一种超矮钢-UHPC轻型组合式梁桥设计

顾进友，董桔灿

（1、广东省冶金建筑设计研究院有限公司 广州510080；2、深圳市市政设计研究院有限公司 深圳518029）

0 引言

实际项目在设计过程中，由于地理、施工环境等自然条件限制，传统的混凝土桥梁梁高无法满足设计要求，因此要采用超薄梁式桥，要求刚度及强度满足条件的基础上，减轻结构自重，增强跨越能力。超高性能混凝土（UHPC）是一种纤维增强水泥基复合材料［1］，其抗压强度超过150 MPa，轴拉强度超过7 MPa［2］。可以大大减轻桥梁结构自重、增大桥梁的跨越能力。而UHPC桥面板与I字梁结合的结构形式，可以进一步减轻结构自重，增大桥梁的跨越能力，减小梁的高度。因此本文结合实际项目提出了一种超矮钢-UHPC轻型组合梁（见图1）。

图1 钢-UHPC轻型组合梁效果Fig.1 Sketch of Steel-UHPC Light Composite Girder

组合梁构造如图2所示，其中组合梁顶板采用UHPC，桥面板通过剪力钉与钢I字梁连接，2片钢I字梁间隔一段距离用横隔板连接，构造简洁，预制安装方便。

图2 组合梁构造Fig.2 The Structured Graph of Composite Girder

国外对UHPC的研究起步较早，成功的工程运用实例也相对较多，国内对UHPC的研究较晚，但发展迅速，出现了不少性能良好的UHPC桥梁［3-5］。跨度为20 m的低高度预应力UHPCT梁成功运用于我国迁曹铁路滦柏干渠大桥，其梁高仅为1 350 mm［6］。梁高为2 150 mm的预应力UHPCT梁亦成功运用到跨度为24 m和32 m冀港铁路［7］。

UHPC的优越性已在工程界得到广泛的认可［8］，但UHPC桥面板与钢组合梁的应用仍处于早期应用阶段，特别是超矮梁式桥。本文对比了钢箱梁、钢-混凝土组合式简支工字梁、预应力UHPC（工字）梁及钢-UHPC轻型组合式梁桥的适用性，并就一种超矮钢-UHPC轻型组合式梁桥的总体布置、上部结构设计及桥台设计等进行了介绍。

1 项目概况

本项目桥梁跨越磨碟沙涌，磨碟沙涌东起中大农场，西止肉联厂，东西向横贯磨碟沙，全长1.5 km，桥梁规划位置如图3所示。根据海珠区住房和建设水务局关于对琶洲西区（互联网创新集聚区）周边道路工程涉及磨碟沙涌建设意见的复函及会议纪要，河涌规划宽度为22.6 m，并要求河涌规划线范围中心线左右3.0 m范围内梁底标高大于7.85 m（广州城建高程），同时保证河涌规划线范围内梁底标高大于7.3 m（广州城建高程）。

图3 桥梁位置Fig.3 Bridge Location

周边环境现状如图4所示，根据河涌宽度以及桥梁实际地理位置，由于不能在河涌立墩，采用25.6 m跨径。为满足规划标高和水务局规定的梁底标高，并且该桥位于平交口，不宜采用拱桥、桁架桥等影响行车视距的桥型。目前周边地块已在建，地块标高没有调整空间，并要求桥梁结构整体高度（梁高+铺装）需不大于0.7 m，因此，尽量采用较低梁高的梁式桥型。

图4 周边环境现状Fig.4 The Surrounding Environment

2 方案比选

桥梁的轴线尽量与河涌水流方向垂直，为减少水中搭设支架，上部结构力求采用预制结构，同时，尽量采用一跨过涌以减少水中支墩设施。上部结构形式的选择要优先考虑其适用性，可实施性，在此基础上注重美观性经济性结合。本项目上部结构首选预制拼装结构，其中钢结构桥梁抗拉、抗压强度高；自重轻，跨越能力强。混凝土桥梁抗压强度高抗拉低；自重大，搭配预应力跨越能力强。钢混组合梁钢材抗拉和混凝土抗压性能结合；自重适中跨越能力强。多梁钢板组合梁、钢结构桥梁是符合本项目需求的结构形式。

4种桥型方案如表1所示。桥梁总高度最小桥型是钢-UHPC轻型组合梁，具有梁高矮、结构自重较小、耐久性高、后期养护费用少等优点。如采用方案1、方案2及方案3，相连路面的设计标高抬升大，导致与附近地块的标高高差较大，造成排水和景观等难题。因此，考虑把钢-UHPC轻型组合梁作为推荐方案。UH⁃PC低矮梁有效降低了结构的建筑高度，创造了更多有效空间，而且具有更高的结构可靠度和耐久性。

