钢- UHPC组合梁在大跨径桥梁中的设计与应用分析

沈理斌，刘晓銮

[1.嘉兴市快速路建设发展有限公司，浙江 嘉兴 314000；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]

0 引言

钢- 混组合梁桥近几年在城市桥梁中获得了广泛应用，具有跨越能力大、建筑高度小、抗震性能好及施工快捷等优点[1]。钢-混组合梁桥可以充分发挥钢材和混凝土两种材料的性能优势，但其负弯矩区混凝土桥面板的开裂问题是设计需要关注的重点[2]。

UHPC 是一种高强度、高韧性、耐久性强的水泥基材料，抗拉强度达到7～10 MPa 以上，临界开裂应变超过1000×10-6[3-4]。钢-UHPC 组合梁是通过焊钉将UHPC 桥面板与钢梁连接成整体，利用UHPC优异的力学性能，钢-UHPC 组合梁可以实现较薄、较轻的桥面板构造，有效降低上部结构自重和下部基础工程量，提高负弯矩区桥面板的抗拉强度，提高结构耐久性和桥梁的跨越能力等。

本文以嘉兴市市区快速路环线工程跨京杭大运河地面老桥（龙凤桥）为工程背景，介绍了钢-UHPC组合梁方案的设计要点，并与预应力混凝土连续梁、波形钢腹板连续梁和系杆拱桥方案进行了对比分析。结果表明，钢-UHPC 组合梁方案在类似百米跨径桥梁工程中具有良好的跨越性能，展示了良好的应用前景。

1 桥梁设计方案

1.1 工程概况

嘉兴市市区快速路环线工程采用高架桥梁形式，双向6 车道，利用现状中分带立墩。在中环西路跨越地面老桥龙凤桥，老桥全长225 m，桥宽56.5 m，跨径为3×20 m +3×35 m +3×20 m，上部结构采用预应力混凝土T 梁，下部结构采用排架式桥墩，桩柱式桥台，桩基采用1.2 m、1.5 m 钻孔灌注桩（见图1）。

图1 龙凤桥现状平面和横断面（单位：m）

1.2 技术标准

（1）汽车荷载：城-A 级。

（2）桥梁宽度：0.5 m（防撞墙）+ 11.75 m（机动车道）+0.5 m（分隔墩）+ 11.75 m（机动车道）+0.5 m（防撞墙）=25.0 m。

（3）环境类别：I 类。

（4）设计使用年限：100 a。

1.3 桥梁总体布置

桥位处为老京杭运河，主干河道，规划为Ⅵ级航道，河口宽度约80 m，通航净宽不小于22 m。由于龙凤桥老桥已有2 个水中墩，为减小阻水率，水利部门要求新建高架桥尽可能不设水中墩。另外，京杭运河为世界文化遗产，文化部门要求尽可能一跨过河；桥墩桩基应避让老桥桩基，且最小桩间距不小于2.5d，d 为桩基直径。最终桥梁选择一跨过河方案，且避让驳岸，桥墩边缘距驳岸净距不小于5 m，总体布置见图2。

图2 龙凤桥主桥总体布置（单位：m）

1.4 钢-UHP C 组合梁方案

考虑合理受力配跨，钢-UHPC 组合梁跨径布置为65 m +95 m +65 m，采用变高度连续梁设计，支点梁高5 m，跨中梁高3 m，梁高按二次抛物线变化。组合梁采用多箱单室结构，共由4 片箱梁组成。桥面板采用6 cm 的UHPC，以减轻上部结构重量、增大桥面板刚度，同时避免钢桥面板疲劳问题。下部结构采用大挑臂预应力混凝土盖梁，矩形截面立柱，矩形承台，钻孔灌注桩基础。施工采用钢梁分段工厂预制，现场组拼后节段拼装，主桥合龙后浇筑UHPC 组合桥面板。

（1）组合梁断面设计。组合梁的钢梁可采用I 形钢板梁、闭口钢箱梁或开口槽型梁截面形式，中小跨径组合梁多采用I 形钢板梁或开口槽型梁。本桥跨径较大，为增加主梁的抗弯和抗扭整体性，采用闭口钢箱梁截面形式，详见图3。

图3 钢-UHP C 组合梁横断面（单位：m）

（2）钢梁设计。25 m 标准桥宽横向由4 片箱梁组成，梁距6.0 m，中间采用横梁连接，横梁间距10.5 m。钢梁顶板满铺，宽度24.7 m，板厚12～16 m，采用U型加劲肋。底板标准宽度2150 mm，板厚20～30 mm，采用一字加劲肋。

（3）UHPC 桥面板设计。UHPC 桥面板厚60 mm，其上摊铺40 mm 厚沥青混凝土磨耗层，UHPC 桥面板与钢梁采用剪力钉连接，剪力钉型号φ10×40。UHPC 桥面板内布置纵横向钢筋，直径16 mm，间距100 mm。钢-UHPC 组合梁方案效果见图4。

