钢混结合梁在景观桥梁上的运用

邱柏初

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程概况

万卉桥是天津市西青区中北镇南运河上的道路景观桥梁。受路面设计高程和南运河通航高程要求的双重限制，对梁高的限制极为严格，桥梁设计方案曾考虑采用(20+33+20)m预应力混凝土连续箱梁结构，由于其不满足景观功能的需要，桥梁设计最终采用(50+20)m钢混结合梁。结合景观布置要求，桥上另加斜拉装饰索塔结构。万卉桥按整幅设计，主桥桥形布置为(50+20)m简支钢混结合梁。简支钢混结合梁具有自重轻、承载能力高、构造简单、施工便捷等优点，是中小跨径公路桥梁和城市桥梁中应用最广泛的组合梁桥结构形式。在恒载及活载作用下，简支结合梁的各截面主要承受正弯矩，钢梁受拉、混凝土桥面板受压，可充分利用钢和混凝土两种材料的受力性能［1-3］。

万卉桥设计全宽26 m，包括3 m(人行道)+20 m(机动车道)+3 m(人行道)。主跨梁高1.8 m，全桥桥面混凝土板厚度沿纵向统一为30 cm。为满足景观要求，在中间桥墩处设置斜拉索装饰塔，桥塔高度为35.7 m。桥梁立面布置和平面布置如图1所示。该桥位于道路直线段上，桥面纵坡为3%，横坡为1.5%，桥梁支座高程保持一致，通过调整钢箱梁的腹板高度来实现桥面横坡。桥梁设计荷载为公路一级，按双向四车道设计，道路设计速度60 km/h。抗震设防烈度7 度，地震动峰值加速度为 0.15g［4］。

2 结构设计参数

桥梁横桥向为4个单室钢-混凝土组合箱梁结构，钢箱梁采用开口截面形式，箱梁间距3.0 m，梁高1.5 m。开口截面钢箱梁每个腹板对应的上翼缘宽600 mm，厚度为16 mm;50 m跨箱梁底板厚32 mm，20 m跨箱梁底板厚26 mm。两道腹板不等高，以满足桥梁横坡的要求，钢主梁之间设置横向联系梁，联系梁梁高800 mm，全桥纵向共设置11道横向联系梁，间距为8～8.5 m。钢箱梁内沿桥纵向每3.5～4.5 m设置一道横隔板。钢箱梁与桥面混凝土板通过剪力连接件连接在一起共同工作，剪力连接件采用φ22圆柱头栓钉，栓钉熔后长度170 mm，钢箱梁每道上翼缘共布置5列栓钉，横向间距100 mm，沿梁轴线方向间距200 mm。仅在梁端横隔板上沿横隔板轴线方向平行布置两列栓钉，同样采用φ22圆柱头栓钉，长度170 mm。

桥面混凝土板采用钢筋混凝土叠合板结构，沿横向负弯矩处厚30 cm，正弯矩处厚25 cm。正弯矩处由8 cm厚预制混凝土板和17 cm厚现浇混凝叠合层构成。预制板长250cm，宽50cm，由预制厂加工完成后，运输至现场安装，并作为后浇注混凝土的模板。为提高梁端钢箱梁钢板的局部稳定性，在梁端支座1.0 m的范围内灌注高度为700 mm的C40混凝土。

图1 主桥布置(单位:cm)

桥塔主要采用钢结构，箱形断面，闭口钢箱高1.35 m，宽0.655 m，板厚为28 mm，内设横隔板。为提高桥塔刚度，从承台顶面向上约15 m高度范围内的钢箱内灌注C50混凝土，形成钢管混凝土结构，并在钢箱内壁预先焊好φ22栓钉，栓钉熔后长度170 mm。单侧装饰塔自下而上共分3个制作段，整塔共6个制作段，各制作段间的拼接缝均采用全融透一级焊缝连接，并采用超声波探伤检测焊缝质量。

