鋼混混合連續(xù)梁橋總體方案設(shè)計(jì)

蔣逢煒，鄧 達(dá)

(中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100048)

0 引言

大跨連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋因受力明確、經(jīng)濟(jì)性好而廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)橋梁工程中。但對(duì)于跨度小于200m，且橋梁高度受限的情況，傳統(tǒng)梁式橋的優(yōu)勢(shì)就不再那么突出。國(guó)內(nèi)有代表性的矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋-華南大橋[1]，主跨跨度190m，墩高僅為11m，在施工中需采取連續(xù)加卸載的方式改變主墩受力，費(fèi)用高，施工繁瑣，效果較差，運(yùn)營(yíng)期間橋墩有開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。采用連續(xù)梁橋，雖可避免主墩開(kāi)裂，但使用條件有一定的限制。國(guó)內(nèi)最大跨度的連續(xù)梁橋?yàn)槌鐔⒋髽騕2]，主跨跨度185m，主梁采用純鋼箱梁。因大跨度鋼箱梁懸拼技術(shù)發(fā)展滯后，崇啟大橋施工采用大節(jié)段整跨吊裝，該施工方法對(duì)河床寬度及平整度要求較高，不適宜常規(guī)內(nèi)陸橋梁。國(guó)內(nèi)最大跨度PC連續(xù)梁橋?yàn)闃?lè)自高速公路岷江特大橋[3]，主跨跨度180m，雙向四車(chē)道。該橋上部結(jié)構(gòu)自重較大，支座噸位達(dá)到70MN，常規(guī)支座已無(wú)法滿(mǎn)足使用要求，需特殊定制，這給后期橋梁的管養(yǎng)帶來(lái)較大困難。

本項(xiàng)目綜合了矮墩、寬橋、大跨徑及地形條件受限等四種不利因素，常規(guī)的PC連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)或連續(xù)鋼箱梁橋均無(wú)法直接應(yīng)用。為解決該技術(shù)問(wèn)題，在充分總結(jié)國(guó)內(nèi)已建大跨徑梁橋經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從降低總體工程造價(jià)方面出發(fā)，提出了鋼混混合連續(xù)梁橋方案，并將該方案應(yīng)用于實(shí)際工程中，對(duì)同類(lèi)工程具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程背景

濟(jì)寧至商丘高速公路嘉祥至金鄉(xiāng)段工程是山東省高速公路網(wǎng)絡(luò)“十四五”規(guī)劃中青島至商丘的重要路段，與規(guī)劃的濰坊至鄒城、鄒城至濟(jì)寧公路銜接，可形成貫穿膠東半島、濰坊、濟(jì)寧、商丘的重要運(yùn)輸通道。該項(xiàng)目的建設(shè)實(shí)施，完善了魯南通道高速公路網(wǎng)，將成為山東東部地區(qū)與中原經(jīng)濟(jì)區(qū)南部地區(qū)連接的主要通道，對(duì)優(yōu)化魯南地區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)布局、提升綜合運(yùn)輸服務(wù)能力和水平、提升濟(jì)棗菏都市區(qū)融合發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

1.2 橋位

新萬(wàn)福河大橋位于山東省濟(jì)寧市金鄉(xiāng)縣境內(nèi)，是濟(jì)商高速公路的重要組成部分。其主橋跨越新萬(wàn)福河，遠(yuǎn)期規(guī)劃為Ⅱ級(jí)航道，因橋梁處于河流彎道上，且與上游船閘和匯流口距離較近，為保證通航安全，需采取一孔跨越通航水道的方式?？紤]主墩構(gòu)造尺寸及橋梁斜交角度，主跨跨度不得小于185m。

新萬(wàn)福河主河槽南北岸設(shè)有防洪大堤，堤頂?shù)缆芬?guī)劃寬度29m。北岸內(nèi)側(cè)堤腳到航道邊線(xiàn)垂直距離50m，可布置主墩，有一定的調(diào)整余地；南岸內(nèi)側(cè)堤腳到航道邊線(xiàn)垂直距離35m，可布置主墩，但位置唯一，無(wú)調(diào)整空間，項(xiàng)目平面布置如圖1所示。

