窄箱型主梁钢-混组合结构桥梁在山区公路建设中应用研究

2020-06-29边洪坡祁义辉

水电站设计 2020年2期

张昱，程宏，边洪坡，祁义辉

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081；2.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南昆明 650501)

0 前言

云南、贵州、四川等地的高速公路建设在我国经济不断从东部向西部延展性发展过程中，取得了跨越式发展。公路建设的发展带来的是对技术的不断挑战，由于山区地形复杂，大面积土地高低不平，纵横起伏，海拔高差异常悬殊，因此桥梁建设技术也在不断完善与进步。

为响应国家去钢材产能的号召，交通运输部印发《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，决定推进公路钢结构桥梁建设，提升公路桥梁品质，发挥钢结构桥梁性能优势，推动公路建设转型升级。在当前的形势下，通过采用合理的构造、选用便捷的施工方法，可使山区高墩的钢-混凝土组合梁桥在经济上具有一定优势。合理采用钢-混凝土组合梁可消化钢材产能，缩短工期，创造良好的经济效益，成为山区高墩条件下相对预应力混凝土梁桥的较优方案[1]。

1 工程概况

红河州建水(个旧)至元阳高速公路(下文简称“建个元高速”)包家庄特大桥位于云南省个旧市乍甸镇包家庄附近，桥址区地处斜坡地带，中间低两端高，呈“凹”状，桥梁分别跨越通村公路、冲沟，地形起伏较大。桥面距离谷底近140 m，沟谷较为宽阔，谷宽约900 m。桥高和桥长不受水文控制，仅依地形布设。主桥采用3联3×70 m窄箱型钢-混组合梁，引桥采用40 m T梁，桥梁全长1 006 m，主墩采用空心薄壁墩，墩高最高为124 m，墩内未设置横隔板。

1.1 钢-混组合梁方案的确定

包家庄特大桥根据水文、地形、地质等情况，初步设计拟采用两个方案做同深度比较。

(1)方案一：采用主跨160 m悬浇预应力混凝土结构，设计、施工以及后期维护简单，箱梁节段悬臂浇筑，工期较长。

(2)方案二：采用70 m钢-混凝土组合结构，施工相对复杂，结构抗震性能好，钢主梁顶推施工，工艺成熟，施工速度快，综合造价相对较低。

考虑到桥跨非全新世活动断裂，抗震要求高，以及工程造价、工期等指标，包家庄特大桥最终选用主跨钢-混组合梁桥作为施工图设计方案并予以实施。

1.2 研究目的及研究内容

由于高墩大跨钢-混凝土组合梁桥在建设条件与混凝土桥、常规地区钢桥等有较大的不同，因而目前其在山区应用较少。本研究主要针对钢-混组合梁结构桥梁在山区公路建设中的应用，分解包家庄特大桥设计过程中遇到的疑难点，从而丰富山区钢-混组合桥梁这一结构形式的内容。

实践过程中的主要难点和创新点有：

(1)70 m跨度的钢-混组合梁桥钢主梁的截面形式选择；

(2)连续钢-混组合梁桥墩顶负弯矩处桥面板抗裂性及桥面板设计思路；

(3)百米级超高空心薄壁墩取消横隔板的设置；

(4)高墩、大跨钢梁顶推受力特性分析。

2 窄箱型钢-混组合梁应用中的关键技术研究

2.1 钢-混组合梁桥钢主梁的选型——窄幅钢箱梁

连续组合梁桥的截面一般采用工字截面和箱型截面。工字截面加工和施工吊装的费用较低，但如果荷载较大或跨度较大时，其抵抗扭转的能力则较差，所以跨度一般控制在单跨40 m以内。对于箱型截面且宽度较小的桥面(比如10 m左右的桥面)可以采用大型开口槽型截面的钢箱，在槽型钢箱梁内设置横系梁以增加其抗扭转能力。双窄幅钢箱在日本采用较多，其优点为钢箱数目不多、对称设置，施工较为便捷，由于缩短了腹板距离，其抗扭转能力得到加强。窄幅型钢箱梁的腹板间距比传统的箱梁要小(见图1)，其经济跨度为60～80 m，在山区高速公路建设中具有较好的经济效益。