表1 桥型方案Tab.1 Bridge Types

3 推荐方案设计

3.1 总体设计

本方案桥梁跨径为25.6 m，与道路中心线的夹角为90°，全长34.10 m，采用单幅桥。如图5所示，桥面宽度为24 m，横断面布置为2.m（人行道）+1.5 m（非机动车道）+1.25 m（设施带）+14.5 m（机动车道）+1.25 m（设施带）+1.5 m（非机动车道）+2 m（人行道）=24 m。

图5 桥梁立面Fig.5 The Bridge Vertical Section（cm）

3.2 上部结构设计

上部结构采用25.6 m跨钢-UHPC轻型组合梁，跨中左右3 m范围内梁高为66 cm，梁端梁高为116 cm，桥宽为24 m，共8片全预制钢-UHPC组合梁组成。单片预制梁采用3片工字钢梁组合，单片梁标准宽度为3.0 m。UHPC立方体抗压强度标准值150 MPa，轴心抗压强度标准值105 MPa，轴心抗压强度设计值75 MPa，轴心抗拉强度标准值8 MPa，弹性模量45 MPa，泊松比0.2，线膨胀系数1.0×10-5/℃，容重配筋后27 kN/m3，高温蒸养后，徐变系数0.2，收缩应变0。

跨中断面如图6⒜所示，跨中左右3 m范围内梁高66 cm，其中UHPC桥面板厚14 cm，工字梁高52 cm。

端部断面如图6⒝所示，支点梁高116 cm，其中UHPC桥面板厚14 cm，工字梁高102 cm。

图6 单片预制梁跨中及端部断面Fig.6 The Midspan Section and End Section of a Girder（cm）

UHPC桥面板和钢主梁通过剪力钉连接。剪力钉规格为22 mm×100 mm，纵桥向间距为15 cm，单个工字梁上翼缘横向布置2列。桥面铺装采用4 cm厚SMA。工字型钢梁主要由上翼缘板、腹板、下翼缘板焊接组成。工字钢梁采用Q345qC钢，上翼缘宽300 mm，厚14 mm；腹板高481～981 mm，厚14 mm；下翼缘宽500 mm，厚25 mm。

如图7⒜所示，在跨中钢-UHPC组合梁内，设置H形断面小横梁，高386 mm，腹板板厚14 mm，上翼缘宽300 mm，板厚16 mm，下翼缘宽500 mm，板厚20 mm；在1/4跨钢-UHPC组合梁内，设置H形断小横梁，高616 mm，腹板板厚14 mm，上翼缘宽300 mm，板厚16 mm，下翼缘宽500 mm，板厚20 mm。

3.3 下部结构设计

如图7⒝所示，桥台采用双排桩扶壁台，台身顶部以下1.5 m范围内采用UHPC120，桩径为φ1.5 m。

图7 桥梁断面Fig.7 The Bridge Section View（cm）

3.4 施工要点

桥梁整体施工顺序如下：钢梁加工（包括栓钉焊接）➝单榀组合梁施工➝组合梁吊装➝端横隔板连接➝湿接缝浇筑➝铺装层及附属结构施工。

⑴施工中，由专业钢构件加工厂进行钢梁加工，完成栓钉焊街和涂装后运抵预制场地。

⑵根据设计图纸组拼单榀钢梁，安装模板，完成单榀钢梁UHPC全部施工。

⑶单榀钢-UHPC组合梁全部完成后，采用大型起重设备（80 t），在一侧进行吊装。

⑷吊梁全部完成后，栓接端横隔板，浇筑湿接缝，完成后续施工。

4 有限元计算

采用桥梁专用有限元计算软件Midas Civil建立全桥整体有限元模型，模型采用梁格法，共1 827个单元，1 480个节点。桥面铺装层仅作为恒载考虑。有限元模型如图8所示。

图8 有限元计算模型Fig.8 The Finite Element Calculation Model

依据模型分别就该钢-UHPC组合梁桥的组合梁、钢梁、UHPC桥面板及剪力连接件［10］的力学性能进行计算，结果均满足《超高性能轻型组合桥面结构技术规程：GDJTGT A01—2015》相关要求，表明该桥结构设计合理，力学性能良好。

5 结论

本文针对实际项目在设计过程中，由于地理、施工环境等自然条件限制，提出了一种超矮钢-UHPC轻型组合梁。并针对某低梁高要求的桥梁方案进行了钢箱梁、钢-混凝土组合式简支工字梁、预应力UHPC（工字）梁及钢-UHPC轻型组合梁桥4种方案比选。并就推荐方案超矮钢-UHPC轻型组合梁桥设计进行了总体布置、上部结构设计及下部结构设计的介绍，桥型设计合理，结构计算满足《超高性能轻型组合桥面结构技术规程：GDJTGTA01—2015》要求。