甄玉杰，王鵬洲

(中建三局集團(tuán)有限公司西北公司，西安 710065)

預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋隨著跨徑的增大，梁高需相應(yīng)增加，且箱梁底板、腹板也變得更厚[1-2]，這不僅增加了箱梁自重，還增加了施工工期。鋼-混凝土混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋很好地解決了這一問(wèn)題，跨中采用鋼箱梁不僅降低了支點(diǎn)梁高，還減輕了結(jié)構(gòu)自重，降低了主梁下?lián)巷L(fēng)險(xiǎn)[3]，且會(huì)大大縮短施工周期。目前國(guó)內(nèi)已建成的混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋有重慶石板坡長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋(主跨330 m，中跨鋼箱梁長(zhǎng)108 m)、中山小欖水道特大橋(主跨220 m，中跨鋼箱梁長(zhǎng)87 m)、溫州甌越大橋(主跨200 m，中跨鋼箱梁長(zhǎng)84 m)等[4-5]。

某主跨300 m混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為(135+300+135)m，中跨鋼箱梁長(zhǎng)108 m，橋梁總體布置如圖1所示。本橋跨徑及規(guī)模均遠(yuǎn)超中山小欖水道特大橋和溫州甌越大橋，技術(shù)更為復(fù)雜，與重慶石板坡長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋相比，本橋加強(qiáng)了體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低了主梁下?lián)巷L(fēng)險(xiǎn)。

1 混凝土主梁設(shè)計(jì)

本橋主梁采用標(biāo)準(zhǔn)箱型斷面[6-7]，單箱單室直腹板截面，箱梁頂板寬16.25 m，底板寬7.65 m，懸臂長(zhǎng)4.2 m。根部梁高15 m，跨中梁高4.5 m，梁高按2次拋物線規(guī)律變化。箱內(nèi)頂板最小厚度0.3 m，腹板Tw厚度為0.5 m～0.9 m。底板Tb厚度為0.5 m～1.376 m，按1.5次拋物線規(guī)律變化?；炷林髁簲嗝嫒鐖D2所示。主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。縱向預(yù)應(yīng)力包含頂板束、腹板下彎束、邊跨底板及頂板合龍束。與一般連續(xù)剛構(gòu)橋相比，混合梁剛構(gòu)橋未設(shè)置中跨底板及頂板合龍束。為保證鋼-混凝土結(jié)合段與混凝土梁段的良好結(jié)合，鋼-混結(jié)合段內(nèi)需單獨(dú)設(shè)置頂板、腹板和底板鋼束。

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2 鋼箱梁設(shè)計(jì)

鋼箱梁?jiǎn)畏鶎?6.25 m，底板寬度7.65 m，跨中103 m 范圍梁高在鉛垂方向按2次拋物線變化，鋼箱梁梁高范圍4.535 m～5.869 m。鋼箱梁斷面如圖3所示。

頂板厚度在順橋向除在鋼-混凝土結(jié)合段附近剛度過(guò)渡段采用26 mm外，其余梁段均采用16 mm等厚度鋼板[8]。頂板采用U肋加勁，間距600 mm，厚度為8 mm。在剛度過(guò)渡段，頂板設(shè)置變高度T形加勁和等高度扁鋼加勁，以使其剛度從混凝土段進(jìn)行過(guò)渡。

底板在順橋向不同區(qū)段采用了24 mm、20 mm板厚。底板加勁肋統(tǒng)一采用規(guī)格為200 mm×20 mm的板肋，橫向間距600 mm。腹板在順橋向不同區(qū)段采用了24 mm、20 mm、16 mm板厚，腹板內(nèi)側(cè)保持平齊。腹板加勁肋規(guī)格為160 mm×16 mm，豎向間距600 mm。

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3 鋼-混結(jié)合段設(shè)計(jì)

3.1 鋼-混結(jié)合段總體設(shè)計(jì)

鋼-混結(jié)合段起到順暢可靠傳遞各種荷載產(chǎn)生的軸力、彎矩、扭矩和剪力的作用。在軸力、彎矩和剪力的作用下，鋼-混凝土接頭處將產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。壓應(yīng)力由承壓板及 PBL剪力鍵共同傳遞，拉應(yīng)力、剪應(yīng)力主要由PBL剪力鍵傳遞[9]。

