北京地鐵大興線鋼混結(jié)合V形剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)構(gòu)思

王合希，王 冰

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 概況與關(guān)鍵邊界條件

本橋是北京地鐵大興線高架段(新宮站—西紅門(mén)站區(qū)間)的1座重要橋梁，線路在DK4+672.03處跨京開(kāi)高速公路，與既有京開(kāi)高速公路交角86°，線路位于R=800 m的平曲線及直線上，線間距4.2 m，線路縱坡為15‰、0‰，豎曲線半徑R=5 000 m。其中既有京開(kāi)高速橫斷面布置為:20.75 m(綠化帶)+7 m(輔道)+5.25 m(分隔帶)+16 m(主車(chē)道)+2 m(中央分隔帶)+16 m(主車(chē)道)+5.25 m(分隔帶)+7 m(輔道)+20.75 m(綠化帶)，線路跨越處在立交路口附近，非標(biāo)準(zhǔn)斷面，設(shè)計(jì)需采用一跨跨過(guò)，且本處高架橋下穿高壓線，與高壓線交叉干擾。主橋總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 主橋總體布置(單位:m)

2 設(shè)計(jì)理念與方案構(gòu)思

面對(duì)項(xiàng)目所特有的環(huán)境關(guān)鍵邊界條件，提出了靠理性技術(shù)創(chuàng)新，提高結(jié)構(gòu)利用率，并與邊界條件設(shè)計(jì)為“合一”的橋梁設(shè)計(jì)理念。

2.1 設(shè)計(jì)原則

(1)在滿足安全、實(shí)用、耐久性要求的前提下，結(jié)構(gòu)造型應(yīng)力求簡(jiǎn)潔，充分利用當(dāng)今的新技術(shù)，選用經(jīng)濟(jì)合理、施工可行的方案。

(2)充分考慮橋址處的地質(zhì)、橋下凈空、道路總體規(guī)劃拓寬條件，合理布置，力求施工期間對(duì)高速公路的影響最小。

(3)充分尊重、認(rèn)真分析周邊環(huán)境，注重城市景觀協(xié)調(diào)，處理好橋梁與周邊環(huán)境的和諧。

2.2 方案構(gòu)思

(1)主跨跨度要求

由于高架輕軌上跨京開(kāi)高速公路，要求主跨一孔跨越，輔道及主路的最小凈寬為76.2 m，因此主跨凈跨跨徑需達(dá)到80 m以上。

(2)橋下、橋上凈空要求

高架橋主橋上跨京開(kāi)高速公路，下穿高壓走廊，必須滿足橋下主路最小凈高5.0 m，輔路最小凈高4.5 m的要求。橋下限界及臨時(shí)墩布置見(jiàn)圖2。

圖2 橋下限界及臨時(shí)墩布置(單位:m)

(3)設(shè)計(jì)方案比選

設(shè)計(jì)方案本著尊重各種技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)條件，結(jié)合上述主跨跨度，橋下、橋上凈空及施工不能中斷橋下行車(chē)等要求，提出了鋼混結(jié)合V形剛構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、簡(jiǎn)支下承式鋼桁梁3種方案，各方案主要優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 各方案主要優(yōu)缺點(diǎn)

混凝土連續(xù)梁具有取材方便、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但存在自重大、工期長(zhǎng)、抗裂性差等缺點(diǎn);鋼桁梁具有自重輕、工期短、塑性好等優(yōu)點(diǎn)，但存在造價(jià)高，抗火性、耐腐蝕性差等缺點(diǎn);而鋼混組合結(jié)構(gòu)可以充分利用兩種材料優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)約鋼材、發(fā)揮混凝土性能、降低造價(jià)、施工方便、易于養(yǎng)護(hù)等特點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)具有全壽命經(jīng)濟(jì)性。再結(jié)合橋址處的邊界條件如梁高受到限制、橋下主輔路凈高要求不同等特點(diǎn)，最終推出了(52+85+52)m鋼混結(jié)合V形剛構(gòu)作為主橋的結(jié)構(gòu)體系。

3 結(jié)構(gòu)體系與其關(guān)鍵構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.1 主橋結(jié)構(gòu)體系

主橋結(jié)構(gòu)體系為(52+85+52)m鋼混結(jié)合V形剛構(gòu)，主梁結(jié)構(gòu)由鋼箱梁和鋼筋混凝土橋面板組成，鋼箱梁和混凝土橋面板通過(guò)剪力釘結(jié)合在一起整體受力。橋墩采用V形鋼結(jié)構(gòu)，箱形斷面。結(jié)構(gòu)體系的選擇主要考慮如下幾個(gè)方面。

(1)造型方面:以“V”字形橋墩支撐橋體，結(jié)構(gòu)獨(dú)特新穎，造型輕盈舒展，對(duì)公路行車(chē)視線影響較小，具有較好的視覺(jué)通透感。

