某鋼-混凝土結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)

呂鳳國

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

某鋼-混凝土結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)

呂鳳國

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

以某鋼-混凝土結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?從橋式布置、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方法等幾個(gè)方面進(jìn)行介紹,并對(duì)關(guān)鍵構(gòu)造和技術(shù)措施簡要敘述。結(jié)論：上部結(jié)構(gòu)采用大跨度結(jié)合梁,下部結(jié)構(gòu)采用矩形墩,墩高跨度結(jié)構(gòu)尺寸比較協(xié)調(diào),線形流暢,造型輕盈,整體視覺效果好；結(jié)合梁與混凝土梁相比,其結(jié)構(gòu)自重有較大減輕,便于橋墩基礎(chǔ)滿足受力要求；采用大節(jié)段工廠制造,現(xiàn)場吊裝的施工方法,大大縮短了橋梁的施工周期,同時(shí)避免了對(duì)既有鐵路、城市道路的干擾,保證其運(yùn)營安全。

鋼-混凝土結(jié)合梁；連續(xù)剛構(gòu) ；設(shè)計(jì)

1 工程概況

本項(xiàng)目為軌道交通昌平線高架區(qū)間的一個(gè)節(jié)點(diǎn)橋梁，昌平高架線以半徑為450 m曲線由東向南依次跨越北清路、規(guī)劃京蘭鐵路、京包鐵路、預(yù)留京包鐵路復(fù)線，交角分別為32.8°、45.7°、43.7°、43.7°。北清路現(xiàn)況路幅斷面形式為：1.5 m(人行道)+4.0 m(輔路)+4.5 m側(cè)分帶+12 m(行車道)+8.0 m(中分帶)+12 m(行車道)+4.5 m側(cè)分帶+4.0 m(輔路)+1.5 m(人行道)，已按規(guī)劃實(shí)施；京包鐵路為既有鐵路，單線電氣化，是連接北京至內(nèi)蒙古一線的交通要道；京蘭鐵路為規(guī)劃線路，京張城際是京蘭鐵路的一部分，線路自北京北站引出，至張家口南站，標(biāo)準(zhǔn)雙線電氣化鐵路，按時(shí)速250 km及以上標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用無砟軌道；京包鐵路復(fù)線為遠(yuǎn)期預(yù)留線，走向與既有京包線平行，單線電氣化。橋位平面布置見圖1。

2 橋式方案選擇

2.1 主要原則

(1)橋梁墩位的設(shè)置避開既有路和規(guī)劃路，并應(yīng)滿足與鐵路、道路的安全距離。

(2)主橋跨越鐵路、道路，部分橋式方案應(yīng)滿足限界和凈空要求(橋下凈空：公路不小于5 m、鐵路不小于7.96 m)，并為鐵路未來發(fā)展預(yù)留良好的技術(shù)條件。

(3)橋型結(jié)構(gòu)和施工方法的選擇應(yīng)盡量減少對(duì)橋下鐵路、道路的干擾，確?？缭借F路、公路的安全性，并兼顧經(jīng)濟(jì)性，施工方便、快速。

(4)該項(xiàng)目位于城市內(nèi)，橋梁的選型要考慮到景觀的影響。

(5)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)滿足高烈度區(qū)要求(抗震設(shè)防烈度為8度)。

2.2 橋式選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)原則，結(jié)合混凝土和鋼材的各自特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)受力、景觀效應(yīng)、施工方法、工期、施工干擾等因素考慮，采用了一聯(lián)鋼-混凝土結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)橋式方案，工廠預(yù)制，分段吊裝施工方法，跨徑布置為(37+60+79+42.5) m。橋梁立面布置見圖2。