鋼-混結(jié)合段設(shè)計(jì)應(yīng)考慮剛度和傳力的過(guò)渡，在荷載作用下有一定的承載能力安全儲(chǔ)備，剛度過(guò)渡良好，耐久性好，抗疲勞性能好。綜合考慮各項(xiàng)因素，本橋結(jié)合段采用有格室的后承壓板形式，實(shí)際長(zhǎng)度5 m，如圖4所示。

結(jié)合段將鋼箱梁端部的頂、底板和腹板做成雙壁板，在雙壁板內(nèi)部設(shè) PBL 剪力板和 L 剪力釘，形成鋼格室。在鋼格室內(nèi)填充混凝土，通過(guò)兩端分別錨固于鋼箱梁剛度過(guò)渡區(qū)和混凝土梁橫隔梁上的預(yù)應(yīng)力短束使鋼箱梁與混凝土箱梁緊密結(jié)合。

3.2 鋼混結(jié)合段鋼格室設(shè)計(jì)

鋼格室順橋向長(zhǎng)度1.5 m，鋼-混結(jié)合段頂板鋼格室上板厚 26 mm，下板厚 25 mm；底板鋼格室上板厚25 mm，下板厚24 mm；鋼格室腹板開(kāi)有直徑 80 mm 圓孔，并穿過(guò)橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，開(kāi)有直徑 70 mm 圓孔并穿過(guò)Φ20 mm HRB400 鋼筋與進(jìn)入該圓孔的混凝土包裹在一起形成 PBL 剪力鍵。腹板鋼格室外側(cè)板厚 28 mm，內(nèi)側(cè)板厚 25 mm，在腹板內(nèi)側(cè)焊接豎向?qū)挾葹?225 mm 的 PBL 剪力板，板上開(kāi)有直徑 70 mm 圓孔并穿過(guò)Φ20 mm HRB400 鋼筋與進(jìn)入該圓孔的混凝土包裹在一起形成 PBL 剪力鍵，如圖5所示。

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3.3 鋼-混結(jié)合段施工工藝

1) 在先行端鋼-混結(jié)合段接口校對(duì)調(diào)整對(duì)接位置，在滿足要求后，在頂、底、腹板上的加勁肋和縱隔板上采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接；2) 在后行端鋼-混結(jié)合段接口，則作為合龍時(shí)的調(diào)節(jié)口，頂、底、腹板各預(yù)留500 mm作為嵌補(bǔ)段(鋼-混接頭250 mm、鋼箱梁250 mm)；3) 頂、底板上的肋板及縱隔板上在接縫處預(yù)留 40 mm左右縫隙，采用高強(qiáng)度螺栓連接；4)待鋼箱梁準(zhǔn)確定位后，在合龍位置將高強(qiáng)螺栓擰緊，再進(jìn)行兩端接口的頂、底、腹板及嵌補(bǔ)段焊接。

考慮到施工和制造中會(huì)出現(xiàn)幾何尺寸的精度誤差，以及混凝土梁收縮徐變和鋼箱梁隨溫度的伸縮給合龍帶來(lái)的困難，設(shè)計(jì)對(duì)兩端接口按照不同的連接方式選擇一端為先行端，另一端為后行端。先行端和后行端的選擇應(yīng)考慮鋼箱梁的運(yùn)輸路線及轉(zhuǎn)體起吊方便，需根據(jù)施工工藝專(zhuān)題研究確定。

4 體外預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

主梁長(zhǎng)期下?lián)弦恢崩_著大跨度混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?；旌狭簞倶?gòu)橋主跨跨中采用鋼梁替代混凝土梁之后，主跨自重顯著降低，長(zhǎng)期下?lián)巷L(fēng)險(xiǎn)降低。另外，為改善主橋整體受力及結(jié)構(gòu)剛度，為運(yùn)營(yíng)期間主梁線形調(diào)整儲(chǔ)備技術(shù)手段，在中跨主梁箱內(nèi)設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力束[10-12]，并可重復(fù)張拉且可更換，這為混合梁剛構(gòu)橋運(yùn)營(yíng)多年后橋梁線形調(diào)整提供了便利條件，是一種對(duì)混合梁剛構(gòu)橋長(zhǎng)期變形進(jìn)行主動(dòng)控制的方法。

