全预制拼装城市高架桥设计

陈冠华

(福州市规划设计研究院 福建福州 350003)

0 引言

随着党和政府以及城市居民对文明施工和环境影响的日益重视，降低市政工程施工对日常生活影响的需求越来越强，快速施工、绿色施工成为当前城市桥梁建设面临的迫切需求。城市高架桥对交通组织、环境保护等均要求更高，预制装配式桥梁尤其适用，因此桥梁预制装配技术近年来得到世界各国的重视[1]。预制装配桥梁技术的研究在国内外呈现快速发展的趋势。在国内上海、长沙和成都等地均有成功实施全预制拼装桥梁的实例[1-2]。与工程应用相比，相关理论研究和试验研究更为滞后，因此开展全预制桥梁拼接关键技术研究，对这类桥梁的受力性能进行深入探讨，以便为此类桥梁的设计、施工提供理论依据，很有必要，也很有现实意义。基于此，本文以福州市新店外环路西段道路工程为背景，探讨全预制拼装高架桥设计。

1 工程概况

福州市新店外环路西段道路工程位于晋安区新店片区，是福州城北片区路网快速化重要组成部分，项目起点地面辅路接龙头路、主路接绕城高速公路，终点接新店外环路东段，为城市主干路，设计车速60km/h，道路全长约5040m，道路规修建宽度为40m～60m。其中①龙头路至秀峰路段为新建地面路段，其中龙头路至厦坊北路段采用双向六车道+非机动车道+人行道断面布置形式，厦坊北路至秀峰路段采用双向八车道+非机动车道+人行道断面布置形式；②秀峰路至新店外环路东段为现状路(埔党路)提升改造路段，采用主路高架双向六车道+地面辅路双向四车道+非机动车道+人行道断面布置形式[3]。图1为项目地理位置图。

图1 项目地理位置图

主线高架桥上跨秀峰路、象峰一路、象峰一路和山北路延伸段后接新店互通。全桥共45跨，标准跨径30m～35m，总长1502.2m。高架断面单幅桥布置，桥面宽度25.5m。高架桥共13联。其中，Z0～ Z19共5联采用连续钢箱梁，下部结构主桥采用柱式墩；Z19～Z44共8联，采用钢板组合梁，下部结构主桥采用双柱式框架墩，双柱之间设置综合管廊，其中桥墩、盖梁和组合梁均采用预制拼装。这是福建省首次在城市高架桥上采用上下部全段面预制拼装结构。主线高架桥断面如图2所示。本文以3m×35m钢板组合梁桥为例，论述其上下部结构设计及主要的关键技术。

图2 标准横断面布置图

2 结构设计

2.1 上部结构

主梁采用钢板-混凝土组合梁，整幅桥宽25.5m，为多主梁式钢混组合梁。小组合梁之间横向间距2.35m，组合梁梁高1.9m。主梁除在边墩及中墩墩顶处设置钢横梁联结各小组合梁，组合板梁每隔6m设置一道横向连接系。主梁结构分为两大部分，首先在每片“工”字形钢梁上翼缘焊接剪力钉，然后与底层预制混凝土板组合形成小组合梁，把底层混凝土板当作模板，最后在底层混凝土板上现浇上层混凝土板，形成最后主梁结构；上层混凝土板与底层混凝土板，通过锚固钢筋及剪力钉进行连接，形成多层组合梁结构。组合标准断面如图3所示。

图3 组合梁标准断面图(单位：mm)

单片钢主梁设计成工字型结构，边墩支点处梁高与中跨跨中处梁高均为1600mm， 工字型钢梁主要由上翼缘板、腹板、腹板竖向加劲肋、底板焊接组成，钢梁材质采用Q345qc。钢梁上翼缘板厚度为16mm，宽400mm;腹板厚度为16mm，腹板竖向加劲肋中墩墩顶处采用200×16mm，腹板坚向加劲肋纵桥向每隔2m设置一道:底板宽600mm，墩顶以及跨中区域厚度为20mm～32mm。

主梁横向设置实腹式钢横隔板，横隔板纵桥向间距6m。横隔板为工字型断面，单片主梁横隔板长度与小组合梁间距相同，即2350mm，高度与梁高相同，横隔板腹板厚度16mm，上翼缘板宽400mm，下翼缘板宽500mm。横隔梁顶板现场焊接连接，腹板和底板现场焊接。

中墩顶及边墩横梁均采用钢横梁，端横梁上翼缘宽1.45m，顶底板板厚均为28mm，腹板间距 1.175m，腹板板厚20mm。中横梁上翼缘宽2.1m，顶底板板厚均为28mm，腹板间距 1.175m，腹板板厚20mm。箱型横梁在主梁对应位置设置实腹隔板，两实腹隔板间设置腹板竖肋。

底层混凝土桥面板采用C50混凝土，按钢筋混凝土板结构设计。混凝土板中梁处宽2050mm，边梁宽2050mm，板厚10cm。底层混凝土板采用分块预制，纵向分块长度2.85m～5.9m，预制桥面板需存放3个月以上，以减少混凝土收缩徐变影响。在钢梁上安装底层板时，先在钢梁上翼缘及横隔板两侧边缘粘贴橡胶条，然后浇筑2cm环氧砂浆，再摆放底层板到位后，浇筑湿接缝微膨胀混凝土，完成底层板与钢梁的结合。

