南京大橋北路鋼—混凝土連續(xù)組合梁橋設(shè)計(jì)

柳雙軍

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司南京分公司 南京市 210000)

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁充分利用鋼材和混凝土各自的材料性能，通過(guò)剪力連接件將二者結(jié)合起來(lái)共同受力，相對(duì)于混凝土梁具有自重輕、構(gòu)件截面尺寸小、承載能力高、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)；相對(duì)于鋼梁具有剛度大、整體穩(wěn)定性能好、造價(jià)低、無(wú)橋面板疲勞問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。目前，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁在城市高架等工程中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。結(jié)合南京大橋北路工程匝道橋，介紹鋼-混凝土連續(xù)組合梁橋的總體布置、構(gòu)造、剪力釘布置、施工順序、鋼梁涂裝方案及采用中支點(diǎn)頂升的方法減小負(fù)彎矩區(qū)域混凝土橋面板的拉應(yīng)力。

1 工程概況

南京大橋北路快速化改造工程南起浦珠路(江山路)橋北互通，穿過(guò)毛紡廠路、柳洲路和梅桂營(yíng)鐵路，北至江北大道，工程設(shè)計(jì)范圍全長(zhǎng)約2.7km，高架段全長(zhǎng)1.75 km。主線高架及匝道橋上部結(jié)構(gòu)以現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為主，其中QC匝道橋第二聯(lián)需跨越已運(yùn)行的南京地鐵S8號(hào)線1號(hào)風(fēng)井、2號(hào)風(fēng)井及出入口處，混凝土箱梁現(xiàn)澆支架荷載對(duì)地鐵構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)影響較大，因此采用鋼-混凝土連續(xù)組合箱梁跨越地鐵構(gòu)筑物，組合梁鋼梁部分采用少支架拼裝，橋面板采用現(xiàn)澆施工方法。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用實(shí)體“花瓶”型，墩身橫橋向?qū)?.5m，頂部擴(kuò)大為3.9m，順橋向?qū)?.8m，支座間距2.4m；基礎(chǔ)采用4根直徑1.2m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

圖1 大橋北路QC匝道立面圖

2 鋼-混凝土連續(xù)組合梁設(shè)計(jì)

2.1 組合梁構(gòu)造

鋼-混凝土連續(xù)組合梁跨徑布置為35.687m+37m+36m，橋?qū)払=8.2m，截面采用單箱雙室，梁總高2.0m，橋面板厚0.3m，腹板斜率為1∶2。鋼梁由頂板、腹板、底板、橫隔板、加勁肋組成，頂板板厚25～30mm，寬0.6m，腹板板厚16～18mm；底板板厚20～25mm，寬3.905m。鋼梁沿縱向每6m設(shè)置一道橫隔板，中支點(diǎn)兩側(cè)各1.5m設(shè)置一道頂升隔板，隔板間設(shè)置一道豎向加勁肋，現(xiàn)澆混凝土橋面板全寬8.2m，厚度為0.3m，挑臂長(zhǎng)度1.35m，采用C50鋼纖維混凝土；鋼箱梁與橋面板通過(guò)剪力連接件連接在一起共同受力，剪力連接件釘采用D22×220mm圓柱頭焊釘。鋼梁采用Q345qD鋼材；全橋鋼材合計(jì)265.2t，用鋼指標(biāo)為297kg/m2。鋼梁采用少支架吊裝施工，橋面板混凝土采用現(xiàn)澆施工。圖2為鋼-混凝土組合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖。

圖2 連續(xù)組合梁一般截面構(gòu)造圖(單位：mm)

2.2 組合梁計(jì)算分析

采用midas Civil軟件建立全橋空間桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，全橋共96個(gè)梁?jiǎn)卧?。為?jiǎn)化計(jì)算分析過(guò)程，假定鋼材與混凝土均為理想線彈性材料，忽略混凝土橋面板與鋼梁之間的滑移作用，兩者視為剛性粘結(jié)。邊界條件根據(jù)支座的實(shí)際設(shè)置情況模擬為單向滑動(dòng)、雙向滑動(dòng)及固定支座。有限元模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

(1)施工階段及對(duì)應(yīng)階段的鋼梁應(yīng)力

表1 施工階段描述及鋼梁應(yīng)力匯總表

由表1可知，施工階段5鋼梁頂?shù)装鍛?yīng)力最大。施工階段5及基本組合作用下鋼梁頂?shù)装鍛?yīng)力見(jiàn)圖4～圖7。

圖4 施工階段5鋼梁頂板應(yīng)力圖

圖5 施工階段5鋼梁底板應(yīng)力圖

施工階段鋼梁底板最大應(yīng)力為104.3MPa，頂板最大應(yīng)力為151.5MPa，均小于270MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

(2)使用階段鋼梁及橋面板應(yīng)力

圖6 基本組合鋼梁頂板應(yīng)力圖

圖7 基本組合鋼梁底板應(yīng)力圖

使用階段鋼梁底板最大應(yīng)力為202.0MPa，頂板最大應(yīng)力為165.1MPa<270MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)組合橋面板壓應(yīng)力(單位：MPa)

標(biāo)準(zhǔn)組合橋面板最大壓應(yīng)力為7.4MPa<22.4MPa，滿足規(guī)范要求。

(3)組合梁預(yù)拱度設(shè)計(jì)