為盡量減小大跨度連續(xù)剛構(gòu)普遍存在的跨中下?lián)蠁?wèn)題，減少溫度、混凝土的收縮徐變對(duì)主梁線形的影響，保證結(jié)構(gòu)的耐久性和安全度[13]，本橋在中跨設(shè)置8對(duì)體外預(yù)應(yīng)力體系，如圖6所示?？紤]該橋在設(shè)計(jì)中已有較高的應(yīng)力儲(chǔ)備，因此所有體外預(yù)應(yīng)力裝置(包括體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線、錨固塊、轉(zhuǎn)向塊、限位裝置等)都作為橋梁跨中下?lián)系膬?chǔ)備措施，在施工完成后先張拉30%的體外預(yù)應(yīng)力，當(dāng)運(yùn)營(yíng)期間發(fā)現(xiàn)中跨出現(xiàn)跨中下?lián)匣蛑骺玳_(kāi)裂等病害后，可根據(jù)病害具體情況適當(dāng)張拉體外束。

(a) 1/2主跨體外預(yù)應(yīng)力鋼束縱向立面布置

(b) 1/2主跨體外預(yù)應(yīng)力鋼束縱向平面布置

5 靜動(dòng)力計(jì)算

5.1 計(jì)算模型

該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土-鋼箱梁混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋，整體采用Midas Civil建立空間桿系有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力、動(dòng)力分析，如圖7所示。邊界條件采用如下方法模擬：主墩基礎(chǔ)采用土彈簧剛度模擬，主梁與主墩采用剛性連接模擬，邊墩采用一般支承，釋放縱橋向約束。

為了解鋼-混結(jié)合段的局部受力性能，采用FEA進(jìn)行局部板殼混合有限元分析，如圖8所示。為充分考慮圣維南原理的影響，在結(jié)合段兩側(cè)均延伸2個(gè)梁段進(jìn)行建模分析。邊界條件施加如下：在計(jì)算模型中，將混凝土梁左端約束x、y、z方向的位移，鋼箱梁右端加載節(jié)點(diǎn)與鋼箱截面的節(jié)點(diǎn)剛性連接[14]。

圖7 結(jié)構(gòu)有限元模型

5.2 有限元分析結(jié)果

正常使用極限狀態(tài)下，混凝土主梁未出現(xiàn)拉應(yīng)力；主梁斜截面主壓應(yīng)力為14.7 MPa，斜截面最大主拉應(yīng)力為1.0 MPa；鋼箱梁最大組合應(yīng)力為186.3 MPa。

在汽車(chē)活載作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大撓度為0.136 m<300/600=0.5 m；最大雙懸臂施工階段，結(jié)構(gòu)一階穩(wěn)定系數(shù)為58.5；E1和E2地震作用下，橋墩驗(yàn)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)均在彈性范圍。

綜上所述，在施工和運(yùn)營(yíng)各種荷載組合作用下，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及抗震性能均滿足規(guī)范要求[15]。

鋼-混結(jié)合段有限元分析結(jié)果表明，鋼箱梁結(jié)合段的應(yīng)力在176 MPa以內(nèi)，受力滿足規(guī)范要求?；炷亮航Y(jié)合段的橫橋向應(yīng)力和順橋向應(yīng)力除預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)處應(yīng)力較大外，其他大部分位置應(yīng)力均位于-17 MPa～2 MPa之間，如圖9所示。

圖9 鋼箱梁結(jié)合段的應(yīng)力云圖

6 結(jié)論

1) 鋼-混凝土混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋，相比常規(guī)連續(xù)剛構(gòu)橋，降低了支點(diǎn)梁高，減輕了結(jié)構(gòu)自重，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)跨度。

2) 靜動(dòng)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及抗震性能均滿足規(guī)范要求，該橋結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)合理。

3) 鋼-混結(jié)合段有限元分析結(jié)果表明，鋼-混結(jié)合段采用有格室的后承壓板形式，剛度過(guò)渡良好，在荷載作用下有足夠的承載能力安全儲(chǔ)備。