钢-混组合桥梁在城市快改项目中的应用

李凌霄

(中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

0 引 言

近年来，随着我国社会经济的持续发展，国内城市化发展不断深入，城市人口不断增加，城市道路的交通压力也在不断地增长，这严重制约着城市的进一步发展。目前国内很多城市的交通设施用地范围有限，将原有城市道路改造为快速路将有效地缓解城区交通压力，对提升城市通行效率具有重大意义[1]。

城市快速化改造项目中涉及较多的路网交叉节点的改造，节点改造主要有三种方式，即地平式、桥梁上跨式和隧道下穿式；三种方式中，桥梁上跨方案的交通通行能力较强，而造价又比隧道下穿式节约较多，且施工较为迅速。更为重要的是，桥梁上跨方案对工程建设条件的适应性比隧道式更强，对已有建筑及市政管线的改造相对较小。基于这些原因，桥梁上跨式方案在这类快速化改造工程中得到了十分广泛采用[2]。

对于这类快改项目节点桥梁工程，因其特有的建设条件、投资运营模式以及城市发展的需求，其设计施工均有其特殊要求；而钢-混组合桥梁作为近年来发展最为迅速的桥梁结构形式[3]，其对于这类项目有它独特的优势，有必要对这类桥梁项目的设计施工进行一定的总结分析。

1 快改项目桥梁工程特征

1.1 建设用地有限，应尽量控制桥梁规模

快改项目桥梁工程一般在现有城市道路用地上开展，用地珍贵，许多项目在道路红线范围内已建设有道路、桥梁、地铁、地下人行通道、市政管网等构筑物，留给快速化改造的建设空间十分有限。而对于很多新兴城市，也需要为将来的建设空间进行预留。因此，快改项目的桥梁工程均应尽可能控制桥梁规模，争取以最小的空间代价获得最好的通行能力。另外，城市快改工程属于政府的民生工程，由国家投资，建设者们更应用好每一分钱，所以快改项目桥梁工程应严格控制成本造价，杜绝浪费。

1.2 现场交通流量大，保通要求高

快改项目一般位于城市人口密集区域，交通繁忙，通行能力的损失和交通流的中断对于城市的运转以及民众的生活都有很大的影响；特别是我国一些经济发达地区，中断一天交通所带来的经济损失可能已超过修建桥梁的成本。因此，城市繁华地段的快改工程建设需要尽可能地保证桥下及周边道路交通流通畅。这就对快改项目桥梁工程的施工期交通组织设计提出了很高的要求。

1.3 建设周期短，工期紧张

快改项目桥梁工程的施工流程较常规公路桥梁更为复杂，需要进行原有道路的破除及恢复，桥梁下部结构也跟常规结构有所区别。而施工过程中不可避免地会对城市道路及周边城市环境有所影响。如何实现快速化施工是这类桥梁设计工作应该重点考虑的问题。

1.4 施工条件苛刻，施工方案需要因地制宜

当下，我国的城镇化发展取得了较大的成就，城市的地上地下空间开发也越来越充盈。因此，快改项目的现场建设条件一般都较为复杂。现有的房屋建筑、市政管网、电力通信设备、地铁、市政人行通道、文化古迹等都会对我们的桥梁工程建设造成一定的约束作用。不仅如此，在施工过程中，我还应充分考虑节能环保等方面的要求，不仅要建设高质量工程，还应当高质量建设工程。这就对我们的结构方案和与之配套的施工方案提出了更高的要求，基于这些要求，快改桥梁方案必须充分考虑，尽可能地与施工现场的环境条件相适应。

2 钢-混组合梁的应用优势

2.1 材料利用率高，结构性价比高

钢-混组合梁的受力模式能充分发挥钢结构受拉，混凝土受压的材料优势，弥补各自的劣势。因此，钢-混组合梁的承载力及刚度将大大优于单一材料结构。由于材料性能的充分利用，钢-混组合梁相比于传统钢箱梁，其造价降低30%～50%[4]，其截面刚度提升20%～40%。而相比于混凝土结构桥梁，钢-混组合梁梁高将降低20%～30%，能有效地缩减桥梁规模，且景观性更佳，更符合城市桥梁特征需要。

2.2 钢梁分片设计

组合梁钢结构横断面形式主要分为工字形钢梁和槽形钢梁两类，而通过调整钢梁根数、间距和槽形梁宽度，可以自由调整钢主梁的分片设计[5]。此种设计的主要优势是可以适应各种形式的施工条件，不同的分片设计将对应不同的钢结构制作分块和吊装分块。相比于钢箱梁结构，组合梁的钢结构形式更加丰富，其施工方案要更加灵活多变，适应性更强。

2.3 桥面板形式多样

钢-混组合梁的桥面板设计同样是灵活多变。根据桥面板的预制分块和现浇方案，可以设计出多种多样的桥面板实现方案，不同的方案则将需要搭配不同的施工方案，包括吊装、钢筋绑扎、现场浇筑以及可能需要的支架及模板[6]。而这些施工方案又将影响施工期间的交通组织和工期。因此，可以根据项目现场的施工条件和交通组织要求，调整桥面板的实现方案，实现更为便捷的施工建设。

