钢混组合梁半整体桥设计与施工

黄育凡,江越胜,吴庆雄,林上顺

(1. 福州大学土木工程学院,福建 福州 350116； 2. 湖州市交通规划设计院,浙江 湖州 313000； 3. 福建工程学院土木工程学院,福建 福州 350118)

0 引言

随着我国钢产业的快速发展, 钢材种类和质量的不断提高,以及桥梁可持续发展的要求,交通运输部决定推进公路钢结构桥梁、钢-混凝土组合桥梁和无伸缩缝桥梁(简称无缝桥)建设,提升公路桥梁品质和耐久性,明确了我国今后桥梁建设的发展方向[1].

在欧美等发达国家,钢混组合结构桥梁已成为中小跨径桥梁的主导桥型,也在无缝桥中得到广泛的应用. 美国联邦公路局于2004年对美国无缝桥进行了大范围的调查,表明至少有40个州已建成无缝桥合计超过16 900座[2-3]. 欧洲也针对钢混组合梁无缝桥的经济性和耐久性开展了相关研究,并在研究报告中给出钢混组合梁无缝桥的设计规范[4]. 近几年,无缝桥在我国发展迅速,已有的研究主要关注温度作用、台后土特性、桩土共同作用和抗震性能等[5]. 邵旭东将无缝桥梁和无缝接线路面相结合,提出了新型全无缝桥梁体系[6]. 目前我国已建和在建的无缝桥共40座,已完成设计的无缝桥梁有17座,总数达到57座,且已建的无缝桥多以半整体混凝土桥为主.

钢混组合梁半整体桥由于采用了组合结构,使得主梁与桥台,主梁与墩上结构的连接构造,与混凝土半整体桥有所不同. 目前,有两份关于无缝桥的地方标准[7-8],对于钢混组合梁无缝桥的桥例和相关研究均未见,不利于钢混组合梁无缝桥在我国的发展与推广,亟待开展相关研究. 为此,本研究以抗震能力较好的钢混组合梁半整体桥为对象,在总结结构体系与构造形式的基础上,对国内钢混组合梁半整体桥的设计与施工进行介绍,丰富我国无缝桥的形式,为我国中小跨径钢混组合梁无缝桥的发展提供参考.

1 钢混组合梁半整体桥的结构体系与构造形式

1.1 结构体系

图1 半整体桥结构体系Fig.1 Structural system of semi-integral abutment bridges

两端引板末端范围内上部结构为连续结构、无伸缩装置的桥梁称为无伸缩缝桥梁,简称无缝桥[7]. 根据上部结构与下部结构的连接方式,无缝桥桥台可分为三类[9]： 上下部连成整体的整体式桥台、仅部分连成整体的半整体式桥台、上下部不连成整体的延伸桥面板桥台. 本研究介绍的半整体桥是采用仅部分连成整体的半整体式桥台的无缝桥. 如图1所示,半整体桥主要特点在于主梁下设支座或滑移层,使得桥台与主梁并没有完全连成整体. 国外钢混组合梁无缝桥多采用H型钢桩,我国基于经济性和工程习惯,多采用混凝土桩基. 半整体桥对桥台基础的柔度要求相对较低,可应用于刚度较大的混凝土桩. 因此半整体桥更适合在我国推广.

1.2 半整体式桥台的构造形式

半整体式桥台是上部分(端墙)与主梁刚接、下部分通过支座与上部结构连接的桥台. 半整体式桥台与整体式桥台的主要差别在于保留了支座,主梁与桥台间的弯矩得以释放,温度变化,收缩徐变等附加内力对结构影响小. 半整体式桥台刚度较整体式桥台小,桥台节点受力小,桥台节点开裂问题不明显,但其整体性能较整体桥低. 半整体式桥台主要有悬挂式和支承式两种形式[9].

如图2(a)所示的悬挂式半整体桥台,适用于伸缩量较大、总长较长的无缝桥. 悬挂式半整体桥台,设置的滑动支座,可以保证在温度作用下主梁产生的变形和轴力能通过引板(无缝桥的桥头搭板)向接线路面平顺传递. 端横梁跨越桥台,对防止落梁有利,在强震区推荐采用具有悬挂式半整体桥台的半整体桥.

图2 半整体式桥台结构体系Fig.2 Structural system of semi-integral abutments

如图2(b)所示的支承式半整体式桥台,适用于伸缩量较小、总长较短的无缝桥. 支承式半整体式桥台,当纵桥向变形量较大时可采用支座,当纵桥向变形量较小时也可采用滑移层. 由于不像悬挂式有下垂部分,台后土和水更容易流到支座,需要在台后设置盲沟排水以及设置密封防水条堵水.

半整体式桥台在端墙与桥台间隙中一般均填塞可压缩的泡沬类材料,起防水作用,又能适应主梁一定的变形.

