二莫互通A匝道钢-混凝土组合梁桥设计

陈 维,刘义河,赵 亮,曲 佳

(吉林省公路勘测设计院,长春 130021)

0 概 述

钢和混凝土是建造桥梁的主要结构材料,这两种材料在物理和力学性能上具有不同的优势和劣势.钢-混凝土组合梁发挥了钢与混凝土材料各自的优点,充分利用了混凝土的抗压与钢的抗拉能力,使得钢-混凝土组合梁桥相对于混凝土桥上部结构具有建筑高度低、自重轻、地震作用小、结构延性提高,钢梁便于工厂化生产、现场安装质量高、施工费用低、施工速度快、节省支模工序和模板等优点[1].

二莫互通是大庆至广州、珲春至乌兰浩特两条高速公路国道主干线交叉枢纽互通立交,A匝道跨越珲乌高速公路,交角33°,被交叉道路宽25.5 m.该项目地处吉林省中西部松嫩平原,地势平坦,考虑跨径较大,同时为了降低路基平均填土高度,减少土方数量,减少占地和节约工程造价,方便施工,上部采用跨径32+2×43+32 m钢-混凝土组合连续箱梁结构,桥梁总体布置见图1.

图1 桥梁总体布置图(单位:cm)

1 结构设计

二莫互通A匝道桥采用跨径32+2×43+32 m钢-混凝土组合连续箱梁结构,桥梁全长150 m.设计荷载为公路-Ⅰ级,地震基本烈度Ⅷ度,地震动峰值加速度0.20 g,横桥向布置为:0.5 m(护栏)+9.0 m(行车道)+0.5 m(护栏),总宽 10 m,桥梁横断面布置见图2所示.

上部结构钢-混凝土组合箱梁采用单箱双室断面 ,桥面横坡由腹板变高度形成.组合梁由预应力混凝土桥面板、槽形钢梁及桥面系组成.槽形钢梁高度125～149.4 cm,钢箱梁翼板宽80 cm、厚25 mm,底板宽620 cm、厚20 mm.底板和腹板在中支点处做加厚处理.为提高钢箱梁的刚度和整体稳定性,采用在钢箱梁内设置钢隔板、加劲肋等构造措施,并在支点处隔板内灌注混凝土,中支点两侧底板内填充厚度20 cm的无收缩混凝土,用剪力钉来保证钢板与混凝土之间的连接.混凝土桥面板由8 cm预制板和现浇C50钢纤维混凝土组合而成,总厚度35 cm,混凝土桥面板与钢槽形梁间采用剪力钉连接形成组合截面.

图2 主梁横断面布置(单位:cm)

为防止支点负弯矩段桥面混凝土开裂,在混凝土桥面板中施加纵向预应力,预应力采用9φs15.20、12φs 15.20钢绞线束,中支点(单柱墩)桥面板中施加横向预应力,预应力采用5φs 15.20钢绞线扁束,预应力孔道采用塑料波纹管成孔.纵向预应力分两批进行张拉,中支点钢箱节段架设后先浇筑桥面板混凝土,然后张拉该段桥面板预应力钢束,节段间采用高强螺栓连接,形成连续结构后浇筑其余部分桥面板混凝土,张拉其余的纵向预应力钢束.

桥台采用肋板式台,桩基础,次中墩采用双柱式墩,桩基础,中墩位于珲乌高速公路的中央分隔带上,采用钢管混凝土单柱式墩,钢管内填充C40无收缩混凝土,桩基础.

2 施工工序

钢箱梁分3类共7个制作段施工,A制作段为两边跨22 m段落,B制作段为中支点两侧各10 m段落,C制作段为中跨23 m段落.各制作段在工厂完成制作,运至施工现场进行拼接,拼接采用连接钢板和高强螺栓,快速便捷.主要施工工序如图3所示:

图3 施工工序图

各步骤施工内容:①施工桥梁下部墩台,安装支座.架设临时支墩,分段吊装槽形钢梁,支承于永久支座和临时支墩上.②浇筑中支点节段(中支点两侧各10 m)箱内混凝土,待混凝土强度达到90%以后浇筑该段隔板和桥面板混凝土,混凝土强度达到设计要求后,张拉该部分钢束,施工中应注意调整该部分临时支撑保证钢梁不脱空.③用高强螺栓连接钢梁纵向接头,形成连续结构.浇筑其余部分桥面板混凝土和隔板混凝土.待混凝土强度达到设计要求后,张拉其余部分纵向预应力钢束.④张拉剩余部分中支点处桥面板横向预应力钢束.2号墩与主梁固结(加劲板与主梁焊接).拆除临时支撑.⑤钢梁涂装.施工桥面铺装、护栏和伸缩缝.

