单跨整体式桥台钢混组合梁桥设计研究

陈祥构

(福州市规划设计研究院 福建福州 350000)

0 引言

随着桥梁建造技术不断发展，对桥梁的美学、行车舒适性、快速建造、全生命周期等特性提出了更高要求。主梁采用钢-混组合梁构造简单，钢材加工灵活，梁底做成简练的曲线造型，突出了桥梁的美学效应，且施工便捷，是新时期中小桥梁的发展趋势。整体式桥台将桥台台身、桩基与主梁联结形成整体，共同承受荷载作用。同时，桥面不设伸缩缝装置、支点无支座，行车舒适性高，也避免后期对构件的维护，大大降低了桥梁全生命周期的使用成本。由于提高了桥梁的整体性，其承受灾害事件能力也有所提高[1]。

将整体式桥台与钢混组合梁的优势进行结合，形成的钢—混凝土整体式桥台桥梁，除了能够优化整体式桥台外，还具有钢—混组合结构自重轻、刚度大、跨越能力强的力学特点，便于工厂化预制、装配式施工。因此，该结构在城市桥梁中取得良好的社会、经济和环境效益。

基于此，本文拟以福州市某桥梁工程为例，探析单跨整体式桥台钢混合梁桥设计，以期为中小跨径桥梁的今后设计选型提供参考。

1 工程概况

位于福州市仓山区的流花溪曾是一条黑臭的垃圾河，经过对该河道的综合整治，河道拓宽，水质改善，河道两侧布设自然山石驳岸，形成了水清暗绿、美景无边的城市滨水景观。本文案例桥跨越流花溪，桥位处水面宽30m，河岸两侧沿河休闲步道宽3.0m，桥面高程10.3m，常水位4.5m，河底标高2.4m，桥下步道净空高度2.5m，桥面宽度39m(3.5m人行道+3.5m非机动车道+1.5m绿化带+22m双向六车道+1.5m绿化带+3.5m非机动车道+3.5m人行道)，如图1所示。

图1 桥位平面图

为满足防洪和景观要求，降低桥梁施工对河道水质的影响，该工程要求单跨过河，并避免在水中搭设施工临时支架。基于诸多限制条件，经过多方案比对分析，该桥采用跨径40m单跨整体式桥台钢混组合梁桥。桥梁立面布置图如图2所示。

图2 桥梁立面布置图

2 设计标准

(1)设计荷载：城-A级，人群荷载按《城市桥梁设计规范》(CJJ11-2011)取值；

(2)桥涵设计基准期：100年，结构设计使用年限： 50年；

(3)地震荷载：地震基本烈度为7度，设计地震动峰值加速度0.10g，桥梁抗震设防类别为丁类；

(4)桥梁设计安全等级：一级；

(5)工程环境类别：Ⅰ类；

(6)规划洪水位：二十年一遇。

3 结构设计

3.1 上部结构

在中小跨梁桥中，梁底的曲线造型是桥梁立面视觉效果的决定性因素。总体来说，跨中与根部的梁高变化越大，梁底曲线越显著，景观效果越好。相比简支梁，整体式桥台桥梁主梁与墩台固结，跨中弯矩较小，跨中钢梁高取值1.3m≈L/30进行设计(L为跨径)。根部梁高因桥下休闲步道标高和净空、桥面标高等限制，该桥取值1.8m≈L/22，梁底曲线采用R=180m圆弧线。

桥梁上部结构横断面布置如3图所示。该桥位于直线段，钢梁部分采用结构形式最为简单的焊接工形梁，材料采用Q345qD钢材。桥面较宽，横向布置为多主梁结构，主梁间距考虑钢筋混凝土桥面板厚度，结合主梁纵向计算结果，该桥主梁间距取值为2.75m，边梁混凝土翼缘板悬臂长1.5m。钢筋混凝土桥面板根部厚度35cm，跨中厚度25cm，混凝土采用C50。

图3 1/2桥梁横断面布置图

3.2 下部结构

根据现场钻探揭示地质资料，钻孔标高6.0m，桥台地基土层自上而下分布如下：杂填土1.4m，细中砂0.8m，淤泥13.7m，中砂12.8m，卵石11.5m，砂土状强风化花岗岩19.2m，碎块状强风化花岗岩10.8m。该桥下部采用桩基础的整体式桥台，桥台、桩基础和主梁联结成整体共同受力，鉴于桥台和主梁刚度比值将影响角隅处的内力分配，从而影响整体受力，该桥上部主梁为钢—混组合梁。为尽量减小主梁端部的负弯矩，以减小混凝土桥面板裂缝，该桥设计在满足其它设计要求下，尽量采用较小的台身厚度，较小的桩基直径和较短的桩长[2]。欧美国家的桩基础整体式桥台以H形钢桩这种柔性桩为主，考虑到本地缺乏该类桩基的施工经验，并且我院以往设计的单跨门式刚构桥采用钢筋混凝土桩基础目前运营效果良好，该桥基础采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，以卵石层为持力层，设计为摩擦桩(属于弹性桩)。根据试算结果，该桥钢筋混凝土台身厚度取值1.5m，桩基直径采用1.2m。