圖1 新萬(wàn)福河大橋平面布置

橋址區(qū)地質(zhì)覆蓋層主要為新生界第四系粉質(zhì)黏土、黏土、粉土及粉砂，覆蓋層厚度較厚，地表以下80m范圍內(nèi)未見(jiàn)基巖，土體物理力學(xué)指標(biāo)較差。

橋位處地貌單一，橋梁區(qū)域均為平原區(qū)，地勢(shì)平坦，因此控制橋梁結(jié)構(gòu)高度，可有效降低主橋縱斷高度，縮短全橋長(zhǎng)度，降低整體工程造價(jià)。項(xiàng)目主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2 鋼混混合連續(xù)梁橋方案可行性分析

2.1 方案的提出

該橋縱斷高度較低，橋墩高度僅有7m，且橋梁寬度較寬，無(wú)法采用常規(guī)的PC連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁橋，而受制于地形限制，也無(wú)法采用純鋼箱連續(xù)梁橋。因此，本方案吸收預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼箱梁各自的優(yōu)勢(shì)，借鑒重慶石板坡復(fù)線(xiàn)長(zhǎng)江大橋和溫州甌江大橋等橋梁的成功建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，提出了鋼混混合連續(xù)梁橋方案。

2.2 橋跨組合協(xié)調(diào)，橋梁線(xiàn)形柔美

鋼混混合連續(xù)梁橋跨中采用鋼箱梁，長(zhǎng)度一般為主跨跨徑的0.4～0.5之間[6]。相比于PC主梁，混合梁支點(diǎn)負(fù)彎矩減小了1/3，主橋邊中跨比由0.54～0.58減小到0.40～0.45，支點(diǎn)處梁高可由1/16～1/18減小到1/20～1/25。本方案跨徑組合為80m+185m+80m，中跨75m采用鋼箱梁，其余部位采用PC結(jié)構(gòu)，截面為單箱單室直腹板，主梁按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。相比于常規(guī)的PC連續(xù)梁橋，支點(diǎn)處梁高由11m減小到9.5m，邊跨跨徑由105m縮短至80m，有效降低了主橋縱斷高度，縮短主橋長(zhǎng)度及全橋長(zhǎng)度，降低工程造價(jià)。

混凝土節(jié)段采用1.8次拋物線(xiàn)過(guò)渡，使結(jié)構(gòu)線(xiàn)形平順柔美，與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)融合。跨中采用3.5m高的等截面鋼箱梁，梁高較矮，視覺(jué)效果通透，整體線(xiàn)條輕快簡(jiǎn)潔，形成了融于景而和于城的效果。橋梁效果、立面如圖2和圖3所示。

圖2 鋼混混合連續(xù)梁方案效果

圖3 鋼混混合連續(xù)梁方案立面

2.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造合理，安全儲(chǔ)備高

與傳統(tǒng)的PC連續(xù)梁橋相比，鋼混混合連續(xù)梁因跨中區(qū)段采用了鋼箱梁，結(jié)構(gòu)自重更輕，截面抗彎、抗剪承載力及抗裂性能更加優(yōu)異。主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 主要計(jì)算結(jié)果

由表2可知，鋼混混合連續(xù)梁橋中混凝土截面抗彎及抗剪承載力均滿(mǎn)足規(guī)范要求，安全系數(shù)均為1.7，承載能力較大?？缰谢炷敛课晃闯霈F(xiàn)拉應(yīng)力，最小壓應(yīng)力為1.5MPa，滿(mǎn)足全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的要求，預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備適中；跨中鋼箱梁節(jié)段翼緣板及腹板應(yīng)力均遠(yuǎn)小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，安全儲(chǔ)備較大。