2.4 工业化建造

通过对钢-混组合梁结构进行装配化设计，其主要的钢结构及桥面板构件均可进行异地工厂生产、现场组装。装配化设计将大大减少现场作业的工作量，有利于缩短现场施工工期，减少施工期对现场的影响[7-8]。同时，将工厂生产的钢结构及桥面板预制构件进行标准化设计，使其能适应多种项目需求，实现桥梁的工业化生产，这又将进一步降低建设成本、缩短建设周期，提高工程质量。

3 工程应用案例

3.1 工程概括

长沙市芙蓉大道快速化改造工程是长株潭一体化“三干两轨”项目之一，项目全长26.2 km。其中长沙段14.5 km，湘潭段12 km。芙蓉大道快速化改造(湘潭段)工程项目起点位于长潭交界处，北接长沙芙蓉大道快改(长沙段)工程，沿原芙蓉大道由北往南依次经过京深线、昭云大道、晴岚路、金南街、昭信路、沪昆高速、红易路、昭华路、新湖路、金湖路、商城路，团山路、团竹路，南达湘潭北二环。该项目按照一级公路标准设计，兼顾城市道路功能，总投资92 738万元。

芙蓉大道快速化改造(湘潭段)工程桥梁工程包含5座主线上跨桥和13座人行天桥，本项目在K21+850位置跨越运营中的沪昆高速主线桥梁，此节点桥梁采用(35.1+60+35.1)m钢-混凝土组合梁结构跨越，如图1所示。本桥是湘潭段中跨度最大、难度最高的节点桥梁工程。本文以该联钢-混组合梁桥的设计施工为例，介绍其工程应用方案与经验。

图1 跨沪昆节点桥梁立面图(单位：mm)

跨沪昆-红易路跨线桥设计双向四车道，桥面总宽20.5 m，全桥共长317 m。现有沪昆高速桥梁在交叉节点位置为双向4车道，分幅设计，总宽为28 m，交叉角度为66°，两侧各预留9 m高速拓宽空间，跨线桥梁跨径采用60 m。整联钢-混组合梁位于圆曲线上，圆曲线半径R=660.5 m。

3.2 结构设计

上跨沪昆高速-红易路跨线桥第四联采用(35.1+60+35.1)m钢箱组合梁，箱体以路线中心为轴，单向3%横坡，整联组合梁位于圆曲线上，钢-混组合梁主梁采用“槽型钢箱梁+预制混凝土桥面板”组合结构。桥梁采用整幅设计，全宽20.5 m，组合梁全高280 cm，高跨比为1/21.4。钢梁高240 cm，桥面板高25 cm，在工字钢梁处增设腋脚至40 cm，如图2所示。

图2 主梁结构标注断面图(单位：mm)

钢梁设计采用五片槽型钢箱梁，槽型钢箱梁主要由上翼缘板、腹板、腹板横向加劲肋、腹板纵向加劲肋、底板、底板纵向加劲肋、横隔板、横向联系等组成。单片钢箱梁槽宽2.1 m，槽间间距2.0 m，两侧悬臂长1.0 m。钢梁分片方案主要考虑：①桥跨跨度60 m较大，且位于曲线段，横向抗扭刚度要求较高，因此单片钢梁采用钢箱梁方案；②考虑吊装施工难度及对桥下交通影响，钢梁片数不宜过多，但吊重又不宜过大，因此分片方案需要兼顾考虑；③考虑桥梁位于曲线段，钢箱梁箱间间距不宜过大，箱间设置小横梁，提高横向刚度。

钢梁纵桥向分片主要受沪昆高速现有桥梁宽度控制，需要一跨跨越。在满足此条件基础上，应尽可能缩短纵向分片，降低吊重及吊臂长，根据现场条件，在沪昆高速桥梁两侧设置临时支墩，钢梁纵向节段为跨越沪昆高速的中跨位置，最大节段长为34 m，节段钢梁最大吊重为60 t。

桥面板方案中，横桥向全宽设置两片预制混凝土桥面板，单片横桥向长9.95 m，纵桥向桥面板宽度为3 m，预制板之间设置现浇湿接缝，横桥向湿接缝宽60 cm，纵桥向湿接缝宽50 cm。桥面板方案主要考虑：①考虑运输、保存及吊重要求，桥面板宽度设计为3 m，便于汽车运输；②桥面板长9.95 m一方面保证吊重不会太大，另一方面可以使得横桥向的现浇纵缝只有一道，有利于减少现场施工作业量；③本桥位于跨高速现有桥梁区段，该桥面板方案能尽量减少现场作业量，加快施工进度。

3.3 结构计算

3.3.1 计算模型

(35.1+60+35.1) m钢箱组合梁，箱体以路线中心为轴，单向3%横坡，整联组合梁位于圆曲线上，圆曲线半径R=660.5 m。利用MIDAS Civil大型通用有限元程序建立考虑施工过程的曲线梁梁格模型，如图3所示。

