某立交两层交叉钢混凝土组合梁的设计计算

张 为

（北京市市政工程设计研究总院，北京 100082）

0 引言

钢混凝土组合梁的钢箱在工厂制造、运输至现场，再分段吊装、组装。混凝土桥面板在钢箱上临时设置的模板现场浇筑，可大幅度缩短现场施工周期，最大限度地减少对现状交通的干扰，在城市立交桥梁施工中得到了大量应用。随着城市路网建设的密集，现场管线、道路交通等施工条件越来越复杂，对于钢混凝土组合梁的设计施工提出了许多新的难题，尤其是双层交叉的钢混凝土组合梁设计施工难度均较大，如何以最短的工期、结构受力最合理的方式实现，本文提供了一种解决思路。

1 工程概况

某立交A匝道（A0#墩～A3#墩），B匝道(B4#墩～B5#墩)，C匝道(C10#墩～C14#墩，C14#墩～C16#墩)，共四联桥梁主梁结构形式采用钢混凝土组合连续梁，保证施工期间对桥下道路通行影响降低到最低程度。钢混凝土组合梁桥梁长度共342 m，桥梁面积共计3269 m2。其中C匝道(C14#墩～C16#墩)上跨B匝道(B4#墩～B5#墩)，B匝道(B4#墩～B5#墩)上跨已有道路。立交平面布置如图1所示。

2 桥梁设计

2.1 技术标准

（1）桥梁机动车道荷载标准：城-A级；验算荷载：公路-I级。

（2）桥梁设计基准期：100 a。

（3）公路桥涵设计安全等级：一级。

（4）道路性质：立交桥梁匝道，设计车速为40 km/h。

图1 立交平面布置图

（5）桥面施工及使用阶段按非线性温度梯度荷载进行计算，升温t1:14℃，t2:5.5℃；降温t1：-7℃，t2：-2.75℃。桥梁体系升温30℃，降温-30℃。

（6）设计基础纵向不均匀沉降5 mm。

（7）地震基本烈度：该拟建场地抗震设防烈度为Ⅶ度，地震动峰值基本加速度0.10 g。

（8）桥下净空：快速路净空不小于5.5 m；主干路净空不小于5.0 m。

（9）桥面宽度：A、C匝道 0.75 m+8 m+0.75 m，全宽9.5 m。B匝道0.75 m+8.5 m+0.75 m，全宽10.0 m。

2.2 结构设计

2.2.1 B匝道

B4#～B5#墩，位于匝道道路圆曲线（半径600 m）、缓和曲线段。桥梁位于道路纵坡为1.80%、-4.95%的竖曲线段，竖曲线半径R=2000 m，车行道宽8.50 m，桥梁全宽10.00 m。桥梁横向设单向2.00%横坡。

B4#～B5#墩主梁采用钢混凝土组合梁结构。梁高1.80 m，其中预制高度1.45 m，现浇桥面板厚0.28m～0.35m。桥梁中线处分孔为一孔简支40m。横向为单箱双室断面，箱室全宽10.00m，底板宽6.00 m，外悬臂2.00 m。钢箱底板水平，腹板高度不同，桥面横坡由腹板高度变化形成。其总体设计图见图2所示。共分3个制作段工厂预制，现场在各制作段接口处设临时墩，钢箱制作段现场吊装就位，高强螺栓栓接。

B4#墩、B5#墩墩顶设板式橡胶支座，其下设桩柱式构造。

2.2.2 C匝道

C10#～C14#墩、C14#～C16#墩，位于匝道道路缓和曲线、圆曲线段，桥梁中线处圆曲线半径R=100 m。桥梁位于道路纵坡为2.269%、-2.65%的竖曲线段，竖曲线半径R=3000m，车行道宽8.00m，桥梁全宽9.50 m。桥梁横向设单向2.00%～0.00%变化横坡。

C10#～C14#墩、C14#～C16#墩主梁采用钢混凝土组合梁结构。主梁梁高1.80 m，其中预制高度1.45 m，现浇桥面板厚0.28 m～0.35 m；C10#～C14#墩桥梁中线处分孔为27+37.85+28.15+34.5=127.5（m）。桥梁中线处分孔为 29.89+39=68.89（m）。两联主粱横向均为单箱双室断面，箱室全宽9.50 m，底板宽5.50 m，外悬臂2.00 m。钢箱底板水平，腹板高度不同，桥面横坡由腹板高度变化形成。其总体设计图见图3所示。共分9个制作段工厂预制，现场在各制作段接口处设临时墩，钢箱制作段现场吊装就位，高强螺栓栓接。

C10#墩、C14#墩、C16#墩墩顶设抗拉球型支座；C11#墩、C12#墩、C13#墩、C15#墩采用墩梁固接体系。由于受桥下管线限制，C15#墩采用独柱支撑，同时承台方向旋转避让管线。

2.3 附属工程设计

2.3.1 防腐涂装

钢梁部件表面除锈后的钢表面洁净度等级应达到《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB/T 8923-1988）标准规定的Sa2.5级，外观相当于该标准规定的ASa2.5、BSa2.5、CSa2.5。钢梁防腐涂装满足《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》（JT/T 722-2008）相关要求，钢箱梁内、外表面、墩柱外包钢板及外露钢板防护涂层有效使用寿命至少应达到20 a。

