快速施工钢盖梁方案在北京新机场高速公路工程中的应用

徐艳玲 李建龙

(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082；2.北京京投交通发展有限公司 100068)

引言

北京新机场高速公路工程是北京新机场外围配套“五纵两横”骨干交通项目的重要组成部分，该项目全长27.2km，双向八车道，设计速度为100km/h～ 120km/h，工程总投资 172.6 亿元。该项目建成后将有利于提升北京新机场服务水平，对于促进新机场临空经济区发展，完善京津冀区域综合交通运输体系，推动京津冀协同发展具有重要意义。

施工过程中，个别工点出现工期延误的情况，为保证项目如期完工，部分盖梁需在一周内完成施工。因此，一种可在桥位外预制，现场快速施工的盖梁设计方案急需提上日程。

1 快速施工盖梁方案比选

根据现场情况，在原盖梁设计方案的基础上提出下述三种快速施工盖梁方案，原盖梁断面见图1。

图1 桥梁横断面示意(单位：m)Fig.1 Bridge cross section diagram (unit：m)

方案一：整体吊装盖梁钢筋网架，现场浇筑混凝土的方案。

维持原盖梁设计方案，将存在高压线下操作危险的盖梁钢筋吊装及绑扎工序放在地面完成，待钢筋绑扎工序完成后，整体吊装盖梁钢筋网架至墩顶，随后支模浇筑盖梁混凝土，张拉盖梁预应力钢绞线。

该方案不改变盖梁的设计方案，保持全线统一的下部外形，景观效果好，无需增加工程投资。但是盖梁混凝土浇筑及第一批预应力钢束的张拉仍占用较多工期，完成盖梁施工需要20 天～25 天，无法满足一周工期的要求。

方案二：预制拼装混凝土盖梁方案。

盖梁维持原预应力混凝土结构，在桥位一旁的空地中预制盖梁并完成第一批盖梁预应力钢绞线的张拉工作，现场吊装整体预应力混凝土盖梁，施工设置在墩顶和盖梁中的连接构造，以保证盖梁与墩柱之间的连接，即可完工。参考目前国内已建成的工程[3-6]，连接件可选用预应力钢绞线、精轧螺纹钢筋或专用连接套筒等。该方案盖梁吊装重量约为162t，单个盖梁增加连接构造需增加工程投资约5 万元左右，吊装及连接构造施工工期约为10 天，基本满足工期要求。

这种预制预应力混凝土盖梁整体吊装的施工方法节约工期，作为快速施工工法的一种在我国南方地区已有一定程度的应用。考虑到北京为高抗震设防地区，墩梁固结处钢筋布置复杂，连接件设计及施工均存在一定的困难，根据目前搜集的资料，在高烈度地震区还没有应用的先例。

图2 预制混凝土盖梁吊装施工Fig.2 Lifting construction of prefabricated concrete cover beam

方案三：预制吊装钢盖梁方案。

修改原预应力混凝土盖梁为薄壁钢箱结构，工厂预制、现场吊装，参考连续钢箱梁的墩梁固结构造，在原墩柱的墩顶设置钢套箍，盖梁吊装就位后与墩顶钢套箍通过钢靴焊接成整体，并在墩顶浇筑混凝土，无需养生时间，即可吊装小箱梁。该方案维持原桩基、承台、墩柱的设计方案不变，盖梁外形与原混凝土结构基本一致。钢盖梁吊装重量约为40t，吊装及连接施工工期约2天～3 天，单个钢盖梁较原设计方案增加工程投资约25 万，该方案在增加工程投资有限的情况下，施工便捷，工期优势明显，遂决定在本工程中采用。

2 钢盖梁设计

盖梁设计为薄壁钢箱结构，顶板、底板宽2.0m，板厚 20mm，腹板高 1.0m～ 2.3m，厚20mm，顶、底板采用“一”字肋加劲，加劲肋高20cm，对应支座下方的加劲肋增高至40cm。横隔板对应支座布置，两支座间距3.09m，中间增设一道横隔板，间距约为1.5m，板厚16mm，横隔板内设置人孔，结构尺寸如图3、图4所示。

图3 钢盖梁立面布置(单位：cm)Fig.3 Vertical layout of steel cover beam (unit：cm)

考虑钢盖梁为薄壁钢箱结构，为研究各构件应力分布，避免出现应力集中现象和局部屈曲问题，采用MIDAS 桥梁结构分析程序建立空间板单元模型，对钢盖梁的受力状态进行全面分析计算。

图4 盖梁横断面(单位：cm)Fig.4 Cross section of steel cover beam (unit：cm)

计算荷载：上部结构为32.7m 跨径预制预应力混凝土小箱梁，活载为公路-Ⅰ级，按单向四车道计入，冲击系数按规范取用，温度荷载为升温 30℃，降温 35℃[5]。

2.1 钢结构整体应力分析

盖梁两支承墩柱间距4.4m，盖梁悬臂跨度6.6m，盖梁受力表现为负弯矩控制，盖梁沿梁高方向的上缘处于受拉状态，下缘处于受压状态。根据计算结果图5可以看到，盖梁最大拉应力发生在悬臂根部，顶板与腹板相交的角隅处，恒+活+温度荷载作用下拉应力峰值136MPa；最大压应力发生最外侧刚度过渡板和底板的折点处以及墩顶刚度过渡板的角点处，在恒+活+温度荷载作用下压应力峰值137MPa。这与薄壁钢箱盖梁顶、底板、腹板作为主传力构件的设计思路一致，说明钢结构应力满足使用需求并具有一定的安全储备，对墩梁固结区和刚度过渡板可进行优化设计。