3 主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 材料的選擇

混凝土具有取材方便、造價(jià)低，但自重大、施工工期長、抗裂性差，適宜用作抗壓構(gòu)件；鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、加工方便、塑性好等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)高、耐腐蝕性差，適宜用作抗拉構(gòu)件；鋼混組合結(jié)構(gòu)可以充分利用兩種材料特點(diǎn)，施工方便、節(jié)約鋼材、增強(qiáng)剛度、提高承載力、降低造價(jià)，該橋由于聯(lián)長跨度較大，采用組合結(jié)構(gòu)關(guān)鍵可以降低梁高，減輕上部結(jié)構(gòu)自重，也降低了水平方向的地震力，使橋墩的結(jié)構(gòu)尺寸減小，整體景觀效果好。

3.2 結(jié)構(gòu)體系

該橋結(jié)構(gòu)為鋼-混結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)體系，采用該結(jié)構(gòu)體系對(duì)于梁部而言，可以減小跨中正彎矩和中墩處的負(fù)彎矩，從而降低梁的高度，有利于運(yùn)輸和架設(shè)，對(duì)于橋墩基礎(chǔ)，該結(jié)構(gòu)體系的水平力(主要包括主力、附加力、地震力等)由中間墩共同分擔(dān)承受，與連續(xù)梁相比，可以大大減小制動(dòng)墩的規(guī)模，利于中間墩輪廓尺寸的統(tǒng)一，使上下部結(jié)構(gòu)尺寸比較協(xié)調(diào)，造型輕盈，整體視覺效果好。

3.3 上部結(jié)構(gòu)

橋梁上部結(jié)構(gòu)由鋼箱梁和鋼筋混凝土橋面板組成，二者通過剪力釘結(jié)合在一起整體受力。邊支點(diǎn)處和跨中梁高為2.2 m，中支點(diǎn)梁高4 m(其中含橋面高度為0.4 m)，采用單箱單室直腹板形式。

為滿足塑性混凝土的黏土摻和要求，在造孔用泥漿池旁新建一座200m3的混凝土澆筑專用泥漿池，配置泥漿泵，一臺(tái)3 m3空壓機(jī)，設(shè)置400 m2混凝土專用黏土儲(chǔ)料場及送漿管路等。

全橋鋼箱梁分為7個(gè)梁段，最長梁段長35.2 m，最大吊裝重2 020 kN，梁段間除頂板之間采用焊接外，其余均采用高強(qiáng)度螺栓連接。鋼箱梁為變截面形式，邊跨及跨中處梁高1.8 m，中支點(diǎn)處逐漸變至3.6 m(24號(hào)墩處為3.2 m)。頂板寬5.2 m，板厚采用20～28～36 mm變化，底板寬4.9 m，板厚采用28～32～44 mm變化。腹板厚度采用16～24 mm變化。橫隔板采用板式結(jié)構(gòu)，每隔3 m設(shè)置1個(gè)，豎向加勁肋位于腹板內(nèi)側(cè)，每隔1 m設(shè)置。

混凝土橋面板頂寬9.4 m，板厚38 cm，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。采用工廠分段預(yù)制，現(xiàn)場濕接縫連接的形式，預(yù)制橋面板每塊尺寸為9.4 m×2.5 m，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制板之間設(shè)現(xiàn)澆混凝土接縫，標(biāo)準(zhǔn)接縫尺寸為9.4 m×0.5 m。接縫處的鋼板上布置φ22 mm柔性栓釘，共同受力。為減少混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，要求預(yù)制板存放時(shí)間宜不少于4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。主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖3。

3.4 橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

高架區(qū)間簡支橋梁墩柱采用矩形截面，采用“寶石”造型蓋梁。考慮區(qū)間景觀一致性兼顧施工方便，本橋下部結(jié)構(gòu)與區(qū)間統(tǒng)一，中墩采用鋼筋混凝土矩形墩，尺寸為4.8 m×2.4 m，承臺(tái)尺寸為10.5 m×6.5 m，基礎(chǔ)采用6根φ1.5 m的鉆孔灌注樁。邊墩采用T形墩柱，尺寸為3.0 m×2.4 m，承臺(tái)尺寸為7.5 m×7.5 m，基礎(chǔ)采用4根φ1.5 m的鉆孔灌注樁。