图1 窄箱型钢混组合梁

红河州建水(个旧)至元阳高速公路的70 m跨窄幅双主梁钢箱组合梁技术在国内高速公路建设中尚属首次运用；窄幅钢箱组合梁具有制造安装简单、运输方便、受力明确、经济指标优越的特点，在西部高速山区桥梁建设上具有较好的推广前景。

2.2 组合梁混凝土桥面板设计思路

混凝土桥面板在钢-混组合梁结构里位于钢主梁的上部，主要起承受和传递上部荷载的作用。连续钢-混组合梁属于一个受弯构件，钢主梁在上部结构和自重的作用下主要受拉，处于钢主梁上部的混凝土桥面板主要承压，这种组合设计充分发挥了不同材料各自的特性。不过在连续墩顶负弯矩处，混凝土桥面板受拉，因此在连续梁跨度较大时需进行特殊处理，这也成为了连续钢-混组合梁桥的桥面板设计关键。墩顶负弯矩处的混凝土桥面板常规设计思路有：

(1)强配筋或施加预应力；

(2)顶升负弯矩区梁体，在钢梁、桥面板结合回落作为施加预加力；

(3)预制桥面板存放6个月以上，以降低后期收缩徐变的影响。

2.2.1 包家庄特大桥桥面板设计要点

红河州建个元高速钢-混组合梁桥的桥面板采用混凝土预制板结构(见图2)，结合科研优化后，包家庄特大桥钢-混组合梁的桥面板采用C55微膨胀混凝土，分块预制，摆放到位后浇筑现浇缝的施工方法，预制板至少存放 6个月的时间，以减少混凝土收缩徐变造成的不利影响；横向整块制造，剪力钉通过处桥面板预留槽后浇孔；现浇接缝采用C55无收缩微膨胀补偿混凝土。

图2 包家庄特大桥桥面板布置(单位：cm)

由于常规设计考虑在混凝土与钢梁组合后施加预应力筋，因此预应力筋的预应力会转移到钢梁上，造成了预应力的大量损失。原设计方案中组合梁在预应力单向荷载作用下的计算，提取组合梁中支点截面处的相关结构，得到预应力筋施加的总预应力为37 952.1 kN，混凝土桥面板上的预应力为21 386.1 kN。有16 566.0 kN的预应力转移到了钢梁上，即43.65%的预应力转移到了钢梁上，接近一半的预应力筋未达到减少混凝土板拉应力的作用。

于是，优化设计时采用了一种“后结合”处理的思路[2]，即混凝土预制桥面板放置在钢主梁上，先不进行钢主梁与混凝土的结合，对预制桥面板进行预应力的张拉，待张拉、压浆完毕，全桥预制板形成整体后，再将钢主梁与预应力混凝土桥面板进行结合。采用“后结合”处理，预应力相对于常规设计减少了65.6%。因此工程考虑采用“后结合预应力”方法来减少混凝土板的开裂，可以充分提高预应力的利用效率，减小预应力筋的用量。

2.2.2 超高强混凝土应用实践

红河州建个元高速另一座钢-混组合梁桥——乍甸1号大桥(主跨60 m+3×70 m)桥面板在负弯矩处采用超高强混凝土直接改变其材料特性，再通过合理配筋控制裂缝宽度及高性能混凝土ECC材料的应用，满足混凝土构件的抗拉性能。高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)是近20年发展起来的一种新型纤维增强水泥基复合材料。在ECC的受力过程中，由于其开裂处纤维具有桥接作用，纤维与基体间传递应力时裂缝能够稳定扩展，使得ECC表现出明显的多裂缝开裂特性和应变硬化行为，非常适合用于控制组合结构、混凝土结构中的裂缝，提高结构的耐久性。乍甸1号大桥桥面板布置示意及大桥纵向ECC层布置情况如图3～4所示。

图3 乍甸1号大桥桥面板布置(单位：mm)

红河州建水(个旧)至元阳高速公路包家庄特大桥和乍甸1号大桥采用了不同的混凝土桥面形式。两种形式的墩顶负弯矩区混凝土桥面板抗裂性能优化设计都处于国内较为领先的水平，满足结构的受力要求，为未来大跨连续钢-混组合梁桥桥面板设计提供了宝贵的参考。