斜拉索采用热挤聚乙烯高强钢丝拉索，型号为PES(C)5－055，共18套;拉索锚具采用冷铸锚，型号为PESM5－055，共18套。斜拉索一端锚固在桥塔上，为固定端;另一端锚固在桥面悬臂板下表面，为张拉端。桥梁的钢箱架设完毕后，浇筑桥面混凝土前，应将钢箱外伸悬臂钢板与最外侧钢箱上翼缘焊接，悬臂钢板上表面满布栓钉，间距均为200 mm×200 mm，然后浇筑桥面混凝土，使桥面悬臂板形成组合板，从而保证拉索在桥面的锚固性能。

桥梁各关键截面的尺寸如图2所示。

图2 主要截面尺寸(单位:mm)

3 主梁静力分析计算

主桥结构静力计算包括施工阶段和运营阶段分析，施工阶段荷载为结构恒荷载，运营阶段荷载有汽车荷载，梯度温度作用。由于抗震设防烈度为7度，且桥面结构的横向水平刚度很大，未把地震力作为荷载进行特别计算。以跨中截面为控制截面，进行荷载工况的最不利组合，各荷载工况的荷载情况如下。

(1)工况一:架设钢梁。钢梁分三段预制，到现场采用高强螺栓连接。中间设置了两个临时支撑，间隔约18 m。一根钢梁的自重荷载:12.20 kN/m。

(2)工况二:铺设预制板。预制板厚度80 mm，单根结合梁有效翼缘宽度范围内预制板自重:10 kN/m。

(3)工况三:浇筑后浇层混凝土。后浇层混凝土厚度220 mm，单根结合梁有效翼缘宽度范围内后浇层混凝土自重:33 kN/m。

(4)工况四:拆除临时支撑。将工况一～三的临时支撑反力反向加载至组合梁。

(5)工况五:二期恒载。桥面铺装为10 cm厚沥青混凝土，自重16.5 kN/m，加上防撞护栏，按18 kN/m计算。

(6)工况六:汽车荷载。按车道荷载进行施加，车道均布荷载标准值qk=10.5 kN/m，沿纵向整跨满布;集中荷载标准值 Pk=360 kN，作用于跨中［5］，并考虑冲击系数。分别计算偏载2辆车～5辆车的情况，考虑横向多车道折减系数，取边梁最不利的情况。

(7)工况七:梯度温升。根据规范规定，取双线性梯度温升分布，顶面温升14℃，向下100 mm处5.5℃，向下400 m处0℃。

(8)工况八:梯度温降。根据规范规定，取双线性梯度温降分布，顶面温降7℃，向下100 mm处2.25℃，向下400 m处0℃。

施工阶段验算和正常运营阶段验算按一根包含混凝土有效翼缘宽度的结合梁进行计算，采用结构力学和材料力学的方法计算控制截面内力、控制点应力以及结构变形［6］。计算所用的材料参数如下:钢材采用Q345qD级钢材，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，膨胀系数为1.2 ×10－5，钢材容重78.5 kN/m3，钢材容许应力为210 MPa;混凝土采用C50混凝土，弹性模量3.45×104MPa，泊松比为0.2，膨胀系数为1.0×10－5，混凝土抗压强度设计值为22.4 MPa，抗拉强度设计值为1.83 MPa。

根据以上计算结果，钢梁上翼缘最大压应力－59.67 MPa，钢梁底板最大拉应力179.00 MPa，混凝土板上表面最大压应力－17.38 MPa，钢箱梁腹板应力为75.5 MPa，均小于材料的允许应力，符合规范要求。

为减小主梁在正常使用阶段出现过大挠曲变形，钢箱梁在工厂制作时预先设置了预拱度。根据规范要求，主桥预拱度可按恒载+1/2静活载作用下的主梁挠度设置钢箱梁预拱度。由上述计算得到，主桥上部结构在恒载+1/2静活载作用下跨中最大挠度为154.8 mm，取160 mm为钢箱梁荷载预拱度最大值。