底层桥面板纵横向均按钢筋混凝土板构件设计，横向布置一层钢筋，钢筋直径16mm，间距100mm；纵桥向布置一层钢筋。

顶层混凝土板按钢筋混凝土板构件设计，横向布置两层钢筋，钢筋直径16mm， 间距100mm；纵桥向布置两层钢筋，墩顶两侧约15m范围内上层钢筋直径28mm，下层钢筋直径25mm，跨中区段布置两层直径16mm钢筋，墩顶与跨中区段直径设置长约5m的过渡区段，钢筋直径20mm。纵向钢筋间距100mm顶层板钢筋与底层板之间通过预埋锚固钢筋连接。

混凝土桥面板与钢梁之间通过布置于钢梁顶板的焊钉栓钉连接，焊钉剪力键直径19mm与22mm，高分别为95mm、220mm两种；单片工字型钢梁顶板横向布置3根，横向间距为100mm；纵向采用高220mm剪力钉与高95mm的剪力钉纵向交错布置，焊钉剪力键纵向间距100mm，在钢梁横隔板现浇湿接缝处，剪力钉采用均布式布置，基本间距为100mm。

2.2 下部结构

主线高架桥下部结构采用双柱式框架墩、灌注桩基础，桥墩、盖梁均采用预制拼装。双柱框架墩墩柱横桥向中心为10m，基础采用4根直径1.2m钻孔灌注桩，桥墩截面尺寸1.6m×1.6m。墩柱与桩基之间设置现浇工字型承台，承台平面尺寸12.2m×5.5m，厚度2m。盖梁长度24.8m，截面顺桥向墩顶尺寸2.2m，盖梁高度1.9m。盖梁采用预制拼装工艺施工，整个盖梁的重分别为217t。当运输和吊装条件受限制时，盖梁分段预制，现场预留湿接缝现浇拼接，预制部分吊重控制在160t以内。

预制墩柱与现浇承台、预制盖梁之间通过灌浆套筒进行连接，灌浆套筒设置在墩柱底面和盖梁底面。主线高架桥标准段下部结构，如图4所示。

图4 主线高架桥标准段下部结构(单位：cm)

3 设计分析考虑的问题

组合结构桥梁由钢结构抗拉、混凝土抗压，充分发挥两种材料的使用性能，可使结构设计、施工和维护更趋合理并具有全寿命经济性，尤其是在中小跨径的城市桥梁中更具有竞争力[4]。多梁式钢板组合梁结合装配式墩柱在设计分析中须考虑如下问题：

(1)群钉剪力连接件的构造设计、滑移性能及对组合截面变形应力的影响；

(1)预制桥面板的横向连接性能；

(3)钢板梁腹板的屈曲稳定；

(4)群钉下钢混组合梁的预制桥面板安装后的收缩徐变效应及影响；

(5)装配式施工钢混组合梁的抗疲劳特性；

(6)预制桥墩套筒拼接性能及抗震性能；

(7)快速施工桥梁预制加工的成套技术装备和施工方法[5]。

4 主要静力计算结果

4.1 钢板-混凝土组合梁

利用Midas Civil对桥梁上部结构进行建模计算。计算采用多梁模型、联合截面模拟组合结构。纵梁重量模型自动考虑，横梁及加劲肋、混凝土桥面板、沥青铺装的重量按照实际计算后以梁单元荷载的形式施加。结构总体模型，如图5所示。

图5 总体计算有限元模型

图6 成桥初钢梁正应力图

图7 成桥10年，基本组合下钢梁正应力图

图8 组合截面剪力分布

成桥初期最大正应力(图6)为126MPa<270MPa；成桥10年(图7)，基本组合下钢梁正应力为229MPa<270MPa；基本组合下各截面的剪力(图8)计算结果，选择受剪最不利截面进行抗剪验算，主要是墩顶截面以及腹板变厚截面，墩顶剪力值1602kN，抗剪承载力3819kN。以上均满足规范要求。

4.2 预制拼装桥墩

结构计算采用Midas Civil计算，盖梁、立柱及桩基础均采用杆系单元模拟，盖梁顶设置虚拟加载横梁，桩基础按照地质情况设置土弹簧。图9为桥墩计算模型。

图9 桥墩计算有限元模型

分析中考虑预制盖梁拼装、现浇段施工、预应力钢束张拉、徐变等施工工况，主要计算结果如图10～图11所示。

图10 正截面盖梁短期正应力(单位：MPa)

图11 盖梁主拉正应力(单位：MPa)

盖梁在各个施工工况下均全截面受压，盖梁主拉应力0.61MPa，满足规范要求。立柱和系梁的抗力和裂缝也满足规范要求。

5 结语

适应城市高架桥“工厂化、预制化、装配化”发展趋势，福州市新店外环路西段道路工程主线高架桥采用全预制拼装结构，上部采用多梁式钢板-混凝土组合梁，下部结构采用装配式桥墩，采用墩柱和盖梁在工厂预制，现场吊装，用灌浆套筒连接的施工方法。相对实际工程的应用，预制拼装桥梁理论缺少系统研究，在设计过程须考虑组合梁、预制桥墩和施工方法的一些关键技术。

该项目在施工过程，其采用的全预制拼装技术可为目前同类桥梁设计提供参考；预制构件选用合适的施工方式，合理确定预制构件长度和重量，研发有关的预制生产技术和装备，形成设计和施工标准化流程；同时可作为装配式桥梁设计、施工的地方性指导规程技术支撑。