我國鋼-混凝土組合橋梁的創(chuàng)新實(shí)踐

蘇立超，周印霄，劉小宇

邢臺路橋建設(shè)總公司

導(dǎo)語：在基礎(chǔ)建設(shè)政策和鋼材產(chǎn)能、品質(zhì)不斷提高的帶動下，我國的鋼-混凝土組合橋梁得到了空前發(fā)展，本文對鋼-混凝土組合橋梁中小跨徑、大跨徑等結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向及部分案例作簡要介紹，希望可以為我國橋梁建設(shè)的革新帶來啟發(fā)和借鑒。

我國鋼-混凝土組合橋梁的創(chuàng)新實(shí)踐

蘇立超，周印霄，劉小宇

邢臺路橋建設(shè)總公司

隨著我國橋梁建設(shè)的跨越式發(fā)展，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)因其良好的受力特性、輕盈的橋型結(jié)構(gòu)和跨越能力得到了推廣和發(fā)展，各種類型的組合結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，豐富著我國橋梁建設(shè)的內(nèi)容；而隨著我國鋼材產(chǎn)能過剩、鋼材品質(zhì)的不斷提高，組合橋梁方面的創(chuàng)新、應(yīng)用和發(fā)展已刻不容緩。

本文結(jié)合筆者在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)方面的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，從中小跨徑、大跨徑等方面闡述組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向并對部分案例作簡要介紹。

鋼桁腹組合梁

鋼桁腹預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁橋是一種新型組合結(jié)構(gòu)橋梁，它用鋼腹桿代替混凝土腹板，形成由混凝土頂、底板和鋼腹桿共同受力的結(jié)構(gòu)體系。采用該結(jié)構(gòu)能有效減輕腹板重量，提高橋梁結(jié)構(gòu)的跨越能力，降低工程造價；鋼腹桿布置靈活，可兼顧美觀和經(jīng)濟(jì)；能減少風(fēng)力作用，通透性好，適用于中等或大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)，也可利用其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢建造雙層橋面。圖1中的南京繞城高速江山車行天橋和圖2中的深圳大學(xué)1號橋均采用了鋼桁腹組合梁。

裝配式組合鋼箱梁

裝配式組合鋼箱梁采用了耐候鋼、波形鋼腹板、聚合物混凝土、鋼-混凝土界面連接膠等新材料組合成雙鋼箱閉合截面，配合預(yù)應(yīng)力技術(shù)使承載能力更大、橋梁結(jié)構(gòu)更為輕盈。耐候鋼的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂裝問題，鋼-混凝土界面連接膠解決了鋼橋橋面鋪裝的破壞問題，波形鋼腹板提高了結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定性，減薄了鋼材厚度提高了橋梁承載力，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的自動化生產(chǎn)。裝配式組合鋼箱梁的安裝如圖3所示，其自重的減輕對起吊能力的要求有所降低。圖4為裝配式組合鋼箱梁在京港澳高速保定互通小半徑曲線橋中的應(yīng)用，其橋墩、蓋梁、主梁全部實(shí)現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)和裝配化施工。

圖1 南京繞城高速江山車行天橋

圖2 深圳大學(xué)1號橋

圖3 裝配式鋼箱梁的安裝

圖4 裝配式組合鋼箱梁在曲線橋的應(yīng)用

波形鋼腹板組合梁

該組合結(jié)構(gòu)采用波形鋼腹板代替了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土腹板，由混凝土頂板、波形鋼腹板、混凝土底板組合成箱型結(jié)構(gòu)。它最大的特點(diǎn)是，引入波形鋼腹板后從根本上解決了混凝土腹板開裂問題，施工便捷快速，同時波形鋼腹板的褶皺效應(yīng)使預(yù)應(yīng)力效率得到了提高。鑒于波形鋼腹板目前在國內(nèi)的應(yīng)用很多，本文重點(diǎn)對國內(nèi)在波形鋼腹板的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及施工方法作簡單介紹。

裝配式波形鋼腹板組合梁

(1)波形鋼腹板工字組合梁

有別于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土T梁，該結(jié)構(gòu)采用波形鋼板代替混凝土腹板，澆筑鋼筋混凝土頂板和底板，形成波形鋼腹板工字組合梁，吊裝至橋位后現(xiàn)場掛模施工形成箱梁。工廠預(yù)制波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土工字組合梁如圖5所示，運(yùn)輸安裝于橋梁墩臺蓋梁上。將縱、橫橋向相鄰工字梁構(gòu)件單元通過現(xiàn)澆混凝土連接形成多跨連續(xù)梁，典型案例為內(nèi)鄧高速張莊分離立交橋，如圖6所示。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制有利于梁體的質(zhì)量控制，需現(xiàn)場澆注的混凝土量較小，施工期間橋下道路不斷行，工期短，造價低，將復(fù)雜的箱型截面化整為零，更利于部品件的運(yùn)輸。隨著我國鋼材產(chǎn)能過剩、鋼材品質(zhì)的不斷提高，組合橋梁方面的創(chuàng)新、應(yīng)用和發(fā)展已刻不容緩。

