昌平轻轨钢－混凝土结合连续刚构桥设计

2014-05-30王冰

铁道标准设计 2014年6期

王冰

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 工程概况

北京轨道交通昌平线一期工程北清路站～西二旗站区间跨线高架桥全桥长382.5 m，桥宽9.4 m，线路位于R=450 m的平曲线上，并且连续跨越多条既有线及规划线，为了尽可能减少施工期间对桥下既有线正常运营的影响，根据现场实际情况并经多方案比选，跨线孔最终采用2联钢-混凝土连续结合梁桥，结构体系采用刚构的形式，跨度布置为(42.5+79+42.5)m和(37+60+79+42.5)m。全桥梁部采用工厂预制，现场分段吊装的施工方法。本桥成桥全景见图1。

2 主要技术标准

(1)活载类型:地铁轻轨，车辆采用标准B1型车，6辆编组，最大轴重140 kN，最小轴重80 kN。

(2)正线数目:双线;

(3)线路间距:4.2 m;

图1 成桥全景

(4)平面线型:曲线半径R=450 m;

(5)设计最高行车速度:100 km/h;

(6)地震动参数:地震基本烈度Ⅷ度，地震动峰值加速度:0.215g。

3 结构体系的选择及构造设计

3.1 主桥结构体系的选择

(1)孔跨布置

图2 桥位平面布置(单位:m)

本桥连续跨越既有北清路、环沙改建铁路、既有京包铁路、预留京包铁路复线、规划改建东北环铁路及既有东北环铁路，桥位平面布置见图2。由于线路斜交角度较小，既有线繁杂，布跨控制因素比较多，需要预留30 m宽的铁路限界，结合既有北清路中央分隔带的立墩条件，最终跨度确定为两联(42.5+79+42.5)m和(37+60+79+42.5)m连续结构，既考虑到了结构的受力合理性，又保证了大部分孔跨的一致性，减少设计及构件加工制造的难度。

(2)梁型选择

结合上述跨度布置，考虑结构受力、施工工期及施工中对桥下既有公路、铁路的影响，可选择的桥式结构有钢箱连续梁、预应力混凝土连续梁、钢-混凝土结合连续梁等形式。

钢箱连续梁施工最为方便，速度快，对道路及铁路影响小，但后期维修养护量大，其正交异性板桥面结构噪声大，也不利于无砟轨道整体道床的连接。

预应力混凝土连续梁结构简单，技术成熟，造价较低，易于养护，但采用悬臂灌注法施工，工期较长，难以满足项目整体工期要求，对桥下行车干扰较大，其自重大的缺点使得其下部结构在高烈度区设计较为困难。而钢-混凝土结合连续梁体系，可充分发挥各自材料性能，不仅增大了截面刚度，而且大大减轻了桥面结构恒载，与全钢结构相比，其桥面系可降低造价，抗疲劳性能好。钢箱、混凝土桥面板均可工厂预制，平行作业，施工速度较快。

鉴于桥址位于小半径曲线、高烈度区，综合比较最终采用了钢-混凝土结合连续刚构方案，在中支点处，钢箱梁与混凝土墩身采用PBL剪力键进行固结。该方案可有效减小结构自重，削弱地震响应，结构整体性好，有利于满足地铁无砟轨道的刚度要求。

(3)临时墩布设

临时墩的合理布设既能为钢梁安装提供支撑平台，又能降低施工阶段钢梁的应力水平。本桥跨既有铁路施工，根据运输条件、吊机起吊能力及站位、钢梁弯矩分布情况以及临时支点与既有铁路相对关系等因素，将钢箱梁划分为17个梁段(最长梁段长35.2 m，最大吊装质量达220 t)，主桥立面布置及架设分段见图3。

图3 主桥立面布置及架设分段(单位:m)

现场采用少支架吊装，栓焊结合，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，并利用已安装好的钢梁做为桥面板模板和施工平台，节省施工材料，加快施工进度，减少铁路要点时间，对铁路运营影响较小。