2.3 超高空心薄壁墩取消设置横隔板

墩柱在桥梁结构中属于一个压弯构件，高墩从经济、美观和实用等方面考虑，通常采用空心薄壁结构。传统的空心薄壁式高墩一般包括实体过渡段、标准段和经验形式的设置横隔板，其中横隔板一般每隔20～30 m设置一道。高墩施工时，横隔板位置需要拆除内膜、重新拼装模板并浇筑完横隔板，然后才能继续向上施工。显然，横隔板的设置造成连续施工中断，这成为了影响施工速度的主要因素。

2.3.1 空心薄壁高墩不设置横隔板的判别条件

压弯杆的破坏形式主要为失稳破坏，失稳又分为整体失稳和局部失稳，对于局部失稳而言，横隔板可以起到限制墩壁的横向变形、加强构件的局部稳定的作用，但是对构件的整体失稳则影响不大。因此如果荷载足够大而使空心墩发生失稳破坏时，只要整体失稳破坏发生在局部失稳破坏之前，那么横隔板的设置其实意义不大，在这种情况下是可以取消设置空心墩横隔板的。基于偏安全的考虑，为了简化计算，箱型空心薄壁截面的局部稳定可通过四边简支板的弹性屈曲理论分析导出[3]，即其局部屈曲临界应力σcr应满足下式：

(1)

式中，各参数除了t/b与箱型截面的尺寸有关，其余参数(弹性模量E、泊松比υ、弹性模量折减系数η、稳定安全系数λ等)基本上都是定常数或安全系数，通过式(1)，可得到箱型混凝土薄壁截面的局部稳定容许宽厚比(边长b与厚度t之比)的表达式：

(2)

考虑常规空心薄壁墩的混凝土弹性模量及轴心抗压标准强度，对于箱型薄壁截面容许宽厚比(边长与厚度之比)在30以内时，薄壁局部稳定不控制设计，箱型薄壁墩的设计由位移、强度、整体稳定等因素控制，而不是由局部稳定控制，因此当容许宽厚比在这个范围内时不需要设置空心墩横隔板。

在本项目中，包家庄特大桥百米级高墩最大宽厚比(边长b=700 cm，厚度t=60 cm)为11.7(小于30)，因此百米级空心墩取消横隔板的设置满足了空心薄壁高墩局部稳定不控制设计的要求，在确保结构安全的前提下大大减少了施工工序和施工工期。

2.3.2 无横隔板高墩受力计算分析

由于包家庄特大桥百米级高墩位于非活动断裂带，抗震受力控制结构设计，因此取最高墩进行抗震分析。

因桥梁最高墩(3号桥墩)高达123.5 m，需要考虑几何非线性效应，而基于振型弹性叠加的反应谱方法无法考虑这一点，故E1、E2地震下均采用非线性时程方法计算结构的地震响应，同时E2地震分析时，非线性工作阶段，考虑桥墩墩底可能开裂对截面刚度的影响。计算模型中上部结构和下部结构采用空间梁单元进行模拟，结构模型如图5所示。

图5 结构模型示意

(1)E1地震下墩柱强度验算。在E1地震作用下，桥墩截面和桩基截面要求其在地震作用下的截面弯矩应小于截面初始屈服弯矩My(考虑轴力)。由于My为截面最外层钢筋首次屈服时对应的初始屈服弯矩，因此当地震反应弯矩小于初始屈服弯矩时，整个截面保持弹性。研究表明：截面的裂缝宽度不会超过容许值，结构基本无损伤，满足结构在弹性范围工作的性能目标。本文按以上规定进行计算。

在最不利轴力情况下，计算得截面纵向初始屈服弯矩为393 400 kN·m，截面横向初始屈服弯矩为419 700 kN·m；纵向最不利弯矩61 948.2 kN·m(小于430 300 kN·m)，横向最不利弯矩86 266.1 kN·m(小于419 700 kN·m)，主墩满足E1地震下桥墩截面基本无损伤、结构在弹性范围内工作这一性能目标。

(2)E2地震验算。E2地震分析时，非线性工作阶段考虑桥墩墩底可能开裂对截面刚度的影响。由于地震过程的持续时间比较短，地震后由于结构自重，地震过程开展的裂缝一般可以闭合，不影响使用，满足E2地震作用下局部可发生可修复的损伤，地震发生后，基本不影响车辆通行的性能目标要求。

