无支架施工曲线钢—混组合梁桥设计

孙凌岩

摘 要：北京市某曲线立交桥采用了钢-混组合梁结构，从桥式选择、结构设计、施工方法等几个方面进行介绍，并对其进行系统的结构计算分析。结果表明：钢混组合梁具有结构轻、跨度大、施工快捷且不中断交通等优点而广泛用于城市立交桥；另外无支架施工大大减少施工辅助结构及桥上施工作业量，从而显著改善工作条件，加快工程进度，现代桥梁施工中已普遍采用这种施工方法。

关键词：钢-混组合梁桥；无支架；曲线桥；设计

中图分类号：TU398.9 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0103-02

1 工程概况

本项目为太平庄北街上跨京藏高速公路设置的匝道桥，以半径为80m曲线由西向东依次跨越高速辅路、收费站出口、高速主路、收费站入口、高速辅路。受桥下京藏高速公路影响，中央分割带处桥墩斜交布置，桥墩中心线与桥梁中心线夹角为83.6°（右偏角），其余桥墩均正交布置。桥位平面布置见图1。

2 桥式选择

根据本项目特点及场地情况，桥墩墩位的设置避开既有路，并应满足道路的安全距离。结合混凝土和钢材的各自特点，从结构受力、景观效应、施工方法、工期、施工干扰等因素考虑，采用2联钢-混组合连续梁桥式方案，钢梁采用工厂预制，分段吊装，桥面板采用现浇施工方法，跨径布置（26.5+21+20）m+（23+22+22.5）m。

本桥平面位于半径80m圆曲线上，纵断面为双向3.5%纵坡，竖曲线半径为1600m。桥下道路净空要求：高速辅路及收费站≥4.5m；高速主路≥5.5m。

3 主要設计要点

3.1 上部结构

组合箱梁由带上翼板的预制开口钢箱梁和现浇混凝土桥面板通过抗剪连接件组合形成联合截面共同受力。组合后梁高1.5m（其中含桥面高度0.4m）。桥宽10m，横向由2片钢箱梁组成，中距5m。每片箱梁底宽2.5m，高1.1m，底板及翼板厚25mm，腹板厚20mm，均采用Q345qD钢板。为提高其整体稳定和局部稳定性，单个箱室内每隔4m设置一道横隔板，采用板式结构，每隔1m于腹板内侧设置一道竖向加劲肋。为使两个钢箱整体受力，钢箱之间利用横向联系进行连接，采用箱形结构，跨中均布设置两道，墩顶设置三道。

钢箱梁每联分3个制作段，全桥共6个钢梁制作段，最长梁段长31.5m，最大吊装重485kN，梁段之间均采用高强度螺栓连接。

混凝土桥面板厚0.3～0.4m，板全宽10m，悬臂1.25m，钢筋混凝土结构，采用现浇形式。为减少混凝土收缩徐变对结构的不利影响，采用C50微膨胀混凝土。此外，为增大墩顶钢箱梁局部刚度及稳定性，在支点横梁处箱梁内浇筑C50微膨胀混凝土，与桥面板形成整体。

3.2 下部结构

考虑区域景观一致性兼顾施工方便，本桥下部结构与区域统一。桥墩采用T形墩，预应力盖梁，桥墩中心线与桥梁中心线正交布置。盖梁采用矩形断面，长8.2m，宽1.7m、高1.6m（墩中心线处），墩柱外盖梁悬臂为变高矩形截面，悬臂净长2.85m。墩柱采用2.5m（横桥向）×1.2m（顺桥向）矩形倒圆角断面。墩柱下接矩形承台，承台尺寸为7.5m（横桥向）×3.0m（顺桥向）×2.0m（厚度）；承台下设2根直径1.8m钻孔灌注桩。

3.3 施工方案

为保证高速公路运营安全，以及钢结构本身特点，结合太平庄北街的施工周期要求紧迫，尽量小的影响交通，决定采用工厂加工，现场吊装架设的施工方法。受京藏高速公路影响及考虑不中断交通，采用无支架施工方法，利用吊装工字钢进行架设。施工步骤如下：

步骤一：现场施工下部结构；步骤二：分段制作钢箱梁各制作段；步骤三：现场架设钢箱梁各制作段成简支悬臂状态；步骤四：在拼接制作段上安装临时工字钢，吊装制作段并与悬臂状态制作段进行栓接，拆除工字钢；步骤五：连接箱间横梁，形成连续箱梁；步骤六：安装钢模板、绑扎混凝土板钢筋，同时浇筑各制作段混凝土桥面板；步骤七：进行桥面铺装等附属设施施工。