1.3 钢混组合梁与桥台之间的连接构造

图3 钢混组合梁半整体桥台结构形式Fig.3 Structural system of composite bridges with semi-integral abutments

对于钢混组合梁半整体桥台,结构形式与常规混凝土半整体桥台相同,仅在主梁与桥台连接部分有所不同,多采用钢梁端部焊接端板和剪力钉的形式来与混凝土桥台相连[10],如图3所示. 国外目前对于钢混组合梁无缝桥的桥台形式,因采用钢桩较多,桥台变形性能较采用混凝土桩基的桥台更好,因此多采用整体式桥台,主要有两种结构形式： 1)钢梁直接和钢桩焊接,再外包混凝土桥台浇筑成一体； 2)在混凝土台帽上设置临时支座支撑钢梁或用螺栓连接钢梁和桩帽,最后浇筑混凝土将上部结构和桥台连成整体,成为整体式桥台.

1.4 其他构造形式

鉴于多跨钢混组合梁无缝桥,还存在墩上结构如何连接的问题. 对于钢混组合梁,墩梁连接方式可以采用支座连接和墩梁固接两种形式. 其中,墩梁固接可以采用钢筋混凝土结构的显性盖梁,也可以采用钢结构的刚性连接形式. 墩梁固接通常通过墩上位置的钢梁加劲肋上设置剪力钉,与桥墩通过混凝土现浇在一起,形成墩上连续构造,上部结构的力通过梁的端部剪力键,传给端隔梁(墩帽)后再传给桥墩[9],如图4(a)所示. 美国一些州为加强墩上位置结构的整体性,将桥面板纵向钢筋伸出并向下弯起,形成墩上盖梁位置钢筋骨架,并设置横向钢筋与其连接后,一体式浇筑成显性盖梁[11],如图4(b)所示. 还可采用桥面连续法,钢梁间采用横隔板连接代替栓钉连接,降低成本、加快施工进度[12],如图4(c)所示.

图4 钢混组合梁墩上结构的连接构造Fig.4 Connection between composite girders and pier top

与桩基和桥台或桥墩直接固接的整体桥相比,半整体桥对桩基变形能力的要求更低,可采用混凝土钻孔灌注桩. 半整体桥取消了桥台位置的伸缩缝,引板与桥梁结构可设置水平拉结筋或斜向拉结筋相连接,如图5所示,可防止引板在反复变形过程中与桥梁结构脱离,产生病害. 引板与桥面板间可用填塞软木条或锯缝形成变形缝,以避免负弯矩引起的不规则开裂. 采用沥青铺装层时,铺装层底面、变形缝处应设置阻裂隔离层,以防裂缝反射到铺装层中,在铺装层相应位置设置锯缝,防止不规则裂缝的出现.

图5 引板与桥台的连接方法Fig.5 Connection between approach slabs and abutments

2 我国首座钢混组合梁半整体桥的设计

2.1 总体设计

我国首座钢混组合梁半整体桥的跨径布置为9.65 m+10 m+9.65 m,含桥台的无缝桥桥梁总长为10.75 m+10 m+10.75 m=31.5 m,桥宽6 m,如图6所示. 设计荷载为公路-Ⅱ级.

图6 桥梁总体布置图(单位： m)Fig.6 General layout of bridge (unit: m)

图7 桥梁全景图Fig.7 Bridge panorama

桥址处属于杭嘉湖海湖相平原区,地势平坦,环境良好,土质多为粘土,适合采用混凝土桩基进行无缝桥的设计,因此,下部采用桩接盖梁式墩台,基础采用直径80 cm的钻孔灌注桩(单排2根桩).

上部结构采用耐候工字钢-混凝土板组成的组合梁,结构简支、桥面连续. 根据区域水文地质资料,桥址场地环境类型为Ⅱ类,地下水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性. 经多方讨论后,拟采用耐候钢混组合梁半整体桥的设计方案, 建成后的桥梁如图7所示. 由文献[13]可知,采用耐候钢最高可节省10%的建造成本,虽然耐候钢较普通钢材昂贵,但后期可节省涂装防护费用以及涂装层维护和更换费用,也省去了清理和喷漆时采用的某些避免污染和保护工人的防护措施. 较采用涂层防护的钢材而言,耐候钢桥梁结构的全寿命影响也显著降低.

2.2 钢混组合梁设计

如图8所示,上部主梁为Q235NH工字钢和整体现浇混凝土桥面板组成的组合梁. 混凝土桥面板宽6 m,厚0.25 m； 工字钢梁高0.588 m,型号为HM 588 mm×300 mm×12 mm/20 mm,横向布置5片,间距为1.2 m； 板外侧悬臂长度为0.6 m. 为加强组合梁间的横向联系,在支座处设置C40混凝土横隔梁,截面尺寸为588 mm×400 mm. 在各跨中设置钢结构横向连接,连接杆件采用双角钢L 50 mm×5 mm.