3.5 施工方案

(1)施工方法的選擇

該項(xiàng)目跨越鐵路和城市道路，常用的施工方法主要有轉(zhuǎn)體，頂推，工廠預(yù)制、現(xiàn)場吊裝架設(shè)，懸臂澆筑等方法。為保證運(yùn)營安全，特別是鐵路的運(yùn)營安全，鐵路相關(guān)部門首選是盡量減少施工對(duì)鐵路干擾的施工方法，懸澆一般不會(huì)被采用。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來說，轉(zhuǎn)體、頂推、吊裝均可實(shí)施，但轉(zhuǎn)體和頂推需要較大的施工場地和較多的施工臨時(shí)設(shè)備，施工周期相對(duì)吊裝長，費(fèi)用也高，結(jié)合昌平線的施工周期要求緊迫，決定采用工廠加工、現(xiàn)場吊裝架設(shè)的施工方法。

(2)施工步驟

根據(jù)橋梁特點(diǎn)和現(xiàn)場場地情況，具體步驟如下：基礎(chǔ)施工→永久橋墩和臨時(shí)墩施工→墩梁固結(jié)段鋼套筒吊裝施工→鋼箱梁吊裝施工→橋面板吊裝→臨時(shí)墩拆除→橋面系施工。

4 關(guān)鍵構(gòu)造和技術(shù)措施

4.1 墩梁固結(jié)

由于采用了連續(xù)剛構(gòu)體系，鋼箱梁與鋼筋混凝土橋墩的固結(jié)、二者如何結(jié)合共同受力成為關(guān)鍵問題所在。中墩所在位置高度較大，如果采用鋼管混凝土墩柱，用鋼量較大，本橋僅考慮在鋼箱梁底板以下3 m高度范圍內(nèi)采用鋼套筒與橋墩連接共同承受內(nèi)力?？紤]剛度的連續(xù)性，中支點(diǎn)箱梁內(nèi)混凝土不注滿，留有一定的間隙。鋼箱梁腹板與橫向隔板與橋墩鋼套筒焊接為一體，鋼箱梁底板在該處斷開后與橫隔板焊接，縱橫向焊接位置要錯(cuò)開一定的距離，鋼箱內(nèi)外側(cè)和鋼套筒內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)設(shè)加勁肋進(jìn)行局部加強(qiáng)。考慮鋼箱豎向力與混凝土墩柱的傳遞，采取在鋼箱和套筒鋼板內(nèi)側(cè)焊接φ22 mm剪力釘，在內(nèi)側(cè)加勁板設(shè)PBL鍵措施，其中PBL筋為φ20 mm，孔洞為φ60 mm，在填充C50混凝土的條件下，單鍵承載力達(dá)到超過200 kN，豎向傳力以后者為主，前者為輔。由于構(gòu)造復(fù)雜，鋼箱與鋼套筒施工焊接順序十分關(guān)鍵，從下到上，從內(nèi)到外，為便于箱內(nèi)焊接操作，套筒內(nèi)僅灌注一半高度的混凝土，同時(shí)也避免了焊接時(shí)高溫對(duì)混凝土耐久性影響，待套筒與鋼箱焊接完畢后，從箱頂預(yù)留孔澆筑剩余混凝土。墩梁固結(jié)構(gòu)造見圖4。

4.2 鋼套筒安裝

鋼套筒是鋼箱梁和鋼筋混凝土橋墩連接的紐帶，其定位的準(zhǔn)確性影響著后期鋼箱梁的安裝精度，所以其安裝控制十分重要，需引起足夠的重視。首先需要預(yù)埋鋼套筒的定位型鋼構(gòu)件，預(yù)埋件的位置要準(zhǔn)確并且需要一定的剛度，以防止在后期澆筑混凝土?xí)r變位，鋼套筒與預(yù)埋件焊接牢固，并保持鋼套筒頂面水平，高差不大于5 mm。

