钢混混合连续梁桥总体方案设计

蒋逢炜，邓 达

(中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100048)

0 引言

大跨连续梁、连续刚构桥因受力明确、经济性好而广泛应用于国内桥梁工程中。但对于跨度小于200m，且桥梁高度受限的情况，传统梁式桥的优势就不再那么突出。国内有代表性的矮墩连续刚构桥-华南大桥[1]，主跨跨度190m，墩高仅为11m，在施工中需采取连续加卸载的方式改变主墩受力，费用高，施工繁琐，效果较差，运营期间桥墩有开裂的风险。采用连续梁桥，虽可避免主墩开裂，但使用条件有一定的限制。国内最大跨度的连续梁桥为崇启大桥[2]，主跨跨度185m，主梁采用纯钢箱梁。因大跨度钢箱梁悬拼技术发展滞后，崇启大桥施工采用大节段整跨吊装，该施工方法对河床宽度及平整度要求较高，不适宜常规内陆桥梁。国内最大跨度PC连续梁桥为乐自高速公路岷江特大桥[3]，主跨跨度180m，双向四车道。该桥上部结构自重较大，支座吨位达到70MN，常规支座已无法满足使用要求，需特殊定制，这给后期桥梁的管养带来较大困难。

本项目综合了矮墩、宽桥、大跨径及地形条件受限等四种不利因素，常规的PC连续梁、连续刚构或连续钢箱梁桥均无法直接应用。为解决该技术问题，在充分总结国内已建大跨径梁桥经验的基础上，从降低总体工程造价方面出发，提出了钢混混合连续梁桥方案，并将该方案应用于实际工程中，对同类工程具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工程背景

济宁至商丘高速公路嘉祥至金乡段工程是山东省高速公路网络“十四五”规划中青岛至商丘的重要路段，与规划的潍坊至邹城、邹城至济宁公路衔接，可形成贯穿胶东半岛、潍坊、济宁、商丘的重要运输通道。该项目的建设实施，完善了鲁南通道高速公路网，将成为山东东部地区与中原经济区南部地区连接的主要通道，对优化鲁南地区交通网络布局、提升综合运输服务能力和水平、提升济枣菏都市区融合发展起到积极的推动作用。

1.2 桥位

新万福河大桥位于山东省济宁市金乡县境内，是济商高速公路的重要组成部分。其主桥跨越新万福河，远期规划为Ⅱ级航道，因桥梁处于河流弯道上，且与上游船闸和汇流口距离较近，为保证通航安全，需采取一孔跨越通航水道的方式。考虑主墩构造尺寸及桥梁斜交角度，主跨跨度不得小于185m。

新万福河主河槽南北岸设有防洪大堤，堤顶道路规划宽度29m。北岸内侧堤脚到航道边线垂直距离50m，可布置主墩，有一定的调整余地；南岸内侧堤脚到航道边线垂直距离35m，可布置主墩，但位置唯一，无调整空间，项目平面布置如图1所示。

图1 新万福河大桥平面布置

桥址区地质覆盖层主要为新生界第四系粉质黏土、黏土、粉土及粉砂，覆盖层厚度较厚，地表以下80m范围内未见基岩，土体物理力学指标较差。

桥位处地貌单一，桥梁区域均为平原区，地势平坦，因此控制桥梁结构高度，可有效降低主桥纵断高度，缩短全桥长度，降低整体工程造价。项目主要技术标准见表1。

表1 项目主要技术标准

2 钢混混合连续梁桥方案可行性分析

2.1 方案的提出

该桥纵断高度较低，桥墩高度仅有7m，且桥梁宽度较宽，无法采用常规的PC连续刚构、连续梁桥，而受制于地形限制，也无法采用纯钢箱连续梁桥。因此，本方案吸收预应力混凝土和钢箱梁各自的优势，借鉴重庆石板坡复线长江大桥和温州瓯江大桥等桥梁的成功建设经验，提出了钢混混合连续梁桥方案。

2.2 桥跨组合协调，桥梁线形柔美

钢混混合连续梁桥跨中采用钢箱梁，长度一般为主跨跨径的0.4～0.5之间[6]。相比于PC主梁，混合梁支点负弯矩减小了1/3，主桥边中跨比由0.54～0.58减小到0.40～0.45，支点处梁高可由1/16～1/18减小到1/20～1/25。本方案跨径组合为80m+185m+80m，中跨75m采用钢箱梁，其余部位采用PC结构，截面为单箱单室直腹板，主梁按全预应力结构设计。相比于常规的PC连续梁桥，支点处梁高由11m减小到9.5m，边跨跨径由105m缩短至80m，有效降低了主桥纵断高度，缩短主桥长度及全桥长度，降低工程造价。

混凝土节段采用1.8次抛物线过渡，使结构线形平顺柔美，与周边环境协调融合。跨中采用3.5m高的等截面钢箱梁，梁高较矮，视觉效果通透，整体线条轻快简洁，形成了融于景而和于城的效果。桥梁效果、立面如图2和图3所示。

图2 钢混混合连续梁方案效果

图3 钢混混合连续梁方案立面

2.3 结构构造合理，安全储备高

与传统的PC连续梁桥相比，钢混混合连续梁因跨中区段采用了钢箱梁，结构自重更轻，截面抗弯、抗剪承载力及抗裂性能更加优异。主要计算结果见表2。

表2 主要计算结果

由表2可知，钢混混合连续梁桥中混凝土截面抗弯及抗剪承载力均满足规范要求，安全系数均为1.7，承载能力较大。跨中混凝土部位未出现拉应力，最小压应力为1.5MPa，满足全预应力构件的要求，预应力储备适中；跨中钢箱梁节段翼缘板及腹板应力均远小于钢材强度设计值，安全储备较大。