(2)抗震方面:V形剛構(gòu)為墩梁固結(jié)體系，橋址地震烈度較高，每個(gè)V形墩均可分擔(dān)地震力的作用，抵抗地震的性能較好。

(3)受力方面:鋼混結(jié)合梁自重較混凝土梁輕，可有效減少基礎(chǔ)規(guī)模，降低基礎(chǔ)剛度，有利于抗震，鋼混結(jié)合結(jié)構(gòu)還可充分利用材料優(yōu)勢(shì)，較之鋼桁梁，可大大減少用鋼量，降低造價(jià)。

由于V形墩的采用，使結(jié)構(gòu)兼具梁橋和拱橋的特點(diǎn)，可以有效減小梁體計(jì)算跨徑，降低主梁彎矩，減小上部結(jié)構(gòu)高度，降低工程造價(jià)。V形腿夾角的大小對(duì)結(jié)構(gòu)的受力特性有重要影響，夾角越大，結(jié)構(gòu)的拱效應(yīng)越明顯，墩底水平力和彎矩越大，而梁體的實(shí)際跨度則會(huì)越小。本橋因受橋下凈空及限界的限制，為盡量減小梁體高度，最終采用夾角為64°。

3.2 主梁斷面形式

鋼箱梁為栓焊結(jié)合形式的單箱單室斜腹板變截面梁，邊跨及跨中處梁高1.8 m，中支點(diǎn)處逐漸變至3.2 mm。鋼箱梁頂寬5.2 m，頂板厚度變化為20～28～36 mm。腹板厚16 mm，中支點(diǎn)兩側(cè)40 m范圍內(nèi)腹板加厚至24 mm，腹板傾角全橋保持不變。底板厚度變化為28～36～44 mm，采用圓曲線過(guò)渡。鋼箱梁橫隔板采用板式斷面，全橋每隔3 m設(shè)置1道，豎向加勁肋位于腹板內(nèi)側(cè)，每隔1 m設(shè)置。鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)采用 Q345qD鋼材，板厚≥35 mm時(shí)采用 Q370qE鋼材。

鋼筋混凝土橋面板支承在鋼箱梁上，頂寬9.0 m，板厚38 cm，C50混凝土，采用分段預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)濕接縫連接的形式。預(yù)制橋面板標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件尺寸為9 m×2.5 m，吊重約190 kN，對(duì)應(yīng)于剪力釘?shù)奈恢迷O(shè)置剪力釘槽。標(biāo)準(zhǔn)濕接縫尺寸為9.0 m×0.5 m。鋼箱與混凝土橋面板之間剪力連接件采用φ22 mm柔性栓釘，剪力釘除在部分橋面板濕接縫處在工地焊接外，其余均為工廠焊接。主梁橫斷面見(jiàn)圖3。

圖3 主橋主梁橫斷面(單位:mm)

3.3 關(guān)鍵構(gòu)造設(shè)計(jì)

(1)橋面板設(shè)計(jì)

計(jì)算中考慮了有效寬度折減，橋面板有效寬度在中支點(diǎn)附近由全截面9.0 m折減到8.5 m，由于計(jì)算假定受拉區(qū)混凝土板不參加工作，僅計(jì)入有效寬度范圍內(nèi)的縱向受拉鋼筋，為了降低橋面板中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)的混凝土拉應(yīng)力，并限制負(fù)彎矩區(qū)混凝土裂縫寬度，提高結(jié)構(gòu)的安全及耐久性，橋面板設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力與高配筋相結(jié)合的形式。在中墩負(fù)彎矩區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力筋采用18束7-7φ5高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，普通鋼筋也由標(biāo)準(zhǔn)段的 φ28@12.5 cm單根一束，加強(qiáng)到 φ25@12.5 cm兩根一束。濕接縫處順橋向鋼筋采用扣環(huán)搭接，順橋向鋼筋伸出預(yù)制板部分設(shè)計(jì)為環(huán)形，環(huán)形鋼筋成型采用雙面焊接。

采用V形墩，橋墩的剛度相對(duì)較大，因此對(duì)于溫度、收縮徐變等縱向力非常敏感，為減少混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，改善墩底受力狀態(tài)，要求預(yù)制板存放時(shí)間宜不少于6個(gè)月，同時(shí)要求剪力釘槽和濕接縫處采用C50微膨脹混凝土。為保證預(yù)制板與鋼梁頂緣密貼，兩者間鋪墊1層環(huán)氧樹(shù)脂砂漿，另在鋼混接觸面外緣根據(jù)頂板板厚的不同，粘貼寬50 mm、厚26、18、10 mm的橡膠帶，一防砂漿外溢，二防水汽進(jìn)入銹蝕鋼梁。

(2)主梁與V形支承連接設(shè)計(jì)

V形支承單肢采用整體性能好、抗扭剛度大的單箱單室箱形斷面，橫橋向采用3.1 m的等寬截面，兩個(gè)V形腿夾角64°，板厚采用32 mm，鋼箱內(nèi)側(cè)采用厚12 mm的開(kāi)口加勁肋，高150 mm，間距300 mm。支承內(nèi)部每隔1.0 m設(shè)1道16 mm厚的橫隔板。