連續(xù)鋼-混凝土組合梁預(yù)拱度按結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值加1/2車道荷載頻遇值產(chǎn)生的撓度值設(shè)置，其中頻遇值系數(shù)為1.0。一期恒載的邊跨跨中撓度為47.5mm，二期恒載的邊跨跨中撓度為8.3mm，活載的邊跨跨中撓度為16.5mm，邊跨跨中處預(yù)拱度為47.5+8.3+0.5×16.5=64mm，同理，中跨跨中預(yù)拱度為13.8+1.4+0.5×13.5=22mm，鋼梁預(yù)拱度應(yīng)在鋼梁工廠加工時(shí)預(yù)先按拋物線設(shè)置。

(4)組合梁抗傾覆計(jì)算

基本組合下，鋼-混凝土連續(xù)組合梁邊墩單個(gè)支座反力為194kN，中墩支座反力為2033kN，支座均保持在受壓狀態(tài)，滿足規(guī)范要求。鋼梁支座橫橋向間距為2.4m，使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的彎矩為16510kN·m，使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的彎矩為3338kN·m，橫橋向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為4.9>2.5，滿足規(guī)范要求。

3 剪力釘布置

圓柱頭焊釘連接件是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為普遍的連接件形式，廣泛地應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)中，當(dāng)剪力釘?shù)臄?shù)量、直徑較強(qiáng)配置時(shí)，連接性能可近似達(dá)到剛性連接，與組合梁計(jì)算假定接近。本聯(lián)組合梁剪力釘采用D22×220mm圓柱頭焊釘，單個(gè)焊釘抗剪承載力設(shè)計(jì)值為102kN，設(shè)計(jì)要求焊釘?shù)暮附庸ぷ鲬?yīng)在鋼梁制造廠內(nèi)焊接完成，在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)當(dāng)拉力荷載達(dá)到159.6kN時(shí)，不得斷裂；繼續(xù)增大載荷直至拉斷，斷裂不應(yīng)發(fā)生在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)。全橋共計(jì)焊釘6478個(gè)，順橋向間距300mm，橫隔板、端支點(diǎn)6m范圍內(nèi)、中支點(diǎn)3.3m范圍內(nèi)間距150mm，剪力釘布置見(jiàn)圖9及圖10。

圖9 剪力釘布置橫斷面圖(單位：mm)

圖10 剪力釘布置平面圖(單位：mm)

4 橋面板負(fù)彎矩區(qū)域設(shè)計(jì)

鋼-混凝土連續(xù)組合梁中支點(diǎn)負(fù)彎矩處橋面板在彎矩作用下產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，如果橋面板混凝土開(kāi)裂，對(duì)橋梁的承載能力、梁截面剛度、結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生很大的影響。目前常用的減小混凝土橋面板拉應(yīng)力的方法有，一是調(diào)整跨中、中支點(diǎn)混凝土的澆注順序來(lái)減少，二是支點(diǎn)頂升(支座位移法)，三是負(fù)彎矩區(qū)域配置預(yù)應(yīng)力鋼束的方法。本聯(lián)組合梁采用調(diào)整橋面板混凝土澆注順序以及中支點(diǎn)頂升20cm的方法，通過(guò)頂升20cm后，負(fù)彎矩區(qū)域混凝土拉應(yīng)力相對(duì)降低了2MPa，有效地控制了混凝土橋面板的開(kāi)裂。

本工程組合梁僅兩聯(lián)，橋面板采用現(xiàn)澆施工，橋面板混凝土采用C50鋼纖維混凝土。負(fù)彎矩混凝土橋面板按允許開(kāi)裂并控制混凝土裂縫寬度的方法設(shè)計(jì)，橋面板裂縫寬度計(jì)算時(shí)考慮橋面板的有效分布寬度。橋面板配筋在總寬8.2m范圍內(nèi)上下緣均按雙肢25@150mm布置，配筋率4.3%，鋼筋應(yīng)力為124.5MPa，裂縫寬度0.148mm<0.2mm，滿足規(guī)范要求。

5 鋼梁涂裝

鋼梁內(nèi)、外部的防腐涂裝采用性能可靠、附著力強(qiáng)、耐候性好、防腐蝕強(qiáng)、成熟可靠以及使用期保證在15年以上的涂裝材料。鋼梁采用的油漆涂裝方案如表2所示。

表2 鋼梁內(nèi)、外部的防腐涂裝設(shè)計(jì)方案

鋼梁頂板與混凝土橋面板接觸面涂裝方案為：冷噴鋅2道，厚度90μm，冷噴鋅干膜涂層全鋅含量不低于96%。

6 結(jié)論

鋼-混凝土連續(xù)組合梁較鋼梁經(jīng)濟(jì)性好、橋面板耐久性好，并充分地利用了鋼材與混凝土的優(yōu)點(diǎn)，組合梁較現(xiàn)澆混凝土梁在施工方法、跨徑布置、小半徑曲線段等建設(shè)條件下適應(yīng)能力更強(qiáng)，本聯(lián)鋼-混凝土連續(xù)組合梁采用槽形鋼梁的截面形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、受力明確、整體性好、抗扭剛度大，鋼梁施工階段荷載輕，有效地解決了匝道橋跨越地鐵構(gòu)筑物的問(wèn)題。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的大力推進(jìn)，城市高架建設(shè)中，地鐵、綜合管廊、既有不便改移的管線等常見(jiàn)構(gòu)筑物使得橋梁的總體布置更加復(fù)雜，組合梁靈活的跨徑布置能更好地適應(yīng)城市建設(shè)的需要。論文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了常見(jiàn)鋼-混凝土連續(xù)組合梁的構(gòu)造布置、主要分析計(jì)算過(guò)程及負(fù)彎矩的設(shè)計(jì)方法，希望對(duì)鋼-混凝土連續(xù)組合梁的設(shè)計(jì)提供良好的借鑒作用。