同時(shí)，鋼混混合連續(xù)梁方案在設(shè)計(jì)荷載作用下支座反力僅為43 962kN，遠(yuǎn)小于同規(guī)模PC連續(xù)梁橋的支座反力，常規(guī)的JPZ-45MN盆式支座即可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，后期養(yǎng)護(hù)及更換支座較為方便。

鋼箱梁的使用減輕了跨中結(jié)構(gòu)自重，可延緩因徐變和收縮導(dǎo)致的跨中下?lián)?，但該?wèn)題仍需充分考慮。早期混合梁橋設(shè)計(jì)中通常采用體外預(yù)應(yīng)力，如溫州甌江大橋，通過(guò)后期對(duì)預(yù)應(yīng)力的補(bǔ)張拉改善梁體下?lián)希欢陙?lái)建成的混合梁橋也有個(gè)別不采用體外預(yù)應(yīng)力鋼束，如舟山魚(yú)山大橋。因此在方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)是否設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行分析對(duì)比，得到位移及主梁應(yīng)力對(duì)比(圖4)。

圖4 位移及主梁應(yīng)力對(duì)比

由圖4可知，采用體外預(yù)應(yīng)力可有效緩解主梁后期下?lián)?，增大成橋?yīng)力儲(chǔ)備，并為后期預(yù)應(yīng)力補(bǔ)張拉提供條件，因此方案一跨中采用體外預(yù)應(yīng)力。

2.4 施工便利，工期安排緊湊

鋼混混合連續(xù)梁橋預(yù)應(yīng)力混凝土共13個(gè)節(jié)段，節(jié)段長(zhǎng)度分別為3.0m、3.5m和4.0m三種類(lèi)型，節(jié)段長(zhǎng)度適中?？缰袖撓淞洪L(zhǎng)度75m，重量 1 600t，采用整體吊裝方法施工，施工速度快，可大大縮短工期。預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段采用常規(guī)的懸臂澆筑法施工，技術(shù)成熟可靠，施工安全度高。鋼箱梁節(jié)段可在工廠分段制造拼裝，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)并焊接為整體大節(jié)段后，利用安裝在懸臂端部的橋面吊機(jī)吊裝合攏，最后張拉體外預(yù)應(yīng)力鋼束，完成主橋體系轉(zhuǎn)換。該方案施工速度較快，鋼箱梁加工制造可在工廠提前完成，不影響整體施工工期。運(yùn)輸方式靈活，可根據(jù)具體情況采用整體駁船運(yùn)輸，也可將鋼箱梁臨時(shí)分為小節(jié)段，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)后焊接為整體大箱梁。吊裝速度快，鋼箱梁從就位到吊裝僅需數(shù)h就可完成，對(duì)航道影響較小。

3 設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

根據(jù)該橋的橋跨需求，結(jié)合安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性及美觀的要求，將鋼混混合連續(xù)梁方案與PC矮塔斜拉橋方案進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 PC矮塔斜拉橋方案設(shè)計(jì)

新萬(wàn)福河兩岸地勢(shì)平坦，主橋設(shè)計(jì)中若采用輕薄構(gòu)件可降低縱斷高度，縮短全橋長(zhǎng)度，降低總體工程造價(jià)，因此方案二采用PC矮塔斜拉橋，跨徑組合為105m+185m+105m，支撐體系為塔梁固結(jié)，塔墩分離，與漳州戰(zhàn)備大橋相同。

該方案主梁采用斜腹板變截面，主墩處梁高度7.2m，跨中梁高3.2m，按A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。相比于鋼混混合連續(xù)梁方案，PC矮塔斜拉橋墩頂主梁高度減小了2.6m，引橋可縮短360m。

通過(guò)整體靜力計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，PC矮塔斜拉橋抗彎和抗剪承載能力安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求，但遠(yuǎn)小于鋼混混合梁方案，同時(shí)混凝土正截面抗裂也僅能滿(mǎn)足A類(lèi)構(gòu)件的要求，耐久性相對(duì)較差。主要的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 PC矮塔斜拉橋主要計(jì)算結(jié)果

