某钢-混凝土结合连续刚构桥设计

吕凤国

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

某钢-混凝土结合连续刚构桥设计

吕凤国

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

以某钢-混凝土结合连续刚构桥为例,从桥式布置、材料选择、结构设计、施工方法等几个方面进行介绍,并对关键构造和技术措施简要叙述。结论：上部结构采用大跨度结合梁,下部结构采用矩形墩,墩高跨度结构尺寸比较协调,线形流畅,造型轻盈,整体视觉效果好；结合梁与混凝土梁相比,其结构自重有较大减轻,便于桥墩基础满足受力要求；采用大节段工厂制造,现场吊装的施工方法,大大缩短了桥梁的施工周期,同时避免了对既有铁路、城市道路的干扰,保证其运营安全。

钢-混凝土结合梁；连续刚构 ；设计

1 工程概况

本项目为轨道交通昌平线高架区间的一个节点桥梁，昌平高架线以半径为450 m曲线由东向南依次跨越北清路、规划京兰铁路、京包铁路、预留京包铁路复线，交角分别为32.8°、45.7°、43.7°、43.7°。北清路现况路幅断面形式为：1.5 m(人行道)+4.0 m(辅路)+4.5 m侧分带+12 m(行车道)+8.0 m(中分带)+12 m(行车道)+4.5 m侧分带+4.0 m(辅路)+1.5 m(人行道)，已按规划实施；京包铁路为既有铁路，单线电气化，是连接北京至内蒙古一线的交通要道；京兰铁路为规划线路，京张城际是京兰铁路的一部分，线路自北京北站引出，至张家口南站，标准双线电气化铁路，按时速250 km及以上标准设计，采用无砟轨道；京包铁路复线为远期预留线，走向与既有京包线平行，单线电气化。桥位平面布置见图1。

2 桥式方案选择

2.1 主要原则

(1)桥梁墩位的设置避开既有路和规划路，并应满足与铁路、道路的安全距离。

(2)主桥跨越铁路、道路，部分桥式方案应满足限界和净空要求(桥下净空：公路不小于5 m、铁路不小于7.96 m)，并为铁路未来发展预留良好的技术条件。

(3)桥型结构和施工方法的选择应尽量减少对桥下铁路、道路的干扰，确保跨越铁路、公路的安全性，并兼顾经济性，施工方便、快速。

(4)该项目位于城市内，桥梁的选型要考虑到景观的影响。

(5)结构的抗震设计满足高烈度区要求(抗震设防烈度为8度)。

2.2 桥式选择

根据设计原则，结合混凝土和钢材的各自特点，从结构受力、景观效应、施工方法、工期、施工干扰等因素考虑，采用了一联钢-混凝土结合连续刚构桥式方案，工厂预制，分段吊装施工方法，跨径布置为(37+60+79+42.5) m。桥梁立面布置见图2。

3 主要设计要点

3.1 材料的选择

混凝土具有取材方便、造价低，但自重大、施工工期长、抗裂性差，适宜用作抗压构件；钢结构具有自重轻、加工方便、塑性好等优点，但造价高、耐腐蚀性差，适宜用作抗拉构件；钢混组合结构可以充分利用两种材料特点，施工方便、节约钢材、增强刚度、提高承载力、降低造价，该桥由于联长跨度较大，采用组合结构关键可以降低梁高，减轻上部结构自重，也降低了水平方向的地震力，使桥墩的结构尺寸减小，整体景观效果好。

3.2 结构体系

该桥结构为钢-混结合连续刚构体系，采用该结构体系对于梁部而言，可以减小跨中正弯矩和中墩处的负弯矩，从而降低梁的高度，有利于运输和架设，对于桥墩基础，该结构体系的水平力(主要包括主力、附加力、地震力等)由中间墩共同分担承受，与连续梁相比，可以大大减小制动墩的规模，利于中间墩轮廓尺寸的统一，使上下部结构尺寸比较协调，造型轻盈，整体视觉效果好。

3.3 上部结构

桥梁上部结构由钢箱梁和钢筋混凝土桥面板组成，二者通过剪力钉结合在一起整体受力。边支点处和跨中梁高为2.2 m，中支点梁高4 m(其中含桥面高度为0.4 m)，采用单箱单室直腹板形式。

为满足塑性混凝土的黏土掺和要求，在造孔用泥浆池旁新建一座200m3的混凝土浇筑专用泥浆池，配置泥浆泵，一台3 m3空压机，设置400 m2混凝土专用黏土储料场及送浆管路等。