图4 钢-UHP C 组合梁方案效果

1.5 预应力混凝土连续梁方案

跨径布置与钢-UHPC 组合梁相同，为65 m+95 m+65 m。上部结构采用单箱多室变高度连续梁，支点梁高5 m，跨中梁高2.6 m，按二次抛物线变化，箱梁采用单箱三室断面。下部结构采用双柱式墩，钻孔灌注桩基础。立柱顶端采用扩大头设计，以增大横梁支座间距，造型上与主梁顺接（见图5）。采用悬臂浇筑施工方案。

图5 预应力混凝土连续梁断面（单位：m）

1.6 波形钢腹板连续梁方案

跨径布置采用65 m+95 m+65 m，上部结构采用单箱多室变高度连续梁，支点梁高5.5 m，跨中梁高2.8 m，按二次抛物线变化（见图6）。波形钢腹板采用1600 型波形钢板，现浇节段长度取3.2 m 和4.8 m两种。箱梁采用混凝土横隔板，板厚0.5 m，间距8～10 m。波形钢腹板与混凝土顶、底板之间均采用双PBL 开孔板的连接方式，采用以波形钢板作为施工支架的SCC 施工法。

图6 波形钢腹板连续梁断面（单位：m）

1.7 系杆拱桥方案

系杆拱采用钢梁钢拱方案，跨径为95 m，两边接线采用小箱梁。主梁采用双边箱结构，箱室宽度与拱肋保持一致，两箱室中心距为27.1 m。标准横梁采用工字形断面，横梁间距6 m，与拉索间距保持一致。采用先梁后拱施工方法，先在河中搭设2 个临时墩，施工系梁和横梁；主梁架设完毕后，在梁上架设钢拱。

系杆拱桥方案效果见图7。

图7 系杆拱桥方案效果

2 钢-UHPC 组合梁方案分析

2.1 经济性分析

本文分别对相同跨径和技术标准的钢-UHPC组合梁、预应力混凝土连续梁、波形钢腹板连续梁和系杆拱桥方案的经济性进行分析，结果见表1。从中可以看出，与预应力混凝土连续梁相比，钢- UHPC组合梁方案综合单价增加约12%，波形钢腹板连续梁方案综合单价增加约8%，系杆拱桥方案综合单价增加约6%。由此可见，钢-UHPC 组合梁方案具有良好的经济优势。

表1 方案经济比选表

从表1 可以看出，预应力混凝土连续梁自重最大，约为钢-UHPC 组合梁的3 倍，导致其基础体积大，需拆除的地面老桥的T 梁数增加，增大了地面桥拆除工作量和造价。由于体外预应力和波形钢腹板的单价较高，波形钢腹板连续梁上部结构造价比预应力连续梁方案略高，下部结构造价相当。系杆拱方案没有配跨，单位面积造价与混凝土连续梁相当。钢-UHPC 组合梁方案上部结构自重最小，基础体量和地面桥拆除改建工程量最小，综合造价更显优势。

2.2 施工方案分析

龙凤桥是快速路环线的控制性工程，其施工进度决定了整个项目的竣工时间，所以宜选择工期较短的施工方案。预应力混凝土连续梁为常规桥梁，施工工艺成熟，但其悬臂施工需逐节段浇筑，施工周期长。波形钢腹板连续梁采用SCC 施工方法，施工周期与悬浇混凝土梁相当，但其景观效果与文物保护要求不大一致。系杆拱桥方案采用先梁后拱的施工方法，施工期间对航道、河道行洪有一定影响，施工工序繁杂，对施工技术要求最高。

钢-UHPC 组合梁方案可以实现工厂预制，现场拼装，上、下部结构同步施工，施工周期最短。综合考虑工期要求、河道行洪、通航、老桥改建、地面交通、抗震性能、景观要求等因素，最后选定钢-UHPC 组合梁为本工程推荐方案。

2.3 耐久性分析

已有工程实践表明，大跨径预应力混凝土连续梁桥在服役期易出现箱梁裂缝、竖向预应力失效和主梁挠度持续增大等病害，影响结构的正常使用性能和使用寿命[8]。波形钢腹板连续梁可以解决大跨径混凝土连续梁桥的腹板开裂问题，提高腹板抗剪性能和结构耐久性。

UHPC 材料结构致密，氯离子等有害物质难以通过毛细孔进入混凝土内部，提高了抵抗有害物质侵袭的能力，钢结构的防腐技术[5-7]也已经相对成熟，因此钢- UHPC 组合梁与预应力混凝土连续梁和波形钢腹板连续梁相比，在耐久性方面具有较大优势。

3 结 论

本文以嘉兴市市区快速路环线工程跨越京杭大运河地面老桥（龙凤桥）为例，介绍了钢-UHPC 组合梁方案的设计要点，并与预应力混凝土连续梁、波形钢腹板连续梁和系杆拱桥方案进行了对比，最终决定采用钢-UHPC 组合梁方案。同时得到如下主要结论：

（1）钢-UHPC 组合梁方案上部结构自重轻，下部结构规模小，地面桥拆除改建工程量小，在经济性方面具有良好的竞争优势。

（2）钢-UHPC 组合梁方案可以实现工程全预制，吊装重量轻，实现快速化架设。

（3）钢- UHPC 组合梁方案可避免传统组合梁负弯矩区混凝土易开裂的风险，UHPC 材料内部致密，耐久性良好，可大幅减少结构后期维护。