3.2 上部结构构造设计

主梁结构由钢箱梁和钢筋混凝土桥面板组成，钢箱梁与混凝土桥面板通过剪力钉结合在一起整体受力。本桥位于小半径曲线上，主梁抗扭要求较高，钢梁采用直腹板形式的箱型截面，可有效解决这一问题。钢梁顶板宽5.2 m，底板宽4.9 m，由于主跨跨径相差较大，60 m主跨侧中支点梁高采用3.6 m，79 m主跨侧中支点梁高采用4 m，而边支点及跨中截面梁高均为2.2 m。钢箱梁横隔板采用实腹式结构，间距3 m，两个横隔板间加设竖肋，间距1 m。钢箱梁主体结构采用Q345qD钢材，板厚≥35 mm时采用 Q370qE钢材。结合梁截面形式如图4所示。

图4 结合梁截面形式(单位:mm)

混凝土桥面板顶宽9.4 m，支承处板厚38 cm，中间部分板厚25 cm，每侧悬臂长2.1 m，采用C50混凝土。桥面板采用工厂分段预制，现场湿接缝连接的形式。标准预制桥面板每块尺寸为9.4 m×2.5 m，吊重170 kN，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。现浇混凝土接缝处的钢板上布置焊钉，形成共同受力的钢-混结合形式。

3.3 下部结构构造设计

本区间桥梁下部结构墩柱采用矩形桥墩，中墩墩柱截面尺寸为 4.8 m×2.0 m，采用 6 根 φ1.5 m 的钻孔灌注桩基础;交接墩墩柱截面尺寸为4.8 m×2.4 m，采用4根φ1.5 m的钻孔灌注桩基础;桥梁两端与混凝土箱梁相接时，采用“宝石”造型盖梁。下部设计既要满足强度、刚度、稳定性的要求，还应满足架梁施工机械布置的构造需要。

4 关键问题的设计思路

4.1 有效宽度计算方法

本桥跨度较大，中支点作为设计控制截面承受着较大的负弯矩和剪力，桥面板剪力滞现象严重，横截面上混凝土板顶面中的最大拉应力约为平均值的1.3～1.5倍。规范采用有效宽度的方法来反映桥面板剪力滞的程度，而影响有效宽度取值的因素有很多，如宽跨比、支承条件、荷载形式、截面形状尺寸以及截面位置等。

对于结合梁混凝土桥面板有效宽度的计算，目前国内一些相关设计规范均给出了具体计算方法，有效宽度在主梁计算跨径的1/3、相邻两梁轴线间距、桥面板承托以外加12倍混凝土板厚三者中取最小值。我国规范关于结合梁有效宽度的规定是针对简支梁而言，现行规范没有连续梁相应的规定。

本设计参照日本《道路桥示方书》［2］对桥面板有效宽度进行计算，此规范根据连续梁结构受力性质不同，引入等效跨径的概念，对连续梁正、负弯矩区有效宽度CL分别给出不同的计算公式，并将宽跨比b/L值作为重要的参数，具体计算公式如下所示。

跨中断面

中支点断面

式中，b为主梁腹板间距的一半或悬臂板宽度;L为等效跨径。

以其中一联(37+60+79+42.5)m为例进行有效宽度计算，混凝土桥面板全宽9.4 m，跨中截面有效宽度几乎不折减，而中支点截面有效宽度则折减了1.3 m，占全截面的13.8%。由于中支点负弯矩区作为全桥控制截面，其换算截面特性和内力分配受有效宽度的影响较大，翼缘板有效宽度取值的科学合理性成为正确设计计算结合梁的关键。

4.2 连续结合梁负弯矩处理方法

钢-混凝土结合梁结构应用于简支梁或连续梁的正弯矩区，具有显著的优点，可充分发挥材料优势，取得最大的技术、经济效益。但是对于连续梁桥中支点范围，这种材料优势就变为结构的弱点，上缘混凝土桥面板受拉，容易开裂，影响截面刚度及结构耐久性，下缘钢梁受压，可能有侧向失稳及钢梁下翼缘和受压腹板的局部失稳等不利情况出现［1］，降低承载力。所以连续结合梁在推广应用中，中支点负弯矩区段的处理往往成为设计难点和施工控制重点。

对于大跨连续结合梁，在设计施工过程中，负弯矩区需重点解决钢梁的受压稳定问题以及混凝土桥面板的开裂问题，前者可通过双重结合或增强加劲肋的方式容易解决，而后者则需要采用合理的施工工艺进行控制。目前各国对连续结合梁负弯矩混凝土桥面板开裂问题的处理方式差别很大，主要源于设计标准和设计理念的不同，所以至今尚未有完全经济有效的设计方法。在实际设计经验中，控制结合梁负弯矩区混凝土应力的方法有很多，均能达到不同的控制效果，但是施工难易程度差别较大，其各有利弊，褒贬不一，需要根据具体情况综合应用。

