南京大桥北路钢—混凝土连续组合梁桥设计

柳双军

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司南京分公司 南京市 210000)

钢-混凝土组合结构桥梁充分利用钢材和混凝土各自的材料性能，通过剪力连接件将二者结合起来共同受力，相对于混凝土梁具有自重轻、构件截面尺寸小、承载能力高、施工速度快等优点；相对于钢梁具有刚度大、整体稳定性能好、造价低、无桥面板疲劳问题等优点。目前，钢-混凝土组合结构桥梁在城市高架等工程中应用相当广泛。结合南京大桥北路工程匝道桥，介绍钢-混凝土连续组合梁桥的总体布置、构造、剪力钉布置、施工顺序、钢梁涂装方案及采用中支点顶升的方法减小负弯矩区域混凝土桥面板的拉应力。

1 工程概况

南京大桥北路快速化改造工程南起浦珠路(江山路)桥北互通，穿过毛纺厂路、柳洲路和梅桂营铁路，北至江北大道，工程设计范围全长约2.7km，高架段全长1.75 km。主线高架及匝道桥上部结构以现浇预应力混凝土连续箱梁为主，其中QC匝道桥第二联需跨越已运行的南京地铁S8号线1号风井、2号风井及出入口处，混凝土箱梁现浇支架荷载对地铁构筑物结构影响较大，因此采用钢-混凝土连续组合箱梁跨越地铁构筑物，组合梁钢梁部分采用少支架拼装，桥面板采用现浇施工方法。下部结构桥墩采用实体“花瓶”型，墩身横桥向宽2.5m，顶部扩大为3.9m，顺桥向宽1.8m，支座间距2.4m；基础采用4根直径1.2m钻孔灌注桩基础。

图1 大桥北路QC匝道立面图

2 钢-混凝土连续组合梁设计

2.1 组合梁构造

钢-混凝土连续组合梁跨径布置为35.687m+37m+36m，桥宽B=8.2m，截面采用单箱双室，梁总高2.0m，桥面板厚0.3m，腹板斜率为1∶2。钢梁由顶板、腹板、底板、横隔板、加劲肋组成，顶板板厚25～30mm，宽0.6m，腹板板厚16～18mm；底板板厚20～25mm，宽3.905m。钢梁沿纵向每6m设置一道横隔板，中支点两侧各1.5m设置一道顶升隔板，隔板间设置一道竖向加劲肋，现浇混凝土桥面板全宽8.2m，厚度为0.3m，挑臂长度1.35m，采用C50钢纤维混凝土；钢箱梁与桥面板通过剪力连接件连接在一起共同受力，剪力连接件钉采用D22×220mm圆柱头焊钉。钢梁采用Q345qD钢材；全桥钢材合计265.2t，用钢指标为297kg/m2。钢梁采用少支架吊装施工，桥面板混凝土采用现浇施工。图2为钢-混凝土组合梁标准断面图。

图2 连续组合梁一般截面构造图(单位：mm)

2.2 组合梁计算分析

采用midas Civil软件建立全桥空间杆系结构进行分析，全桥共96个梁单元。为简化计算分析过程，假定钢材与混凝土均为理想线弹性材料，忽略混凝土桥面板与钢梁之间的滑移作用，两者视为刚性粘结。边界条件根据支座的实际设置情况模拟为单向滑动、双向滑动及固定支座。有限元模型如图3所示。

图3 计算模型

(1)施工阶段及对应阶段的钢梁应力

表1 施工阶段描述及钢梁应力汇总表

由表1可知，施工阶段5钢梁顶底板应力最大。施工阶段5及基本组合作用下钢梁顶底板应力见图4～图7。

图4 施工阶段5钢梁顶板应力图

图5 施工阶段5钢梁底板应力图

施工阶段钢梁底板最大应力为104.3MPa，顶板最大应力为151.5MPa，均小于270MPa，满足设计规范要求。

(2)使用阶段钢梁及桥面板应力

图6 基本组合钢梁顶板应力图

图7 基本组合钢梁底板应力图

使用阶段钢梁底板最大应力为202.0MPa，顶板最大应力为165.1MPa<270MPa，满足设计规范要求。

图8 标准组合桥面板压应力(单位：MPa)