橋位處地質(zhì)情況較差，基礎(chǔ)可提供的側(cè)摩阻力和基底承載力較低。經(jīng)計(jì)算，若地基不進(jìn)行相應(yīng)的加固，PC矮塔斜拉橋方案樁基長(zhǎng)度將達(dá)到100m，增大施工難度，影響工程造價(jià)。同時(shí)，支座噸位較大，在設(shè)計(jì)荷載作用下支座反力達(dá)63 250kN，支座需特殊定制。PC矮塔斜拉橋效果、立面如圖5和圖6所示。

圖5 PC矮塔斜拉橋效果

圖6 PC矮塔斜拉橋立面

3.2 設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

根據(jù)上述兩個(gè)橋型方案，從施工難度、技術(shù)特點(diǎn)、景觀效果、后期養(yǎng)護(hù)、施工周期及經(jīng)濟(jì)性能等五方面對(duì)新萬(wàn)福河大橋主橋進(jìn)行綜合比較，見(jiàn)表4和表5。

表4 新萬(wàn)福河大橋技術(shù)方案對(duì)比

表5 新萬(wàn)福河大橋經(jīng)濟(jì)方案對(duì)比

由表4和表5可知，方案一主跨跨中采用75m鋼箱梁，減小上部結(jié)構(gòu)自重，支座噸位較小，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用及難度小。鋼箱梁梁段可采用工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)焊接吊裝，施工周期較短，對(duì)航道影響較小。

3.3 設(shè)計(jì)方案的選取

通過(guò)對(duì)比分析可知：PC矮塔斜拉橋主跨跨徑與鋼混混合連續(xù)梁橋相同，邊跨跨徑增大50m，引橋縮短360m，兩方案全橋總造價(jià)基本相同，經(jīng)濟(jì)性基本一致。但矮塔斜拉橋上部結(jié)構(gòu)自重較大，支座需特殊設(shè)計(jì)制造，后期更換困難，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高，同時(shí)樁基長(zhǎng)度較長(zhǎng)，施工難度較大，總體工期較長(zhǎng)。由靜力計(jì)算可知，兩方案在滿(mǎn)足構(gòu)造要求及預(yù)應(yīng)力指標(biāo)前提下，鋼混混合連續(xù)梁橋的抗彎、抗剪承載力安全系數(shù)均大于PC矮塔斜拉橋，且混凝土主梁預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備度更高，主梁耐久性更好。

經(jīng)綜合比較，新萬(wàn)福河大橋主橋采用鋼混混合連續(xù)梁與PC矮塔斜拉橋兩個(gè)方案總造價(jià)基本相當(dāng)，鋼混混合連續(xù)梁在后期維護(hù)、施工周期、施工便利性及總體受力性能方面更優(yōu)，故本項(xiàng)目推薦采用主跨185m鋼混混合連續(xù)梁。目前，鋼混混合連續(xù)梁方案已通過(guò)初步設(shè)計(jì)評(píng)審，正在深化施工圖設(shè)計(jì)，項(xiàng)目預(yù)計(jì)2022年開(kāi)工建設(shè)。

4 結(jié)論

新萬(wàn)福河大橋地質(zhì)、地形條件較為復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性要求較高。在充分考慮建設(shè)條件和橋位控制因素后，主橋創(chuàng)新性地采用了鋼混混合連續(xù)梁方案。該方案與傳統(tǒng)的PC梁橋方案相比，橋梁長(zhǎng)度較短，避免了后期橋墩開(kāi)裂和主梁下?lián)?，維護(hù)方便。該橋有望于2024年建成通車(chē)，建成后將成為國(guó)內(nèi)跨度最大的連續(xù)梁橋，并可為類(lèi)似工程提供技術(shù)參考。