验算结果表明，E2地震3号桥墩截面纵向等效屈服弯矩为483 500 kN·m，截面横向等效屈服弯矩为540 300 kN·m；纵向最不利弯矩126 132.11 kN·m(小于483 500 kN·m)，横向最不利弯矩157 841.2 kN·m(小于540 300 kN·m)，E2地震桥墩纵横弯矩响应值均小于截面等效屈服弯矩。地震后，由于结构自重，地震过程开展的裂缝一般可以闭合，不影响使用，满足E2地震作用下局部可发生可修复的损伤，地震发生后，基本不影响车辆通行的性能目标要求。

百米级超高空心薄壁墩若满足截面宽厚比在30以内，即薄壁局部稳定不控制截面设计，只要高墩结构的动静力受力同时满足要求，则可以取消空心薄壁墩的横隔板设置。但这对施工的质量要求则更加严苛，高墩竖直度、混凝土质量控制等应予以加强，以确保符合设计要求。

2.4 钢主梁顶推受力特性分析

2.4.1 顶推施工工艺概述

随着顶推工艺的不断完善和发展，顶推的方式也呈现出多样化。从用千斤顶直接顶推梁体到只用水平千斤顶并通过拉(杆)索拖拉梁体；从单点集中顶推到多点分散顶推；从间歇式顶推到连续顶推。目前国内桥梁施工比较常用的顶推工艺是拖拉式多点连续顶推法(以下简称“拖拉法”)，拖拉法通过张拉设置，在各临时墩上的连续千斤顶牵拉钢绞线，拖动梁段在临时支墩顶设置的滑道上滑移，牵引梁体安装就位。然而，采用该工艺将对墩身产生较大的水平推力，且横向限位装置等设置困难，效果很难保证[4]。

步履式顶推相对传统的拖拉式顶推有一定的优越性，对于一些跨线桥的梁体顶有着较高的适用性和安全性。整幅多点连续顶推法施工能够较好地控制临时墩的水平力；竖向调整方便快捷，可有效控制各支点反力；可采取措施满足结构受力局限性要求，确保梁体的整体结构性，且在顶推速度上有较高的提升空间；在控制系统上，虽表现得繁琐和庞大，但是对整个施工过程中的状态监控和数据记录，提供了安全保障；内部的数据为技术研究提供了有利的资料依据。

2.4.2 无临时墩长悬臂顶推可行性

由于桥处山区，地形高差大，在顶推台座前方设置小间距临时墩成本过高，钢导梁的设置受到顶推尾端直接接隧道的影响，同时考虑到本桥充分利用钢主梁，应尽量缩短临时钢导梁的使用。钢主梁用钢量为467.5 kg/m2，用钢量在钢箱梁中属于正常用量，大大地降低了临时墩、临时钢导梁等临时钢结构的使用，具有较佳的经济效应。

计算中考虑在不设置钢导梁的状况下，主梁钢结构的应力计算假设如下：施工阶段顶推钢结构时，若无安装导梁，钢结构的最大悬臂长度为70 m。因此考虑一联钢梁，并根据实际顶推过程计算不同悬臂长度下钢结构的受力状况，顶推示意如图6所示。

图6 顶推示意(单位：cm)

当悬臂段长度为69.08 m时，钢结构纵桥向最大压应力为-221.1 MPa，位于边支墩钢底板处；最大拉应力为204.3 MPa，位于边支墩钢顶板处。纵桥向应力云图见图7；竖向最大位移为-1 220.6 mm，竖向位移云图见图8。

由此可知，在无钢导梁的情况下，钢结构应力较大但在规范要求范围内，位移值较大，此时可以考虑设置较短临时钢导梁并考虑合理上墩方式，从而降低临时钢结构用量。

2.4.3 鼻梁过墩顶工艺

本项目钢-混组合梁最大跨径均为70 m，钢梁自重使钢鼻梁前端下挠，经过计算分析最大值将达122 cm，当鼻梁前端台阶(第一节)临近顶推设备时，顶起鼻梁，采取鼻梁过墩措施，待鼻梁平稳落顶就位于顶推设备上，然后再开始正式顶推。鼻梁临时起顶用的千斤顶采用100 t螺旋顶，因千斤顶行程较小而起顶高度可能较大，故在实施竖向起顶时需多次支垫和倒顶。鼻梁现场构造如图9所示。