3 计算分析

计算中将钢-混凝土组和梁按弹性理论计算,钢箱梁按容许应力法,混凝土桥面板按承载能力极限状态法验算.计算采用桥梁博士V3.1,钢梁与混凝土顶板按组合截面考虑,计算模型将钢梁作为主截面,上部混凝土桥面板作为附加截面,根据施工顺序按阶段考虑附加截面参与受力,钢梁顶板、底板、腹板直接计入模型,横隔等构件按荷载考虑.上部主梁按施工阶段考虑钢槽梁与混凝土桥面板分阶段受力特点以及形成组合截面后按组合受力构件承担二期、使用阶段荷载进行计算.

3.1 基本假定及计算参数

(1)假定钢材、混凝土为理想弹性各向同性材料;

(2)假定钢箱梁的钢板与顶板混凝土间连接良好,不存在相对滑移(理论依据:经过分析计算知该桥钢腹板与混凝土顶板的剪力连接件按完全建立连接设计,可以忽略腹板与混凝土顶板之间的滑移,将对应的节点完全连接[2]);

(3)采用的主要设计参数为:钢板容重78.5 kN/m3;混凝土容重26 k N/m3;孔道摩阻系数μ=0.17;孔道偏差系数0.0015;一端锚具变形及钢筋回缩值为6 mm;

(4)体系整体升温 30°,降温50°,支座沉降1.0 cm;

(5)梯度温度按《公路桥涵通用设计规范》考虑.

3.2 分析工况

针对A匝道桥的施工工序,计算中划分为7个施工工况和1个使用工况,具体工况如下:

①设置临时墩,架设预制钢梁.施工支点段箱内混凝土;

②施工各中支点段钢梁桥面板混凝土;

③桥面板混凝土参与受力,张拉部分支点负弯距钢束;

④浇筑其余部分桥面板混凝土,预制钢梁各段连接成整体;

⑤其余部分桥面板混凝土参与受力,张力剩余部分支点负弯距钢束;

⑥施工桥面铺装混凝土及护栏;

⑦空阶段,完成收缩徐变,施工时间3650天.

使用阶段.

3.3 分析结果

(1)施工阶段分析

从施工阶段划分可以看出:第②、④两个阶段混凝土面板已计入重力,未计入受力,对钢箱梁受力较为不利,见图4;第③、⑤两个阶段,桥面板上张拉预应力对桥面板受力较为不利,见图5.

从图中可以看出:在施工阶段中,钢梁和混凝土桥面板应力均不大,远小于规范容许值.因此,施工阶段结构是安全的.

(2)使用阶段分析

使用阶段钢梁采用容许应力法,不计入组合系数,即采用标准组合,使用阶段钢梁上下缘正应力见图6:(拉应力为负,压应力为正)混凝土桥面板使用阶段受力情况如图7:(拉应力为负,压应力为正)

由图中可以看出:钢梁最大拉应力69.2 MPa,最大压应力132.3 MPa,均小于容许应力210 MPa.预应力混凝土桥面板最大拉应力0.9 MPa,小于容许值0.7 ftk=1.855 MPa;最大压应力11.3 MPa小于容许值16.2 MPa.因此,使用阶段结构受力均满足要求.

4 结 语

在高速公路桥梁建设中,新的结构型式不断涌现.钢-混凝土组合结构是继钢桥和钢筋混凝土桥梁之后,又一种被工程界所接受并迅速发展的桥梁结构形式.组合结构充分发挥了钢材和混凝土两种材料的力学特性,具有很好的施工性能,外形美观大方,结构安全可靠,综合效益显著.可以预见,钢-混凝土组合梁桥将是桥梁工程的重要发展方向之一,在高速公路桥梁建设中应用前景广阔.

[1]樊建生,聂建国.钢-混凝土组合桥梁研究及应用新进展.建筑钢结构进展[J],2006,(10):35-39.

[2]劳埃◦扬.钢-混凝土组合结构设计[M].上海:同济大学出版社,1991:154.

[3]陈光明,杨云安,陈志军.钢-混凝土组合梁桥施工的时变空间有限元分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2003,27(6):845-848.