顧進友，董桔燦

（1、廣東省冶金建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州510080；2、深圳市市政設(shè)計研究院有限公司 深圳518029）

0 引言

實際項目在設(shè)計過程中，由于地理、施工環(huán)境等自然條件限制，傳統(tǒng)的混凝土橋梁梁高無法滿足設(shè)計要求，因此要采用超薄梁式橋，要求剛度及強度滿足條件的基礎(chǔ)上，減輕結(jié)構(gòu)自重，增強跨越能力。超高性能混凝土（UHPC）是一種纖維增強水泥基復(fù)合材料［1］，其抗壓強度超過150 MPa，軸拉強度超過7 MPa［2］。可以大大減輕橋梁結(jié)構(gòu)自重、增大橋梁的跨越能力。而UHPC橋面板與I字梁結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，可以進一步減輕結(jié)構(gòu)自重，增大橋梁的跨越能力，減小梁的高度。因此本文結(jié)合實際項目提出了一種超矮鋼-UHPC輕型組合梁（見圖1）。

圖1 鋼-UHPC輕型組合梁效果Fig.1 Sketch of Steel-UHPC Light Composite Girder

組合梁構(gòu)造如圖2所示，其中組合梁頂板采用UHPC，橋面板通過剪力釘與鋼I字梁連接，2片鋼I字梁間隔一段距離用橫隔板連接，構(gòu)造簡潔，預(yù)制安裝方便。

圖2 組合梁構(gòu)造Fig.2 The Structured Graph of Composite Girder

國外對UHPC的研究起步較早，成功的工程運用實例也相對較多，國內(nèi)對UHPC的研究較晚，但發(fā)展迅速，出現(xiàn)了不少性能良好的UHPC橋梁［3-5］。跨度為20 m的低高度預(yù)應(yīng)力UHPCT梁成功運用于我國遷曹鐵路灤柏干渠大橋，其梁高僅為1 350 mm［6］。梁高為2 150 mm的預(yù)應(yīng)力UHPCT梁亦成功運用到跨度為24 m和32 m冀港鐵路［7］。

UHPC的優(yōu)越性已在工程界得到廣泛的認可［8］，但UHPC橋面板與鋼組合梁的應(yīng)用仍處于早期應(yīng)用階段，特別是超矮梁式橋。本文對比了鋼箱梁、鋼-混凝土組合式簡支工字梁、預(yù)應(yīng)力UHPC（工字）梁及鋼-UHPC輕型組合式梁橋的適用性，并就一種超矮鋼-UHPC輕型組合式梁橋的總體布置、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計及橋臺設(shè)計等進行了介紹。

1 項目概況

本項目橋梁跨越磨碟沙涌，磨碟沙涌東起中大農(nóng)場，西止肉聯(lián)廠，東西向橫貫?zāi)サ?，全長1.5 km，橋梁規(guī)劃位置如圖3所示。根據(jù)海珠區(qū)住房和建設(shè)水務(wù)局關(guān)于對琶洲西區(qū)（互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新集聚區(qū)）周邊道路工程涉及磨碟沙涌建設(shè)意見的復(fù)函及會議紀要，河涌規(guī)劃寬度為22.6 m，并要求河涌規(guī)劃線范圍中心線左右3.0 m范圍內(nèi)梁底標高大于7.85 m（廣州城建高程），同時保證河涌規(guī)劃線范圍內(nèi)梁底標高大于7.3 m（廣州城建高程）。

圖3 橋梁位置Fig.3 Bridge Location

周邊環(huán)境現(xiàn)狀如圖4所示，根據(jù)河涌寬度以及橋梁實際地理位置，由于不能在河涌立墩，采用25.6 m跨徑。為滿足規(guī)劃標高和水務(wù)局規(guī)定的梁底標高，并且該橋位于平交口，不宜采用拱橋、桁架橋等影響行車視距的橋型。目前周邊地塊已在建，地塊標高沒有調(diào)整空間，并要求橋梁結(jié)構(gòu)整體高度（梁高+鋪裝）需不大于0.7 m，因此，盡量采用較低梁高的梁式橋型。

圖4 周邊環(huán)境現(xiàn)狀Fig.4 The Surrounding Environment

2 方案比選

橋梁的軸線盡量與河涌水流方向垂直，為減少水中搭設(shè)支架，上部結(jié)構(gòu)力求采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，同時，盡量采用一跨過涌以減少水中支墩設(shè)施。上部結(jié)構(gòu)形式的選擇要優(yōu)先考慮其適用性，可實施性，在此基礎(chǔ)上注重美觀性經(jīng)濟性結(jié)合。本項目上部結(jié)構(gòu)首選預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，其中鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗拉、抗壓強度高；自重輕，跨越能力強?；炷翗蛄嚎箟簭姸雀呖估停蛔灾卮?，搭配預(yù)應(yīng)力跨越能力強。鋼混組合梁鋼材抗拉和混凝土抗壓性能結(jié)合；自重適中跨越能力強。多梁鋼板組合梁、鋼結(jié)構(gòu)橋梁是符合本項目需求的結(jié)構(gòu)形式。

4種橋型方案如表1所示。橋梁總高度最小橋型是鋼-UHPC輕型組合梁，具有梁高矮、結(jié)構(gòu)自重較小、耐久性高、后期養(yǎng)護費用少等優(yōu)點。如采用方案1、方案2及方案3，相連路面的設(shè)計標高抬升大，導(dǎo)致與附近地塊的標高高差較大，造成排水和景觀等難題。因此，考慮把鋼-UHPC輕型組合梁作為推薦方案。UH?PC低矮梁有效降低了結(jié)構(gòu)的建筑高度，創(chuàng)造了更多有效空間，而且具有更高的結(jié)構(gòu)可靠度和耐久性。