4 塔索结构设计

在Midas Civil中建立全桥三维空间有限元模型。主梁桥面板采用四节点壳单元，钢箱梁采用三维两节点梁单元，通过截面偏移实现钢箱和桥面板的组合。桥塔也采用三维两节点梁单元，拉索采用两节点桁架单元，拉索的张拉顺序与实际施工顺序完全保持一致，如图3所示。拉索的无应力长度根据文献［4］中的公式进行计算，拉索设计张力的控制目标为保证拉索线型的垂跨比约为1/100，拉索垂度的主要影响因素为拉索张力、拉索线密度和拉索长度。由于拉索的线密度和拉索长度已经确定，因此只能通过拉索的张力来控制拉索的线型。

图3 斜拉索张拉顺序

在张拉过程中，斜塔在拉索张力的作用下将产生弯曲变形，从而导致已经张拉完毕的拉索的拉力有所降低，因此先张拉索的设计张拉索力应大于设计目标索力。在Midas Civil中通过多次反复迭代计算，最终确定所有拉索的设计索力如表1所示。

表1 各拉索张拉索力和目标索力的关系

从表1中可以看出，有限元计算结果与实测结果吻合良好，拉索的线形达到了预期的目标。另外，斜塔塔顶的水平位移量实测值为26.5 mm，有限元计算值为29.2 mm，也表明了有限元计算结果的准确性。

5 施工过程

桥梁墩台和盖梁施工完毕后，在50 m跨河道中设置两道临时支撑，临时支撑距桥墩距离为16 m，临时支撑具有足够的刚度以保持施工过程中桥面竖曲线的线形不变。然后架设钢箱梁，钢箱梁节段间腹板采用高强螺栓连接，上下翼缘采用焊接连接，钢箱外侧悬臂板预留拉索的索管。钢箱梁上翼缘焊接完栓钉后将预制板置于钢箱梁上翼缘上并进行临时固定，再绑扎现浇桥面板的钢筋，然后浇筑桥面板混凝土。待桥面板混凝土达到设计强度后，拆除主梁下的临时支撑，开始架设桥塔。第一段桥塔架设完毕后，向钢管内浇筑混凝土，待强度达到设计强度的80%后开始架设第二、三段斜塔，斜塔封顶后，按照长索至短索的顺序依次对称张拉斜拉索。最后浇筑桥面沥青，安装附属设施。桥梁的现场施工情况如图4所示。

图4 桥梁现场施工过程

6 结束语

南运河万卉桥由于通航和景观要求采用了钢混结合梁和钢管混凝土斜塔结构，相比普通的预应力混凝土连续梁桥形式，较好的满足了河道的通航要求和城市景观要求。同时，大大减轻了桥梁上部结构的自重，从而降低了下部结构工程规模，减少了工程总投资。桥梁施工无需搭设满布脚手架，能有效缩短桥梁建造工期，综合效益显著。对城市道路桥梁工程，当施工工期有较高要求时，设计可优先采用钢混结合梁，以适应城市道路建设的工期需要。

［1］ 聂建国，余志武．钢-混凝土组合梁在我国的研究及应用［J］．土木工程学报，1999，32(2):4-8

［2］ 樊健生，聂建国．钢-混凝土组合桥梁研究及应用新进展［J］．建筑钢结构进展，2006(5):35-39

［3］ 聂建国，樊健生．广义组合结构及其发展展望［J］．建筑结构学报，2006(6):1-8

［4］ GB 50223—2008 建筑工程抗震设防分类标准［S］

［5］ JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］

［6］ 聂建国．钢混凝土组合结构桥梁［M］．北京:人民交通出版社，2011

［7］ 邵旭东，程翔云，李立峰．桥梁设计与计算［M］．北京:人民交通出版社，2007