4.3 邊箱壓重

由于空間位置的限制，橋梁邊跨為37 m和42.5 m，邊跨與中跨比為0.5左右，且橋位還處于半徑為450 m的曲線上。通過空間分析，邊墩支座反力很小，為防止在運(yùn)營過程中梁端支座脫空，原設(shè)計(jì)采用鋼材對(duì)梁端進(jìn)行壓重，但是根據(jù)鋼箱梁內(nèi)部構(gòu)造采用鋼材在指定位置壓重實(shí)施困難，后材料改為鋼砂混凝土，容重為50 kN/m3(所用材料為鋼砂、水泥、水、高效減水劑等，配合比為4.850∶0.100∶0.080∶0.008)。壓重混凝土布置盡量靠近支座，并避開進(jìn)人孔通道，混凝土通過補(bǔ)焊的剪力釘與鋼箱結(jié)合為一體。

4.4 鋼箱梁運(yùn)輸

鋼箱梁分段最大長度約35 m，最大寬度5.2 m，最大高度3.6 m，最大重力2 200 kN，鋼梁運(yùn)輸方案非常關(guān)鍵，對(duì)運(yùn)輸設(shè)備、運(yùn)輸路線、運(yùn)輸時(shí)間以及運(yùn)輸措施都要求較高，本橋結(jié)合鋼梁的加工地點(diǎn)和橋位地址，選擇夜間在交管部門導(dǎo)引下采用拖車串車運(yùn)輸。運(yùn)梁前，對(duì)所運(yùn)輸?shù)穆肪€進(jìn)行勘查，對(duì)所經(jīng)過的橋涵需要檢算加固，以保證運(yùn)輸構(gòu)件安全。

5 結(jié)語

(1)上部結(jié)構(gòu)采用大跨度結(jié)合梁，下部結(jié)構(gòu)采用矩形墩，墩高跨度結(jié)構(gòu)尺寸比較協(xié)調(diào)，線形流暢，造型輕盈，整體視覺效果好。

(2)結(jié)合梁與混凝土梁相比，其結(jié)構(gòu)自重有較大減輕，便于橋墩基礎(chǔ)滿足受力要求。

(3)采用大節(jié)段工廠制造，現(xiàn)場吊裝的施工方法，大大縮短了橋梁的施工周期，同時(shí)避免了對(duì)既有鐵路、城市道路的干擾，保證其運(yùn)營安全。

(4)墩梁固結(jié)關(guān)鍵部位的處理，既借鑒其他同類橋梁部分的成功經(jīng)驗(yàn)，也有一定的大膽創(chuàng)新，為今后類似問題的解決提供較好的思路。

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

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

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

[4] 中華人民共和國鐵道部.TBJ24—89鐵路結(jié)合梁設(shè)計(jì)規(guī)定[S].北京：中國鐵道出版社，1989．

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DesignofaContinuousRigidFrameBridgewithSteel-ConcreteCompositeGirder

LV Feng-guo

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing 102600, China)

This paper took a certain continuous rigid frame bridge with steel-concrete composite girder as an example, introduced the bridge layout, material selection, structure design, construction method and other issues, and briefly described the key structural and technical measures. Then the paper came to the conclusions: (a) The long-span composite girder was employed for the superstructure, and the rectangular piers for the substructure, so as to make the ratio of prier height to girder span harmonious, with an influent geometric shape, a graceful modeling and a good overall visual effect. (b) Compared with concrete girder, the composite girder was more lightweight in dead load, and helped the bridge pier foundation meet stress requirement. (c) By using a construction method, which enabled the large bridge segments to be made in factory and to be hoisted on site, the construction time was considerably shortened, and simultaneously the adverse influence on the existing railways and on the urban roads was avoided so as to ensure their operation safety.

steel-concrete composite girder; continuous rigid frame; design

2013-07-30；

：2013-09-25

呂鳳國(1974—)，男，高級(jí)工程師，1998年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：lvfengguo@t5y.cn。

1004-2954(2014)05-0065-04

U448.21+6

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.05.015