图3 计算模型图

假定负弯矩区混凝土不开裂，混凝土作为钢梁上翼缘与钢梁一起承担荷载，建立不开裂的梁格模型，该模型用于判断混凝土是否开裂、计算剪力件数量。

考虑负弯矩区混凝土开裂退出工作，根据《公路钢结构桥梁设计规范》第11.3.2条，考虑中支点左右15%跨径的混凝土退出工作，仅考虑有效截面内的钢筋作用。开裂模型用于钢梁强度计算、钢筋应力计算、裂缝宽度计算、挠度计算、疲劳计算等[9]。

3.3.2 结构变形验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》4.2.3条规定，对于简支或者连续梁，主梁挠度不应超过L/500[9]。主梁挠度采用有限元方法计算，车辆荷载应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。

根据计算结果，全联主梁挠度最大位置为最外侧箱梁跨中位置，该位置汽车荷载挠度绝对值为5.1+25.2=30.3 mm小于L/500=60 000/500=120 mm，满足规范要求。

3.3.3 钢结构验算

采用开裂模型计算，根据桥梁施工工序，在计算中定义施工阶段如下：

(1) 架设临时支撑，架设钢结构；

(2) 钢结构拼装，钢梁连续；

(3) 中跨段预制混凝土桥面板，浇筑中跨段桥面板群钉及湿接缝；

(4) 吊装边跨段预制混凝土桥面板，浇筑边跨段桥面板群钉及湿接缝；

(5) 拆除临时支撑；

(6) 吊装墩顶负弯矩区段预制混凝土桥面板，浇筑负弯矩区段桥面板群钉及湿接缝；

(7) 安装护栏，铺设二期恒载，安装附属设施；

(8) 收缩徐变10年最终成桥。

各施工阶段及运营期钢主梁计算结果见表1。

表1 钢结构应力验算结果表

从钢梁结果中可以看出，施工各阶段钢梁应力水平及挠度均满足规范要求，基本组合作用下钢梁上翼缘最大应力为222.3 MPa，下翼缘最大应力为215.2 MPa，均满足规范要求[10]。

3.3.4 混凝土桥面板验算

采用不开裂模型计算得到混凝土桥面板有限元计算结果，其中基本组合下混凝土板最大压应力为18.9 MPa，小于22.4 MPa，满足要求。中支点位置最大拉应力9 MPa，远大于1.83 MPa，不满足要求，需进行裂缝验算。混凝土板的最大裂缝宽度按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第6.4.3条计算；该桥纵向钢筋采用HRB400钢筋，横向间距12 cm，在正弯矩区采用顶层+底层的两层钢筋布置方案，在负弯矩区采用顶层+底层的两层直径28 mm钢筋布置方案。验算得到最大裂缝宽度为0.12 mm，小于规范要求的0.2 mm，满足规范要求[11]。

3.4 施工要点

本项目钢-混组合桥梁的主要施工步骤为：

(1) 现浇施工桥梁下部结构。

(2) 钢主梁及预制桥面板在工厂预制好后由汽车运输到施工现场。

(3) 搭设临时墩及高速防护棚，吊装设备进场并安装到位。

(4) 钢梁吊装。

(5) 全联钢梁吊装完成后拼接钢横梁并焊接钢主梁节段缝。

(6) 吊装中跨预制桥面板并浇筑现浇层。

(7) 吊装边跨预制桥面板并浇筑现浇层。

(8) 吊装墩顶负弯矩区预制混凝土桥面板，浇筑负弯矩区段桥面板群钉及湿接缝。

(9) 安装护栏，铺设二期恒载，安装附属设施，全桥竣工。

整个施工过程中最为复杂的部分为跨沪昆桥节段钢梁吊装施工，由于是桥上架梁作业，吊装机械需布置在现状桥梁两侧，考虑吊机位置固定，一次性吊装完成跨沪昆桥梁五片钢梁吊装。因此，所需要的吊臂长度较长，最大吊臂长度30 m，单个节段梁最大吊重60 t，采用500 t履带吊设备，保证了吊装施工过程的安全性。

本项目钢-混组合梁结构设计过程中已充分考虑吊装施工及保通设计，每片钢梁吊装过程包括喂梁、配重、吊装，施工时间不超过2 h，每片梁在现状桥上的吊装作业时间约15 min，如图4所示。跨沪昆共计5片节段钢梁，整个跨沪昆节段钢梁的吊装时间不超过1 d。

图4 钢主梁吊装现场

4 结束语

城市快速化改造项目桥梁工程有建设条件复杂、保通要求高、施工期社会影响大等特点，钢-混组合桥梁作为目前较为先进的结构形式，具有材料利用率高、经济适用、结构设计施工灵活多样，能适用各种建设条件等特点，十分符合城市快改桥梁的工程特点。本文详细总结了这一类桥梁结构的设计施工需求与特点，并以长沙市芙蓉大道快速化改造工程为案例，具体阐述了这类桥梁工程的设计施工方案与经验，为同类项目的设计施工提供参考。