图2 B4#～B5#墩钢混凝土组合梁总体设计图

图3 C14#～C16#墩钢混凝土组合梁总体设计图

2.3.2 抗拉球型支座

C匝道边墩支座采用KLQZ-3000DX±100单向活动型拉压球型钢支座，此支座为纵向滑动支座，支座活动方向沿顺桥向安装。KLQZ-3000DX±100单向活动型拉压球型钢支座设计要求：承载力3000 kN，拉力600 kN，纵向活动。

2.4 计算分析

由于上下两层钢混凝土组合梁交叉处的临时支架平面位置基本重合，且下层B匝道的临时支架待C匝道施工完成后拆除，同时在临时支架位置，即制作段分段位置两侧钢箱内设置有横隔板，所以上层梁的临时支架反力通过下层梁的桥面板、横隔板再传递到下层临时支架，因此在下层钢混凝土组合梁的整体计算时可以不用考虑上层钢混凝土组合梁临时支架反力，下述计算重点介绍C14#～C16#墩钢混凝土组合梁。

计算采用北京市市政工程设计研究总院自主开发的桥梁有限元综合软件系统BRGFEP V3.0。

2.4.1 计算参数

2.4.1.1 温度

考虑全桥温差、主梁上下缘线形温差及非线性温差。虽然设计要求桥面板采用无收缩混凝土浇筑，理论上不存在混凝土的收缩，出于安全考虑，计算仍计入主梁上下缘线形温差以模拟混凝土的收缩徐变。其中升温组合：主梁上缘 40℃，下缘 30℃；降温组合：主梁上缘–35℃，下缘–30℃。

2.4.1.2 沉降

共 2组：C14#、C16#墩沉降 0.005 m；C15#墩沉降0.005 m。

2.4.1.3 钢材

钢箱采用q345q-C，钢材弹模Eg=21×104MPa，弹模比n=Eq/Eh=6.00，考虑桥面板剪力滞后影响，弹模比取为7。

2.4.1.4 边界条件

C15#墩按照墩梁固结模拟，墩柱为独柱圆柱，计算时根据惯性距和面积相等原则折算成矩形独柱。柱底按弹性支撑考虑。由桩计算程序pile程序得来：水平刚度＝403112 kN/m，竖向刚度＝3700000 kN/m，转动刚度＝19514339 kN/m（按刚性考虑）。

2.4.2 计算结论

2.4.2.1 上层混凝土桥面板（见图4）

施工阶段，截面上缘混凝土结构最大拉应力出现在第6阶段，10单元，-3.34/7=0.48 Mpa；最大压应力出现在第7阶段，30单元，12.18/7=1.74 MPa。

成桥运营阶段，截面上缘混凝土结构最大拉应力出现在荷载组合7（恒载+线性降温+非线性降温+强迫位移1+汽车），位置单元9，-5.31/7=-0.78MPa。

图4 短期效应荷载组合7混凝土桥面板应力图

2.4.2.2 下层钢箱（见图5）

施工阶段，截面下缘钢结构最大拉应力出现在第8阶段，45单元，-36.99 MPa；最大压应力出现在第8阶段，23单元，103.99 MPa。

成桥运营阶段，截面下缘钢结构最大压应力出现在荷载组合7，位置单元16150.1 MPa。

计算结果均满足规范要求。

临时支架反力分别为1936 kN（下层B匝道的临时支架位置上方）和2271 kN。

图5 持久状况荷载组合7钢箱应力图

3 施工方案

3.1 施工方案介绍

C匝道C14～C16号墩钢梁上跨B匝道B4～B5号墩钢混凝土组合梁，C匝道制作段DC8临时支撑需设置在B匝道桥面上。施工单位需安排好两个匝道钢梁施工顺序，B匝道下方设置的临时支撑应在C匝道桥面板混凝土浇筑完成、桥面板预应力张拉完成后拆除。其施工顺序见图6所示。

3.2 施工注意事项

（1）钢箱梁吊装前，必须首先完成两侧相邻现浇预应力混凝土箱梁，以确保全桥施工顺利进行。

图6 施工顺序图

（2）施工期间桥面严禁堆载超过桥梁设计荷载的重物，并严禁一侧施工荷载偏载过重。

（3）注意制作段吊装运输过程中，应正确使用专用吊具，严防钢梁发生扭转、翘曲和侧倾。在吊装就位时，应配合测量工作，注意梁体同步，轻吊轻放，支垫平稳，正确就位。

（4）保证临时支架的强度、刚度和施工空间，及其基础的可靠性。在主梁施工的全过程中不能变形或沉降。必要时应进行预压。与钢梁接触部位应能起顶和滑移。钢梁吊装必须确保吊装方案可行，位置准确，接口位置误差满足规范要求。各支点应保证施工安全，并考虑防止车辆撞击，施工方案请交通管理部门认可。施工过程中严密监视墩顶高程变化，并采取相应措施。

4 结语

（1）一座成功的钢混凝土组合梁设计要充分考虑施工阶段的影响，对于上下两层交叉设置的钢混凝土组合梁，需充分重视上下两层梁的临时支架的位置，避免上层梁的临时支架对下层梁产生不必要的附加施工荷载。

（2）鉴于临时支架反力较大，且为施工过程中重要的承载结构，建议采用刚度较大的焊接螺纹钢管配合型钢支架或者军用贝雷梁，同时注意支架预压及基础处理，并严格要求施工过程中桥面临时机具、材料堆放等的重量及偏载限制，避免施工过程中出现设计荷载工况外的意外。

该项目目前处于施工过程中，进展顺利。