图8 主梁截面图(单位: mm)Fig.8 Cross sections of girder(unit: mm)

2.3 半整体桥台设计

如图9～10所示,采用半整体悬挂式桥台,取消传统桥台的台背与耳墙,主梁沿纵向延伸110 cm,在端部设置下挂端梁,端梁截面为888 mm×400 mm. 台后采用面板式引板,与组合梁混凝土桥面板通过纵向钢筋、现浇混凝土形成纵向连接. 其下浇筑气泡混合轻质土,在两者之间填充200 mm中粗砂和20 mm砂浆找平,以保证引板具一定滑动能力,适应桥梁纵向变形. 在收缩徐变、温度荷载作用下,台后引板与组合梁混凝土桥面板一起发生纵向变形.

图9 半整体桥台构造图 (单位: cm)Fig.9 Constructional details of semi-integral abutment(unit: cm)

图10 半整体桥台示意图 Fig.10 Semi-integral abutment

2.4 组合梁与桥台、桥墩之间的连接构造

钢梁采用ML15栓钉(规格： 22 mm×150 mm)连接件与混凝土桥面板连接,钢梁翼缘宽300 mm,栓钉横向双排布置,间距200 mm； 纵向间距根据主梁剪力进行设置,支座附近段栓钉纵向间距140～150 mm,跨中段栓钉纵向间距200 mm. 钢梁采用栓钉连接、贯穿钢筋的形式与混凝土横梁连接. 在钢梁侧面和翼缘底面分别焊接栓钉连接件,栓钉纵向间距145 mm,高度方向间距156 mm. 支座处和桥台处栓钉构造如图11所示. 墩上桥跨间采用桥面连续结构,桥墩上设置支座,主梁简支,相邻主梁间的桥面板通过纵向钢筋、现浇混凝土形成连续构造,取消伸缩缝与伸缩装置,如图12所示.

图11 栓钉连接构造图(单位: cm) Fig.11 Constructional details of shear studs(unit: cm)

图12 墩上结构示意图 Fig.12 Constructional details of shear studs

3 我国首座钢混组合梁半整体桥的施工

3.1 组合梁施工流程

组合梁的施工流程包括： a)架设Q235NH工字钢梁,安装临时支撑； b)焊接主梁横向连接和主梁侧面栓钉,浇筑支座横梁及半整体桥台挂梁； c)焊接钢梁上缘栓钉,以主梁作支撑搭设模板,待气泡混合轻质土浇筑完成,浇筑组合梁混凝土桥面板和台后引板混凝土； d)对桥面板作抛丸处理,浇筑护栏底座混凝土,涂刷改性乳化沥青防水粘结层,浇筑5 cm沥青混凝土铺装,安装桥面护栏等附属设施.

3.2 半整体桥台施工流程

如图13所示,半整体桥台施工流程包括： a)桥台前后填土,预填长度根据桥台锥坡坡脚距离桥梁起点处超填30 cm； b)待地基沉降稳定后开挖至桩顶标高,开挖宽度满足钻孔工作面要求,开挖后施工桩基； c)浇筑台帽； d)开挖桥台后路基,至泡沫混凝土底缘； e)浇筑台后气泡混合轻质土； f)填充20 cm中粗砂,并表面2 cm砂浆找平； g)浇筑台后搭板混凝土； h)施工桥面铺装和修筑锥坡.

图13 半整体桥台施工流程图Fig.13 Construction flow chart of abutment

钢混组合梁半整体桥工业化程度高,施工质量可控性好,结构形式简单,连续性好,易于装配化施工. 成桥监测表明,其纵向变形很小,可在中小跨径钢混组合梁无缝桥的建设中推广.

4 结论

1) 钢混组合梁多采用钢梁端部焊接端板和剪力钉的形式与桥台连接. 对于多跨钢混组合梁无缝桥,墩梁连接方式有支座连接和墩梁固接两种形式,墩梁固接可通过栓钉、显性盖梁或仅桥面连续的方式连接.

2) 设计了钢混组合梁半整体桥. 采用悬挂式桥台和混凝土桩,台后浇筑气泡混合轻质土. 上部结构采用耐候工字钢-混凝土板组成的组合梁,结构简支、桥面连续. 引板下设置中粗砂垫层,保证引板具有一定滑动能力,适应桥梁纵向变形,全桥取消伸缩缝与伸缩装置.

3) 半整体桥台的施工先填土至桩顶标高,待地基沉降稳定后进行钻孔灌注桩的施工,台后气泡混合轻质土在半整体桥台施工完成后浇筑,最后施工组合梁混凝土桥面板和引板.

我国目前尚无有关钢混组合梁无缝桥的技术规范,今后在推广组合梁无缝桥工程建设实践的同时,应不断总结归纳国内外成功的钢混组合梁无缝桥结构形式,编制相应技术标准,为钢混组合梁无缝桥的设计和应用提供技术支撑.