图5 恒+活+温度荷载作用下盖梁应力云图(单位：N/mm2)Fig.5 Stress cloud chart of cover beam under constant+active+temperature load (unit：N/mm2)

2.2 墩顶刚度过渡区设计

墩顶刚度过渡区是薄壁钢箱构件和混凝土构件之间的连接，需保证各种荷载传递顺畅，同时避免产生应力集中现象。

考虑墩顶区域盖梁底板是压应力集中区域，在底板折点处和墩梁固结区之间设置三角形刚度过渡板，根据计算结果图6可以看到，在盖梁全宽的2.0m 范围，靠近两侧腹板的刚度过渡板受力较大，底板折点处应力峰值达到121MPa，而位于盖梁中部的刚度过渡板应力较小，应力水平在70MPa 左右，这是由于腹板仍是盖梁的主传力钢板，轴向荷载在底板上还是沿两道腹板分布，位于盖梁中间的加劲钢板在受力上贡献不大，还会增加结构自重和加工难度，据此对刚度过渡板进行优化。删除盖梁中间位置的底板加劲板，仅保留腹板外1.0m 范围内的三角形刚度过渡板。根据计算结果可以看到，优化后的结构受力状态与前述分析结果一致，靠近腹板侧的加劲板在底板折点处应力峰值从121MPa 增大至123MPa，基本没变，盖梁中间区域底板由于取消了加劲板，底板折点处应力峰值达到123MPa，在可接受范围。

图6 刚度过渡区应力云图(单位：kN/m2)Fig.6 Stress cloud chart of stiffness transition zone(unit：kN/m2)

2.3 墩梁固结区设计

墩梁固结区域是整个盖梁上、下部荷载传递的核心，也是受力集中的区域，如何保证钢结构和混凝土结构呈一体化受力，是墩梁固结区设计的难点。以往的工程中有将墩柱钢筋深入盖梁，在盖梁内浇筑墩顶混凝土的做法，这种做法将墩梁固结区打造成外包钢板的钢筋混凝土结构，充分保证了固结区的刚度，以提升结构的整体刚度。但是盖梁底板需要开设钢筋孔，北京地区地处抗震设防8 度区，墩柱钢筋较密，盖梁底板的大量开孔一方面会削弱盖梁底板的承载性能，同时增加钢板吊装时的对孔困难。

本次设计墩柱钢筋在墩顶截断，混凝土墩柱和薄壁钢箱盖梁通过在墩顶设置的钢靴实现固结。钢靴设计为20mm 厚的梯形钢板，与盖梁底板焊缝长50cm，与墩顶钢套箍之间焊缝长70cm，间距30cm 沿墩柱周圈布置，单个钢靴可提供拉力 250t，一侧墩柱设置 5 道，共计1250t，满足盖梁墩梁固结构造在地震荷载作用下的需求。

根据实体模型计算结果图7所示，墩顶不浇筑混凝土时，刚度过渡板出现应力集中情况，在恒+活组合下钢板应力峰值达到162MPa，当墩顶浇筑混凝土后，刚度过渡板不再出现应力集中，整个钢板的应力水平在70MPa 左右；同时，分析发现对未浇筑墩顶混凝土的钢盖梁，在恒+活荷载作用下，盖梁悬臂端部变形17.3mm，浇筑墩顶混凝土后，盖梁端部变形减小至15.4mm，见图8。因此，墩顶区域浇筑混凝土对改善结构受力性能，提升盖梁的承载能力和刚度均有贡献[6]，本次设计钢盖梁在墩梁固结区虽然做了钢与混凝土结构分离的方案，在墩顶区域仍保留混凝土，施工时待盖梁安装后即可开展预制小箱梁的吊装工作，同期开展盖梁墩顶区域混凝土的浇筑，不预留养生时间，节约工期。

2.4 结构变形分析

如图9所示，盖梁悬臂端部在恒载作用下最大下挠9.0mm，活载作用下最大下挠6.5mm，相比较原预应力混凝土盖梁，活载单项作用下，盖梁悬臂端部最大下挠1.33m，变形却有明显增大，满足《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)中对梁的悬臂端部竖向挠度限值L/300 =5800/300=19.3mm 的要求[7]。

2.5 钢结构屈曲分析

在屈曲分析中，将上部结构荷载作为可变荷载，将恒载作为不变荷载，进行静力弹性屈曲分析。

图7 刚度过渡板应力云图(单位：kN/m2)Fig.7 Stress cloud chart of stiffness transition plate (unit：kN/m2)

图8 盖梁位移等值线图(单位：m)Fig.8 Displacement contour map of cover beam (unit：m)

图9 盖梁变形(单位：m)Fig.9 Displacement contour map of cover beam (unit：m)

一阶失稳模态表现为支座下横隔板的面外弯曲失稳，稳定安全系数为6.8，二阶失稳模态表现为底板的面外弯曲失稳，稳定安全系数为9.5，如图10所示。查看随后20 阶的失稳模态，稳定安全系数到17，均表现为横隔板和底板的局部失稳情况，结构整体未发生失稳，结构最小稳定安全系数6.8 ＞2.5[7]，满足使用需求。

图10 失稳模态Fig.10 Instability mode

3 结语

本工程钢盖梁吊装重量仅40t，在施工现场采用两台普通吊车即可完成安装，墩柱钢筋无需伸入盖梁的做法，使得钢盖梁的吊装施工更加便捷，据施工单位反馈，仅使用两天即完成盖梁的安装工作，并在多处工点推广。目前，新机场高速公路工程全线已完成施工，钢盖梁工作状态良好。

本工程设计钢盖梁具有自重轻、施工便捷等优点，在增加工程投资有限的前提下，大大节约工期，保证北京新机场高速公路工程如期完工，具有推广意义，可为今后同类工程实践提供参考。