标准组合桥面板最大压应力为7.4MPa<22.4MPa，满足规范要求。

(3)组合梁预拱度设计

连续钢-混凝土组合梁预拱度按结构自重标准值加1/2车道荷载频遇值产生的挠度值设置，其中频遇值系数为1.0。一期恒载的边跨跨中挠度为47.5mm，二期恒载的边跨跨中挠度为8.3mm，活载的边跨跨中挠度为16.5mm，边跨跨中处预拱度为47.5+8.3+0.5×16.5=64mm，同理，中跨跨中预拱度为13.8+1.4+0.5×13.5=22mm，钢梁预拱度应在钢梁工厂加工时预先按抛物线设置。

(4)组合梁抗倾覆计算

基本组合下，钢-混凝土连续组合梁边墩单个支座反力为194kN，中墩支座反力为2033kN，支座均保持在受压状态，满足规范要求。钢梁支座横桥向间距为2.4m，使上部结构稳定的弯矩为16510kN·m，使上部结构失稳的弯矩为3338kN·m，横桥向抗倾覆稳定系数为4.9>2.5，满足规范要求。

3 剪力钉布置

圆柱头焊钉连接件是钢-混凝土组合结构中应用最为普遍的连接件形式，广泛地应用于组合结构中，当剪力钉的数量、直径较强配置时，连接性能可近似达到刚性连接，与组合梁计算假定接近。本联组合梁剪力钉采用D22×220mm圆柱头焊钉，单个焊钉抗剪承载力设计值为102kN，设计要求焊钉的焊接工作应在钢梁制造厂内焊接完成，在进行拉伸试验时当拉力荷载达到159.6kN时，不得断裂；继续增大载荷直至拉断，断裂不应发生在焊缝和热影响区内。全桥共计焊钉6478个，顺桥向间距300mm，横隔板、端支点6m范围内、中支点3.3m范围内间距150mm，剪力钉布置见图9及图10。

图9 剪力钉布置横断面图(单位：mm)

图10 剪力钉布置平面图(单位：mm)

4 桥面板负弯矩区域设计

钢-混凝土连续组合梁中支点负弯矩处桥面板在弯矩作用下产生很大的拉应力，如果桥面板混凝土开裂，对桥梁的承载能力、梁截面刚度、结构耐久性产生很大的影响。目前常用的减小混凝土桥面板拉应力的方法有，一是调整跨中、中支点混凝土的浇注顺序来减少，二是支点顶升(支座位移法)，三是负弯矩区域配置预应力钢束的方法。本联组合梁采用调整桥面板混凝土浇注顺序以及中支点顶升20cm的方法，通过顶升20cm后，负弯矩区域混凝土拉应力相对降低了2MPa，有效地控制了混凝土桥面板的开裂。

本工程组合梁仅两联，桥面板采用现浇施工，桥面板混凝土采用C50钢纤维混凝土。负弯矩混凝土桥面板按允许开裂并控制混凝土裂缝宽度的方法设计，桥面板裂缝宽度计算时考虑桥面板的有效分布宽度。桥面板配筋在总宽8.2m范围内上下缘均按双肢25@150mm布置，配筋率4.3%，钢筋应力为124.5MPa，裂缝宽度0.148mm<0.2mm，满足规范要求。

5 钢梁涂装

钢梁内、外部的防腐涂装采用性能可靠、附着力强、耐候性好、防腐蚀强、成熟可靠以及使用期保证在15年以上的涂装材料。钢梁采用的油漆涂装方案如表2所示。

表2 钢梁内、外部的防腐涂装设计方案

钢梁顶板与混凝土桥面板接触面涂装方案为：冷喷锌2道，厚度90μm，冷喷锌干膜涂层全锌含量不低于96%。

6 结论

钢-混凝土连续组合梁较钢梁经济性好、桥面板耐久性好，并充分地利用了钢材与混凝土的优点，组合梁较现浇混凝土梁在施工方法、跨径布置、小半径曲线段等建设条件下适应能力更强，本联钢-混凝土连续组合梁采用槽形钢梁的截面形式，结构简洁、受力明确、整体性好、抗扭刚度大，钢梁施工阶段荷载轻，有效地解决了匝道桥跨越地铁构筑物的问题。随着我国城镇化的大力推进，城市高架建设中，地铁、综合管廊、既有不便改移的管线等常见构筑物使得桥梁的总体布置更加复杂，组合梁灵活的跨径布置能更好地适应城市建设的需要。论文结合工程实例，介绍了常见钢-混凝土连续组合梁的构造布置、主要分析计算过程及负弯矩的设计方法，希望对钢-混凝土连续组合梁的设计提供良好的借鉴作用。