表1 橋型方案Tab.1 Bridge Types

3 推薦方案設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

本方案橋梁跨徑為25.6 m，與道路中心線的夾角為90°，全長34.10 m，采用單幅橋。如圖5所示，橋面寬度為24 m，橫斷面布置為2.m（人行道）+1.5 m（非機動車道）+1.25 m（設(shè)施帶）+14.5 m（機動車道）+1.25 m（設(shè)施帶）+1.5 m（非機動車道）+2 m（人行道）=24 m。

圖5 橋梁立面Fig.5 The Bridge Vertical Section（cm）

3.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

上部結(jié)構(gòu)采用25.6 m跨鋼-UHPC輕型組合梁，跨中左右3 m范圍內(nèi)梁高為66 cm，梁端梁高為116 cm，橋?qū)挒?4 m，共8片全預(yù)制鋼-UHPC組合梁組成。單片預(yù)制梁采用3片工字鋼梁組合，單片梁標準寬度為3.0 m。UHPC立方體抗壓強度標準值150 MPa，軸心抗壓強度標準值105 MPa，軸心抗壓強度設(shè)計值75 MPa，軸心抗拉強度標準值8 MPa，彈性模量45 MPa，泊松比0.2，線膨脹系數(shù)1.0×10-5/℃，容重配筋后27 kN/m3，高溫蒸養(yǎng)后，徐變系數(shù)0.2，收縮應(yīng)變0。

跨中斷面如圖6?所示，跨中左右3 m范圍內(nèi)梁高66 cm，其中UHPC橋面板厚14 cm，工字梁高52 cm。

端部斷面如圖6?所示，支點梁高116 cm，其中UHPC橋面板厚14 cm，工字梁高102 cm。

圖6 單片預(yù)制梁跨中及端部斷面Fig.6 The Midspan Section and End Section of a Girder（cm）

UHPC橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接。剪力釘規(guī)格為22 mm×100 mm，縱橋向間距為15 cm，單個工字梁上翼緣橫向布置2列。橋面鋪裝采用4 cm厚SMA。工字型鋼梁主要由上翼緣板、腹板、下翼緣板焊接組成。工字鋼梁采用Q345qC鋼，上翼緣寬300 mm，厚14 mm；腹板高481～981 mm，厚14 mm；下翼緣寬500 mm，厚25 mm。

如圖7?所示，在跨中鋼-UHPC組合梁內(nèi)，設(shè)置H形斷面小橫梁，高386 mm，腹板板厚14 mm，上翼緣寬300 mm，板厚16 mm，下翼緣寬500 mm，板厚20 mm；在1/4跨鋼-UHPC組合梁內(nèi)，設(shè)置H形斷小橫梁，高616 mm，腹板板厚14 mm，上翼緣寬300 mm，板厚16 mm，下翼緣寬500 mm，板厚20 mm。

3.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖7?所示，橋臺采用雙排樁扶壁臺，臺身頂部以下1.5 m范圍內(nèi)采用UHPC120，樁徑為φ1.5 m。

圖7 橋梁斷面Fig.7 The Bridge Section View（cm）

3.4 施工要點

橋梁整體施工順序如下：鋼梁加工（包括栓釘焊接）?單榀組合梁施工?組合梁吊裝?端橫隔板連接?濕接縫澆筑?鋪裝層及附屬結(jié)構(gòu)施工。

⑴施工中，由專業(yè)鋼構(gòu)件加工廠進行鋼梁加工，完成栓釘焊街和涂裝后運抵預(yù)制場地。

⑵根據(jù)設(shè)計圖紙組拼單榀鋼梁，安裝模板，完成單榀鋼梁UHPC全部施工。

⑶單榀鋼-UHPC組合梁全部完成后，采用大型起重設(shè)備（80 t），在一側(cè)進行吊裝。

⑷吊梁全部完成后，栓接端橫隔板，澆筑濕接縫，完成后續(xù)施工。

4 有限元計算

采用橋梁專用有限元計算軟件Midas Civil建立全橋整體有限元模型，模型采用梁格法，共1 827個單元，1 480個節(jié)點。橋面鋪裝層僅作為恒載考慮。有限元模型如圖8所示。

圖8 有限元計算模型Fig.8 The Finite Element Calculation Model

依據(jù)模型分別就該鋼-UHPC組合梁橋的組合梁、鋼梁、UHPC橋面板及剪力連接件［10］的力學(xué)性能進行計算，結(jié)果均滿足《超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：GDJTGT A01—2015》相關(guān)要求，表明該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，力學(xué)性能良好。

5 結(jié)論

本文針對實際項目在設(shè)計過程中，由于地理、施工環(huán)境等自然條件限制，提出了一種超矮鋼-UHPC輕型組合梁。并針對某低梁高要求的橋梁方案進行了鋼箱梁、鋼-混凝土組合式簡支工字梁、預(yù)應(yīng)力UHPC（工字）梁及鋼-UHPC輕型組合梁橋4種方案比選。并就推薦方案超矮鋼-UHPC輕型組合梁橋設(shè)計進行了總體布置、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計及下部結(jié)構(gòu)設(shè)計的介紹，橋型設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)計算滿足《超高性能輕型組合橋面結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：GDJTGTA01—2015》要求。