3.3 桥面铺装

采用4cm厚SMA-13沥青玛蹄脂碎石混合料(粗骨料为玄武岩)+5cm AC-20C中粒式改性沥青混凝土。铺装层下涂刷HM1500防水涂料。

4 计算模型主要计算结果

本文采用有限元程序Midas civil 2019建立一幅桥的空间有限元验算模型，对结构进行验算。在该模型中，主梁采用钢-I形组合截面，通过施工阶段联合截面模拟组合截面施工过程。台身采用板单元模拟，桩基采用实腹圆形截面。完成后的模型共计613个节点，696个梁单元、80个板单元。分析模型如图4所示。

图4 桥梁计算模型

4.1 边界条件模拟

整体式桥梁墩台和上部结构固结为整体，在荷载作用下，桥台与上部结构固结处不发生相对变形，上部结构的变形通过柱的挠曲吸收。由于在温度荷载和其他纵向荷载的作用下, 主梁的变形会受到台后填土、桩侧土的抵抗，而台后、桩侧土对桩基础侧向土阻力的大小又与它们的变形大小有关。所以，将桥面板从膨胀到收缩的状态变化认为是一个周期。如果这个循环无限进行，回填土的地基反力系数会是一个常量[3]。鉴于土壤的这种特性，水平向土弹簧定义为对称的只受压非线性弹性支承，竖向的土弹簧定义为线性弹性支承。桩土相互作用模型如图5所示。

图5 桥梁边界条件模型

4.2 荷载工况

基于该桥较宽，横向采用多主梁结构，各主梁不均匀受力主要由横向刚度分配和偏心荷载引起，计算模型中，汽车及人群荷载根据横向桥面功能划分按实际位置加载，一期恒载结构自重由程序自动加载，二期恒载(人行道、栏杆、绿化带、桥面沥青砼铺装)按实际位置加载。温度效应采用整体升、降温25℃；梯度温度按《钢-混凝土组合桥梁设计规范》(GB 50917-2013) 取值；混凝土收缩徐变按10年。

4.3 施工阶段分析

为了减小梁端的负弯矩、桥台顶部的剪力和桩顶的弯矩，以减少钢筋混凝土构件带裂缝工作区域和裂缝宽度，该桥对施工过程进行了详细规定，对桥面板浇筑和主梁固结时间分阶段细化，使桥梁上下部都能更趋近于主梁简支状态受力特性。施工阶段划分如表1所示。

表1 施工阶段划分

施工过程中，CS2阶段钢梁吊装一次落架，钢梁自身重量全部由钢梁承担，CS3阶段暂未形成组合截面，认为桥面板混凝土湿重全部由钢梁承担；CS4阶段将主梁与桥台固结；CS5阶段二期恒载由钢-混凝土组合截面共同承受，且主梁向桥台传递弯矩和剪力。钢梁的位移包含了CS2和CS3两阶段产生的位移，在预拱度中予以考虑。施工阶段钢梁应力如表2所示，均满足规范要求。

表2 施工阶段钢梁应力表

4.4 承载能力极限状态验算

4.4.1钢梁抗弯承载力验算

图6和图7分别为基本组合下钢梁上下缘应力包络图。由图6可见，钢梁上缘最小正应力为-216.3(受压)，最大正应力为-1.64(受压)。由图7可见，钢梁下缘最小正应力为-60.5(受压)，最大正应力为175.6(受拉)。该桥使用的是Q345qD钢材，钢梁抗弯承载力满足要求。

图6 钢梁上缘应力包络图

图7 钢梁下缘应力包络图

4.4.2桥面板应力抗弯承载力验算

如图8所示，该混凝土桥面板上缘最大压应力为3.8MPa<22.4MPa(C50强度设计值)，满足要求。

图8 桥面板上缘正应力包络图

4.5 正常使用极限状态验算

4.5.1钢筋混凝土桥面板裂缝宽度验算

该桥主梁作用频遇组合效应如图9所示，梁端负弯矩最大值为-3071kN·m，出现在边梁。桥面板开裂区域不考虑混凝土作用，以纵向普通钢筋与钢梁形成的组合截面为开裂截面验算，按钢筋混凝土轴心受拉构件计算负弯矩区组合梁混凝土板最大裂缝宽度为0.046mm<0.2mm，符合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》等相关规范，并满足相应限制的要求。

图9 作用频遇组合荷载弯矩包络图

4.5.2竖向扰度验算

计算竖向挠度时，按结构力学方法并采用不计冲击力的汽车车道荷载频遇值，频遇值系数为1.0 。如图10所示，在活载频遇值作用下，竖向最小位移值为-14.6mm(向下)，满足规范要求。

图10 活载最小位移频遇值

5 结论

(1)单跨整体式桥台桥梁，依靠梁底曲线突出桥梁美学效应，结构合理、传力路径清晰，在城市景观带中的中小桥梁不失为一种较优的桥型。

(2)桥梁工程是现代交通建设中的节点工程，组合钢板梁桥构造简单、方便工厂预制和快速施工，是未来中小桥梁的发展趋势。

(3)整体式桥台桥梁结构整体性好，取消了伸缩缝和伸缩装置、也取消了支座，具有行车舒适和全寿命经济性的优势。

(4)整体式桥台桥梁需要基础来吸纳上部结构的变形，制定合理的施工顺序，可以让钢梁和桥面板自重由简支钢梁承担，减小基础内力，使结构受力更趋近于简支梁桥。