全桥钢箱梁分为7个梁段，最长梁段长35.2 m，最大吊装重2 020 kN，梁段间除顶板之间采用焊接外，其余均采用高强度螺栓连接。钢箱梁为变截面形式，边跨及跨中处梁高1.8 m，中支点处逐渐变至3.6 m(24号墩处为3.2 m)。顶板宽5.2 m，板厚采用20～28～36 mm变化，底板宽4.9 m，板厚采用28～32～44 mm变化。腹板厚度采用16～24 mm变化。横隔板采用板式结构，每隔3 m设置1个，竖向加劲肋位于腹板内侧，每隔1 m设置。

混凝土桥面板顶宽9.4 m，板厚38 cm，钢筋混凝土结构。采用工厂分段预制，现场湿接缝连接的形式，预制桥面板每块尺寸为9.4 m×2.5 m，标准预制板之间设现浇混凝土接缝，标准接缝尺寸为9.4 m×0.5 m。接缝处的钢板上布置φ22 mm柔性栓钉，共同受力。为减少混凝土收缩徐变对结构的不利影响，要求预制板存放时间宜不少于4个月，同时要求剪力钉槽和湿接缝处采用C50微膨胀混凝土。主梁标准横断面见图3。

3.4 桥墩基础设计

高架区间简支桥梁墩柱采用矩形截面，采用“宝石”造型盖梁。考虑区间景观一致性兼顾施工方便，本桥下部结构与区间统一，中墩采用钢筋混凝土矩形墩，尺寸为4.8 m×2.4 m，承台尺寸为10.5 m×6.5 m，基础采用6根φ1.5 m的钻孔灌注桩。边墩采用T形墩柱，尺寸为3.0 m×2.4 m，承台尺寸为7.5 m×7.5 m，基础采用4根φ1.5 m的钻孔灌注桩。

3.5 施工方案

(1)施工方法的选择

该项目跨越铁路和城市道路，常用的施工方法主要有转体，顶推，工厂预制、现场吊装架设，悬臂浇筑等方法。为保证运营安全，特别是铁路的运营安全，铁路相关部门首选是尽量减少施工对铁路干扰的施工方法，悬浇一般不会被采用。对于钢结构来说，转体、顶推、吊装均可实施，但转体和顶推需要较大的施工场地和较多的施工临时设备，施工周期相对吊装长，费用也高，结合昌平线的施工周期要求紧迫，决定采用工厂加工、现场吊装架设的施工方法。

(2)施工步骤

根据桥梁特点和现场场地情况，具体步骤如下：基础施工→永久桥墩和临时墩施工→墩梁固结段钢套筒吊装施工→钢箱梁吊装施工→桥面板吊装→临时墩拆除→桥面系施工。

4 关键构造和技术措施

4.1 墩梁固结

由于采用了连续刚构体系，钢箱梁与钢筋混凝土桥墩的固结、二者如何结合共同受力成为关键问题所在。中墩所在位置高度较大，如果采用钢管混凝土墩柱，用钢量较大，本桥仅考虑在钢箱梁底板以下3 m高度范围内采用钢套筒与桥墩连接共同承受内力。考虑刚度的连续性，中支点箱梁内混凝土不注满，留有一定的间隙。钢箱梁腹板与横向隔板与桥墩钢套筒焊接为一体，钢箱梁底板在该处断开后与横隔板焊接，纵横向焊接位置要错开一定的距离，钢箱内外侧和钢套筒内侧对应设加劲肋进行局部加强。考虑钢箱竖向力与混凝土墩柱的传递，采取在钢箱和套筒钢板内侧焊接φ22 mm剪力钉，在内侧加劲板设PBL键措施，其中PBL筋为φ20 mm，孔洞为φ60 mm，在填充C50混凝土的条件下，单键承载力达到超过200 kN，竖向传力以后者为主，前者为辅。由于构造复杂，钢箱与钢套筒施工焊接顺序十分关键，从下到上，从内到外，为便于箱内焊接操作，套筒内仅灌注一半高度的混凝土，同时也避免了焊接时高温对混凝土耐久性影响，待套筒与钢箱焊接完毕后，从箱顶预留孔浇筑剩余混凝土。墩梁固结构造见图4。

4.2 钢套筒安装

钢套筒是钢箱梁和钢筋混凝土桥墩连接的纽带，其定位的准确性影响着后期钢箱梁的安装精度，所以其安装控制十分重要，需引起足够的重视。首先需要预埋钢套筒的定位型钢构件，预埋件的位置要准确并且需要一定的刚度，以防止在后期浇筑混凝土时变位，钢套筒与预埋件焊接牢固，并保持钢套筒顶面水平，高差不大于5 mm。

