋪裝、防撞欄及其他附屬設(shè)施的施工；全橋施工完成，成橋動靜載試驗(yàn)、竣工驗(yàn)收。

6 工程特點(diǎn)

(1)在城市高架橋建設(shè)中，跨越繁忙路口的橋梁采用鋼混組合梁作為上部結(jié)構(gòu)，具有交通影響小、實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的競爭力。

(2)橋面板實(shí)現(xiàn)預(yù)制拼裝，可進(jìn)一步提高施工效率和工程質(zhì)量，減少現(xiàn)場工作量。

(3)在進(jìn)行梁高取值時，根據(jù)鋼材的用量指標(biāo)對比，可以得到一個經(jīng)濟(jì)梁高，而實(shí)際采用的梁高，往往會結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，根據(jù)主梁剛度需求、結(jié)構(gòu)高度限制等因素綜合考慮設(shè)定。

(4)橋面板橫向支撐點(diǎn)的距離在3.0～3.5m間時，橋面板即可滿足橋面活載縱向受力需求，亦能滿足活載橫向受力需要，而不需要增加橋面板厚度，梁片數(shù)的設(shè)置是比較合理的。

7 結(jié)語

本文選用的單箱多室開口鋼箱組合梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、整體剛度大，工廠化施工方便、可實(shí)施性較強(qiáng)，造價適中，后期養(yǎng)護(hù)便利，景觀效果好。

圖8 橋梁建成效果

在設(shè)計(jì)中充分考慮了城市高架橋的裝配式生產(chǎn)、現(xiàn)場快速化拼裝、交通組織、構(gòu)件運(yùn)輸便利等因素，充分考慮了平交路口的客觀條件，通過預(yù)制梁廠進(jìn)行混凝土橋面板預(yù)制、鋼結(jié)構(gòu)工廠進(jìn)行鋼梁制造、現(xiàn)場澆筑剪力槽與濕接縫，較好地解決了主線高架橋跨越繁忙的平交路口的問題。

該型鋼混組合梁外觀通透，并與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)一致，景觀視野效果好，體現(xiàn)了新形勢下生態(tài)公路、綠色公路的建設(shè)理念，可為同類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考。