4 结构计算与分析

4.1 计算模型

依据《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917-2013）和《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》（JTG/T D64-01-2015）要求进行计算；混凝土顶板计算按照钢筋混凝土轴拉构件进行计算。内力采用《Midas Civil 2015》空间杆系有限元程序进行计算。模拟施工过程如下：CS1：施工下部结构，架设边跨钢箱梁成简支状态；CS2：安装临时工字钢，架设拼接段钢梁并栓接，形成连续箱梁，完成体系转换；CS3：浇筑桥面板混凝土；CS4：钢梁与混凝土桥面板联合受力；CS5：施工二期恒载（铺装和防撞护栏）；CS6：考虑365d收缩徐变。

4.2 施工阶段钢梁应力验算

组合梁施工时，钢梁下无临时支撑，混凝土板硬结前的材料重量和施工荷载效应全部由钢梁承担，钢梁与混凝土板结合之后，荷载效应由组合截面承担。在进行结构分析前，应仔细分析结构受力过程，充分考虑钢梁或者组合结构自身的受力特性来模拟结构的实际受力状态。经分析，桥面板混凝土浇筑后，未硬结前，此施工阶段钢梁受力最不利。

钢梁最大压应力64.7MPa，最大拉应力-79.6 MPa，均小于容许应力210MPa。满足规范要求。

4.3 使用阶段组合截面承载力验算

（1）抗弯承载力计算。当钢材力学性能及组合梁截面板件宽厚比满足塑性设计要求时，采用塑性设计方法计算抗弯承载力。不符合时，应采用弹性设计方法进行。用塑性设计方法计算截面承载力，其最终的极限状态可不考虑施工过程及徐变、收缩、温度作用的影响。采用弹性设计方法时，其应力的极限状态为继承应力，应计入这些作用的影响。本桥组合箱梁满足塑性设计要求，按照塑性设计方法的计算结果如表1。

由表1可知：钢混组合梁的抗弯承载力满足规范要求。

（2）抗剪承载力计算。在极限状态时，钢混组合梁的全部竖向剪力仅由钢梁腹板承担。当组合梁承受弯、剪共同作用时，组合梁抗剪承载力会随截面所承受弯矩的增加而减小，故采用最大折算应力的方法考虑组合梁弯、剪耦合作用。抗剪承载力计算可按照《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917-2013）中公式进行。经计算，本桥钢混组合梁的抗剪承载力满足规范要求。

4.4 使用阶段钢梁应力验算

使用阶段钢梁采用容许应力法，标准组合下钢梁最大压应力105.8MPa，最大拉应力-115.1MPa，均小于容许应力210MPa。满足规范要求。

4.5 使用阶段混凝土板裂缝宽度验算

负弯矩区组合梁混凝土板工作性能接近于混凝土轴心受拉构件，则负弯矩区组合梁混凝土板最大裂缝宽度按钢筋混凝土轴心受拉构件计算。依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）軸心受拉构件计算，采用短期效应组合，计算结果如表2。

由表2可知：混凝土板最大裂缝宽度均小于0.2mm，满足规范要求。

4.6 挠度计算

采用焊钉等柔性连接件的组合梁在混凝土板和钢梁界面将产生相对滑移，导致组合梁挠度增加，因此，计算组合梁正常使用极限状态下的挠度时，需对组合梁换算截面刚度进行折减。连续组合梁采用未开裂分析方法时，全桥均应采用考虑滑移效应的折减刚度；采用开裂分析方法时，中支座两侧0.15L范围内区段组合梁截面刚度应取开裂截面刚度，其余区段组合梁截面刚度可取考虑滑移效应的折减刚度。挠度的计算方法可按结构力学公式进行计算。

4.7 抗剪连接件设计

钢与混凝土组合结构的力学性能不仅受到两种材料各自材质的影响，而且与结合面的连接形式有较大关系。桥面混凝土板通过剪力焊钉与钢梁进行连接。抗剪连接件的计算，应以弯矩绝对值最大点及零弯矩点为界限，划分为若干个剪跨区，逐段进行。抗剪连接件可在对应的剪跨区段内均匀布置。当在此剪跨区段内有较大集中荷载作用时，应将连接件个数按剪力图面积比例分配后再各自均匀布置。同时，进行抗剪连接件设计时，连接件尺寸、布置应满足构造要求。

4.8 计算结论

根据以上计算，施工阶段及使用阶段钢混组合梁设计满足规范要求。

5 结语

（1）钢-混组合梁与钢箱梁相比，具有刚度大，噪音小，桥面耐久性、耐疲劳性能更好，造价上更加经济合理；与混凝土梁相比，其结构自重有很大减轻，梁高相对小，对桥下净空及下部结构设计更有利。

（2）采用无支架吊装施工，解决了可不设临时墩方可进行拼接。既借鉴其它同类桥梁部分成功经验，也有一定的大胆创新，为今后类似问题的解决提供参考。

参考文献

[1]GB 50917-2013，钢-混凝土组合桥梁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2013.

[2]JTG/T D64-01-2015，公路钢混组合桥梁设计与施工规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[3]JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[4]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

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