4.3 边箱压重

由于空间位置的限制，桥梁边跨为37 m和42.5 m，边跨与中跨比为0.5左右，且桥位还处于半径为450 m的曲线上。通过空间分析，边墩支座反力很小，为防止在运营过程中梁端支座脱空，原设计采用钢材对梁端进行压重，但是根据钢箱梁内部构造采用钢材在指定位置压重实施困难，后材料改为钢砂混凝土，容重为50 kN/m3(所用材料为钢砂、水泥、水、高效减水剂等，配合比为4.850∶0.100∶0.080∶0.008)。压重混凝土布置尽量靠近支座，并避开进人孔通道，混凝土通过补焊的剪力钉与钢箱结合为一体。

4.4 钢箱梁运输

钢箱梁分段最大长度约35 m，最大宽度5.2 m，最大高度3.6 m，最大重力2 200 kN，钢梁运输方案非常关键，对运输设备、运输路线、运输时间以及运输措施都要求较高，本桥结合钢梁的加工地点和桥位地址，选择夜间在交管部门导引下采用拖车串车运输。运梁前，对所运输的路线进行勘查，对所经过的桥涵需要检算加固，以保证运输构件安全。

5 结语

(1)上部结构采用大跨度结合梁，下部结构采用矩形墩，墩高跨度结构尺寸比较协调，线形流畅，造型轻盈，整体视觉效果好。

(2)结合梁与混凝土梁相比，其结构自重有较大减轻，便于桥墩基础满足受力要求。

(3)采用大节段工厂制造，现场吊装的施工方法，大大缩短了桥梁的施工周期，同时避免了对既有铁路、城市道路的干扰，保证其运营安全。

(4)墩梁固结关键部位的处理，既借鉴其他同类桥梁部分的成功经验，也有一定的大胆创新，为今后类似问题的解决提供较好的思路。

[1] 中华人民共和国建设部.GB 50157—2003地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003．

[2] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.2—2005铁路桥梁钢结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005．

[3] 中华人民共和国建设部.GB 50017—2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003．

[4] 中华人民共和国铁道部.TBJ24—89铁路结合梁设计规定[S].北京：中国铁道出版社，1989．

[5] 黄乔.桥梁钢-混凝土组合结构设计原理[M].北京：人民交通出版社，2003.

[6] 孙宗磊 .津滨轻轨1—5O m筒支钢混结合梁设计[J]铁道标准设计，2003(8)：48-50.

[7] 吕建鸣，宋建永.组合截面桥梁结构计算方法研究[J].公路交通科技，2005(6):68-71.

[8] 朱聘儒.钢-混凝土组合梁设计原理[M].北京：中国建筑工业出版社，2006．

[9] 胡建华，侯文崎，叶梅新.PBL 剪力键承载力影响因素和计算公式研究[J].铁道科学与工程学报，2007(6):12-18．

[10]王合希，王冰.北京地铁大兴线钢混结合V形刚构桥的设计构思[J].铁道标准设计，2011(8)：60-63．

DesignofaContinuousRigidFrameBridgewithSteel-ConcreteCompositeGirder

LV Feng-guo

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing 102600, China)

This paper took a certain continuous rigid frame bridge with steel-concrete composite girder as an example, introduced the bridge layout, material selection, structure design, construction method and other issues, and briefly described the key structural and technical measures. Then the paper came to the conclusions: (a) The long-span composite girder was employed for the superstructure, and the rectangular piers for the substructure, so as to make the ratio of prier height to girder span harmonious, with an influent geometric shape, a graceful modeling and a good overall visual effect. (b) Compared with concrete girder, the composite girder was more lightweight in dead load, and helped the bridge pier foundation meet stress requirement. (c) By using a construction method, which enabled the large bridge segments to be made in factory and to be hoisted on site, the construction time was considerably shortened, and simultaneously the adverse influence on the existing railways and on the urban roads was avoided so as to ensure their operation safety.

steel-concrete composite girder; continuous rigid frame; design

2013-07-30；

：2013-09-25

吕凤国(1974—)，男，高级工程师，1998年毕业于西南交通大学桥梁工程专业，工学学士，E-mail：lvfengguo@t5y.cn。

1004-2954(2014)05-0065-04

U448.21+6

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.05.015