(1)预制混凝土桥面板法

结合梁混凝土桥面板属于偏拉构件，其拉应力大小主要受二期恒载、活载及混凝土收缩徐变的影响。由于钢梁的约束，混凝土的收缩徐变对钢-混结合梁的影响更为显著，主要表现在组合截面上应力重分布、主梁后期挠度的增加以及混凝土桥面板的开裂。而采用预制混凝土桥面板可有效降低混凝土收缩徐变对结合梁的不利影响，并且在经济性、施工性、工期等方面，预制混凝土构件也明显优于现浇构件。

本桥桥面板采用预制方式，剪力钉槽和湿接缝处浇筑C50微膨胀混凝土，以减少混凝土收缩徐变引起的拉应力和后期预应力损失。以其中一联(42.5+79+42.5)m中支点截面为例，不考虑预应力作用，预制板不同存放时间对结构内力的影响见表1。由表1可见，存放时间越长，对结构受力越有利，混凝土收缩徐变的影响和比重就越小，但存放时间超过4个月后，收缩徐变减少不明显。结合工期、施工组织安排，本桥要求桥面板存放时间不少于4个月。

表1 预制板不同存放时间的内力对比

(2)预加静载法

该法施工简单，操作方便，可通过调整混凝土桥面板的浇筑顺序和增加配重的方法来实现，正弯矩区先形成钢-混组合结构，再在跨中预加静载，待负弯矩区形成钢-混组合结构后逐级卸载，负弯矩区桥面板内便形成一定的预压力。

本桥为地铁双线桥，二期恒载合计80 kN/m，混凝土桥面板湿重81.1 kN/m，二者相差不大。在安装桥面板前，结构已完成体系转换，以其中一联(42.5+79+42.5)m为例，不考虑预应力作用，将仅调整混凝土桥面板安装顺序、按二期恒载大小进行分级配重40、80 kN/m三种方法的恒载内力进行对比，预加静载法内力对比结果见表2。

表2 预加静载法内力对比

可见，增加配重可有效改善墩顶负弯矩区桥面板的受力状态，达到调整内力的目的，对于这种大跨径桥梁，往往需要施加较大的配重荷载才能达到更好的效果。地铁桥梁二期恒载和活载均较普通公路桥重，仅调整桥面板安装顺序，虽然有效，难以从根本上解决负弯矩区开裂问题，如要完全抵消桥面板拉应力，可能会因所需配重工程量大而导致无法施工。因此，本桥对桥面板的安装顺序进行了调整，由跨中向支点，先安装受压区后安装受拉区，减少桥面板自重引起的混凝土拉应力，并辅以适当增加配重的方法达到预期效果。

(3)支座强迫位移法

该法是在钢主梁架设后，顶升中支点一定高度，使钢梁产生负弯矩，再浇筑混凝土桥面板，此时桥面板处于无应力状态，待其硬化后再进行落梁，混凝土桥面板便产生一定的预压应力。通过试算顶升高度，可以调整预压应力大小，部分或全部抵消由二期恒载和活载引起的负弯矩，达到预期效果。

施加静位移法对调整内力有一定的效果，但与现场施工条件紧密相关，对连续梁比较实用，本桥为刚构结构，虽钢梁和混凝土墩身连接处顶升可以实现，但会对施工造成很大的不便;本桥位于小半径曲线上，内外侧支反力相差较大，施工阶段顶升40 cm时端支座便会脱空，顶升过程中结构的倾覆稳定性和同步性较难保证，故未采用。

(4)施加纵向预应力

该法是对连续梁中支点处的混凝土桥面板施加预应力来降低混凝土的拉应力和满足裂缝宽度的要求。本桥在设计时，在中支点桥面板设置了22束5-7φ5 mm高强度低松弛钢绞线作为纵向预应力筋，标准间距 0.15 m。

一般认为通过配置预应力束控制桥面板混凝土开裂，相对一部分预应力将通过剪力键施加到钢梁上，由于混凝土的收缩徐变，出现应力重分布的现象，后期预应力损失增大，钢束利用效率降低，在预应力锚固端还存在局部应力集中问题，因此负面效应较多。

