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)
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。
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
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
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)
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。
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)
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。
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。
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。