為了加快施工進(jìn)度及操作方便，V形腿上部與主梁0號(hào)梁段采用高強(qiáng)螺栓栓接。由于主梁為斜腹板形式，墩梁連接部位構(gòu)造復(fù)雜，為了保證結(jié)構(gòu)受力的整體性，將拼接縫設(shè)在V形腿等寬部位，避開(kāi)了墩梁連接漸變段，V形腿上部側(cè)板與斜腹板采用1塊鋼板整體彎折，工廠焊接成形，既保證了焊接質(zhì)量，又大大降低了現(xiàn)場(chǎng)施工的難度。V形腿與0號(hào)梁段連接位置見(jiàn)圖4。

(3)V形支承與基座的連接設(shè)計(jì)

V形鋼支承下部嵌入混凝土基座，嵌入深度2.0 m。V形鋼支承與混凝土基座之間采用PBL剪力鍵進(jìn)行連接。V形腿箱壁與混凝土接觸的部位布置φ22 mm的剪力釘、φ60 mm的過(guò)筋孔及箱內(nèi)穿過(guò)的φ20 mm鋼筋和基座混凝土共同形成PBL剪力鍵，實(shí)現(xiàn)鋼混結(jié)合段的可靠連接。主梁的荷載主要通過(guò)V腿的PBL剪力鍵和底座逐步傳遞于下部結(jié)構(gòu)。鋼混結(jié)合段構(gòu)造見(jiàn)圖4。

圖4 V腿及鋼混結(jié)合段構(gòu)造(單位:mm)

4 施工方案及關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 總體施工方案

根據(jù)橋址處的地形、交通環(huán)境，V形剛構(gòu)主橋的總體施工方案可簡(jiǎn)要概述為:基礎(chǔ)施工→V腿吊裝→大節(jié)段吊裝鋼箱→橋面板安裝。施工臨時(shí)墩布置見(jiàn)圖2。

4.2 關(guān)鍵施工技術(shù)

(1)V形腿安裝技術(shù)

主橋墩身由混凝土基座和V形鋼腿結(jié)合而成，V形鋼腿在工廠焊接成形后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，吊裝到位后采用臨時(shí)鋼支承將其定位，再綁扎底座鋼筋;并澆筑底座混凝土。

(2)鋼箱梁吊裝技術(shù)

全橋鋼箱梁根據(jù)長(zhǎng)度、平曲線類型等不同劃分為G1～G9共9個(gè)梁段，最長(zhǎng)梁段長(zhǎng)33 m，最大吊裝質(zhì)量242.4 t。本橋在盡量減少對(duì)京開(kāi)高速公路運(yùn)營(yíng)影響的前提下，設(shè)置8處臨時(shí)墩，鋼箱梁每個(gè)梁段在工廠焊接成型，運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)500 t汽車(chē)吊將梁段架上臨時(shí)墩，調(diào)整并定位，并在工地進(jìn)行連接，各節(jié)段腹板、底板之間采用高強(qiáng)螺栓連接，頂板之間采用現(xiàn)場(chǎng)焊接。

(3)橋面板吊裝工序

本橋橋面板的吊裝在鋼箱梁完全合龍后進(jìn)行。預(yù)制橋面板采用間斷安裝法，順序?yàn)橄瓤缰泻笾c(diǎn)，以此改善結(jié)構(gòu)尤其是墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面板的受力狀態(tài)。先吊裝正彎矩區(qū)段橋面板混凝土，綁扎濕接縫鋼筋，再拆除臨時(shí)墩，澆筑濕接縫及剪力槽混凝土，然后進(jìn)行負(fù)彎矩區(qū)段橋面板的施工，張拉并錨固該區(qū)段縱向預(yù)應(yīng)力。采用這種施工順序，操作方便，簡(jiǎn)單可行，可有效的改善了橋面板混凝土的受力狀態(tài)，達(dá)到調(diào)整內(nèi)力的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)結(jié)合橋下凈空要求不同的特點(diǎn)，提出了V形剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)構(gòu)思，既減小了橋梁跨度，降低梁高，又大大提高了橋梁的縱向剛度。本設(shè)計(jì)對(duì)于橋下、橋上凈空受到限制的同類工程具有借鑒意義。

(2)采用鋼-混結(jié)合技術(shù)，充分發(fā)揮各自的材料特點(diǎn)，可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、維修更趨合理，并具有全壽命經(jīng)濟(jì)性。

(3)大節(jié)段設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、吊裝技術(shù)，既提高了工程質(zhì)量的可靠性，又大大縮短了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，降低了施工對(duì)橋下交通的影響。

(4)本橋在關(guān)鍵部位的處理及施工方案的優(yōu)化方面，在借鑒其他同類橋梁成功的基礎(chǔ)上，精心設(shè)計(jì)，使問(wèn)題得到很好的解決。

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

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［4］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

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