同时，钢混混合连续梁方案在设计荷载作用下支座反力仅为43 962kN，远小于同规模PC连续梁桥的支座反力，常规的JPZ-45MN盆式支座即可满足设计要求，后期养护及更换支座较为方便。

钢箱梁的使用减轻了跨中结构自重，可延缓因徐变和收缩导致的跨中下挠，但该问题仍需充分考虑。早期混合梁桥设计中通常采用体外预应力，如温州瓯江大桥，通过后期对预应力的补张拉改善梁体下挠；而近年来建成的混合梁桥也有个别不采用体外预应力钢束，如舟山鱼山大桥。因此在方案设计阶段，对是否设置体外预应力进行分析对比，得到位移及主梁应力对比(图4)。

图4 位移及主梁应力对比

由图4可知，采用体外预应力可有效缓解主梁后期下挠，增大成桥应力储备，并为后期预应力补张拉提供条件，因此方案一跨中采用体外预应力。

2.4 施工便利，工期安排紧凑

钢混混合连续梁桥预应力混凝土共13个节段，节段长度分别为3.0m、3.5m和4.0m三种类型，节段长度适中。跨中钢箱梁长度75m，重量 1 600t，采用整体吊装方法施工，施工速度快，可大大缩短工期。预应力混凝土节段采用常规的悬臂浇筑法施工，技术成熟可靠，施工安全度高。钢箱梁节段可在工厂分段制造拼装，运输至施工现场并焊接为整体大节段后，利用安装在悬臂端部的桥面吊机吊装合拢，最后张拉体外预应力钢束，完成主桥体系转换。该方案施工速度较快，钢箱梁加工制造可在工厂提前完成，不影响整体施工工期。运输方式灵活，可根据具体情况采用整体驳船运输，也可将钢箱梁临时分为小节段，运输至施工现场后焊接为整体大箱梁。吊装速度快，钢箱梁从就位到吊装仅需数h就可完成，对航道影响较小。

3 设计方案对比分析

根据该桥的桥跨需求，结合安全性、适用性、经济性及美观的要求，将钢混混合连续梁方案与PC矮塔斜拉桥方案进行对比分析。

3.1 PC矮塔斜拉桥方案设计

新万福河两岸地势平坦，主桥设计中若采用轻薄构件可降低纵断高度，缩短全桥长度，降低总体工程造价，因此方案二采用PC矮塔斜拉桥，跨径组合为105m+185m+105m，支撑体系为塔梁固结，塔墩分离，与漳州战备大桥相同。

该方案主梁采用斜腹板变截面，主墩处梁高度7.2m，跨中梁高3.2m，按A类预应力混凝土构件设计。相比于钢混混合连续梁方案，PC矮塔斜拉桥墩顶主梁高度减小了2.6m，引桥可缩短360m。

通过整体静力计算分析发现，PC矮塔斜拉桥抗弯和抗剪承载能力安全系数满足规范要求，但远小于钢混混合梁方案，同时混凝土正截面抗裂也仅能满足A类构件的要求，耐久性相对较差。主要的计算结果见表3。

表3 PC矮塔斜拉桥主要计算结果

桥位处地质情况较差，基础可提供的侧摩阻力和基底承载力较低。经计算，若地基不进行相应的加固，PC矮塔斜拉桥方案桩基长度将达到100m，增大施工难度，影响工程造价。同时，支座吨位较大，在设计荷载作用下支座反力达63 250kN，支座需特殊定制。PC矮塔斜拉桥效果、立面如图5和图6所示。

图5 PC矮塔斜拉桥效果

图6 PC矮塔斜拉桥立面

3.2 设计方案对比分析

根据上述两个桥型方案，从施工难度、技术特点、景观效果、后期养护、施工周期及经济性能等五方面对新万福河大桥主桥进行综合比较，见表4和表5。

表4 新万福河大桥技术方案对比

表5 新万福河大桥经济方案对比

由表4和表5可知，方案一主跨跨中采用75m钢箱梁，减小上部结构自重，支座吨位较小，后期养护费用及难度小。钢箱梁梁段可采用工厂加工，现场焊接吊装，施工周期较短，对航道影响较小。

3.3 设计方案的选取

通过对比分析可知：PC矮塔斜拉桥主跨跨径与钢混混合连续梁桥相同，边跨跨径增大50m，引桥缩短360m，两方案全桥总造价基本相同，经济性基本一致。但矮塔斜拉桥上部结构自重较大，支座需特殊设计制造，后期更换困难，养护费用高，同时桩基长度较长，施工难度较大，总体工期较长。由静力计算可知，两方案在满足构造要求及预应力指标前提下，钢混混合连续梁桥的抗弯、抗剪承载力安全系数均大于PC矮塔斜拉桥，且混凝土主梁预应力储备度更高，主梁耐久性更好。

经综合比较，新万福河大桥主桥采用钢混混合连续梁与PC矮塔斜拉桥两个方案总造价基本相当，钢混混合连续梁在后期维护、施工周期、施工便利性及总体受力性能方面更优，故本项目推荐采用主跨185m钢混混合连续梁。目前，钢混混合连续梁方案已通过初步设计评审，正在深化施工图设计，项目预计2022年开工建设。

4 结论

新万福河大桥地质、地形条件较为复杂，经济性要求较高。在充分考虑建设条件和桥位控制因素后，主桥创新性地采用了钢混混合连续梁方案。该方案与传统的PC梁桥方案相比，桥梁长度较短，避免了后期桥墩开裂和主梁下挠，维护方便。该桥有望于2024年建成通车，建成后将成为国内跨度最大的连续梁桥，并可为类似工程提供技术参考。