为提高预应力钢束的利用率，理想方法是先对预应力混凝土桥面板进行预制，再使之与钢梁进行连接，但这种施工方法较不现实;或弱化甚至取消剪力键，使预应力完全施加在桥面板上，相对于结合梁，这种非结合梁受力不利，承载能力和刚度远远降低，需要增大钢梁截面。

考虑施工操作可行性，本桥负弯矩区桥面板采用部分滞后结合的方式，最大程度上降低张拉预应力的不利效应。为适应钢梁上成束布置的剪力钉，在预制板上对应于剪力钉的位置开剪力钉槽，槽口基本尺寸为100 cm×25 cm，槽口顺桥向基本间距为50 cm，预制桥面板安装示意见图5，桥面板架设前设在结合部位的剪力钉位置必须有很高的精度，待预应力张拉完后再浇筑剪力钉槽处的混凝土。

图5 预制桥面板安装示意

(5)高配筋率法

规范［3］规定利用高配筋率来限制负弯矩桥面板裂缝宽度时，配筋率不应小于3%，裂缝宽度一般不大于0.15 mm，中支座两侧跨度15%范围内受拉区混凝土不参与工作，桥面板截面刚度削弱，仅计入其有效宽度范围内的纵向受拉钢筋。

本桥桥面板的纵向配筋率为5.08%，采用 φ28 mm钢筋，上下各1层，间距12.5 cm，除外侧悬臂板端部1 m范围单根一束布置外，其余均采用2根一束，上下叠置。桥面板横向配筋率沿纵向基本不变，钢筋布置为2层，φ18 mm，间距10 cm。

综合考虑上述措施后，桥面板中支点负弯矩区混凝土的拉应力可得到有效控制，其中一联(42.5+79+42.5)m运营阶段钢梁和混凝土桥面板的应力结果见表3、表4，可见考虑混凝土一直参加工作，混凝土桥面板的名义拉应力5.72 MPa;考虑拉应力大于2.5 MPa部分混凝土开裂退出工作，仅计入钢筋作用，此时钢梁受力最为不利，对这2种状态进行检算，其钢梁应力和混凝土裂缝宽度均可满足要求。

表3 运营阶段的应力结果(混凝土一直工作)

表4 运营阶段的应力结果(混凝土开裂退出工作)

4.3 小半径曲线的影响

本桥位于曲线上，与直桥相比，弯桥的竖向支座反力有外侧变大、内侧变小的倾向，而本桥两联的边跨主跨比又较小，分别为0.54和0.62，对主跨的平衡卸载能力较低，加上结构自重荷载较轻，边墩支点更容易产生负反力，需要考虑曲线对支座反力的影响。

由于落梁和体系转换顺序对反力分布有一定的影响，设计时利用空间计算软件进行分析，考虑了实际的施工步骤及体系转换顺序，计算结果表明，边支座未出现拉力，但主+附组合下，曲线内侧支反力最小仅237 kN，支座有脱空的趋势。综合考虑，每联边跨采用50 t钢砂混凝土进行压重，钢砂混凝土容重为50 kN/m3，压重布置范围见图6，布置时应尽量靠近梁端支座，并避开底板进人孔留出通道，此处钢梁底板增设剪力钉并进行加劲。

4.4 墩梁固结段的处理

主梁与桥墩固结所形成的组合刚构桥，具有不设支座的优点，但是如何保证梁部承担的荷载能够有效地传给桥墩，则是本桥设计施工的关键问题。结合部必须设计得足够强，同时还应具有良好的耐久性和延性以抵抗温度和地震作用的影响［5］。本桥墩、梁钢-混固结段采用钢格室+剪力键的形式进行结合，利用3 m长的钢格室实现钢筋混凝土桥墩到钢主梁之间的过渡。

图6 压重布置范围(单位:mm)

墩梁固结段附近范围，钢梁底板厚50 mm，腹板厚32 mm，腹板与钢格室侧壁为整体节点板，固结段腹板、隔板及底板上均焊有剪力钉及加劲板。固结段隔板形式及钢格室截面形式见图7、图8。这种钢-混结合段的传力途径为:依靠顶、底板及隔板传递钢主梁弯矩至桥墩，依靠主梁腹板传递钢主梁剪力至钢格室，再通过传剪器传递到核心区混凝土。采用这种处理形式的结合段受力明确，刚度大，延性好，但制造、安装定位难度较大。