(2)波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁

裝配式波形鋼腹板PC小箱梁和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土小箱梁的不同之處就是：將原來的鋼筋混凝土腹板由波形鋼腹板代替，在加工廠加工制作波形鋼腹板及抗剪連接件；在混凝土預(yù)制場預(yù)制混凝土頂、底板以及隔板，施工體外預(yù)應(yīng)力后架設(shè)至現(xiàn)場，吊模施工鉸縫和濕接頭，完成體系轉(zhuǎn)換。圖7為光山縣潑河橋波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，采用架橋機(jī)架梁；圖8為潑河橋小箱梁成橋后的效果，這是國內(nèi)第一座采用裝配式施工的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋。

滿堂支架法

滿堂支架法又稱就地現(xiàn)澆法，該方法在橋梁工程施工中較為常見，在國內(nèi)波形鋼腹板PC組合箱梁橋施工中的應(yīng)用案例也較多，較預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁橋施工更為簡便，工藝流程為：地基處理、支架搭設(shè)、支架預(yù)壓、底板安裝、底板鋼筋安裝、波形鋼腹板安裝、貫穿鋼筋及主梁鋼筋安裝、澆注內(nèi)襯及底板混凝土、頂板模板安裝、頂板鋼筋安裝、澆注頂板混凝土、體外預(yù)應(yīng)力張拉壓漿、拆除支架等。其常見跨徑在40^65 m。

國內(nèi)首座單箱七室波形鋼腹板變截面連續(xù)梁橋?yàn)樾吓_市邢州路橋。圖9為鄭州市南三環(huán)東延波形鋼腹板變截面連續(xù)梁橋的波形鋼腹板定位現(xiàn)場；圖10為西昌天王山大道跨海河橋成橋效果。它們均采用滿堂支架法施工。

圖5 波形鋼腹板工字組合梁

圖7 光山縣潑河橋波形鋼腹板小箱梁安裝

圖6 內(nèi)鄧高速張莊分離立交橋

圖8 光山縣潑河橋成橋

圖9 鄭州南三環(huán)東延波形鋼腹板定位

圖10 西昌市天王山大道跨海河橋

無支架施工法

無支架施工法就是利用波形鋼腹板作為承重導(dǎo)梁，先將波形鋼腹板安裝貫通，局部加固形成空間框架承重體系，而后掛模施工混凝土底板、頂板，也可采用預(yù)制混凝土頂、底板，在抗剪連接件處現(xiàn)澆混凝土濕接縫，形成整橋結(jié)構(gòu)。廣州魚窩頭匝道橋在國內(nèi)率先采用波形鋼腹板作為支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，僅在跨中處設(shè)置了一組鋼管支架，如圖11所示；圖12為該橋應(yīng)用于半徑R=110 m圓曲線上的成橋效果，開創(chuàng)了國內(nèi)波形鋼腹板組合梁在小半徑橋梁中應(yīng)用的先河。

頂推施工法

鋼-混凝土組合橋梁自重減輕，跨度增大，在頂推施工中應(yīng)用范圍較廣。在常莊水庫橋中首次采用了頂推施工法進(jìn)行波形鋼腹板PC組合箱梁橋的建設(shè)。頂推施工的原理是：在橋臺或橋墩后方搭建預(yù)制平臺，在預(yù)制平臺上將波形鋼腹板主梁按照結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分段澆筑；在混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后張拉前期預(yù)應(yīng)力束，然后與前一段梁用預(yù)應(yīng)力進(jìn)行連接；最后依靠頂推裝備和滑動裝置將箱梁沿橋縱軸方向頂進(jìn)成橋。圖13為常莊水庫波形鋼腹板頂推施工現(xiàn)場，圖14為頂推施工完成后的常莊水庫大橋。SCC掛籃根據(jù)功能要求主要分為主桁架、上橫梁、下橫梁、桁車行走系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、底板承重系統(tǒng)、菱形桁架等。

圖11 廣州魚窩頭匝道橋少支架施工

圖12 魚窩頭匝道橋成橋

圖13 常莊水庫大橋波形鋼腹板頂推施工

圖14 常莊水庫大橋

懸臂澆筑法

懸臂澆筑法是目前大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁橋施工中的常見工法，采用經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的掛籃逐段澆筑的方法進(jìn)行波形鋼腹板PC組合箱梁橋施工。波形鋼腹板懸臂澆筑較傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁橋優(yōu)勢突出，節(jié)段長度為4.8 m，有效減少全橋節(jié)段，省去了腹板鋼筋、支模、預(yù)應(yīng)力施工等工序，操作更為簡便、快捷。掛籃設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮波形鋼腹板縱向運(yùn)輸、橫向就位等功能要求。圖15為邢衡高速南水北調(diào)大橋鋼腹板組合梁懸澆施工，該橋采用了掛籃懸澆的施工工藝，掛籃在設(shè)計(jì)中綜合考慮了波形鋼腹板運(yùn)輸、安裝等功能。圖16為邢衡高速南水北調(diào)大橋的成橋效果，該橋的設(shè)計(jì)和施工為完善我國大跨徑波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工、抗剪連接件以及內(nèi)襯混凝土設(shè)計(jì)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

SCC工法

圖15 邢衡高速南水北調(diào)大橋波形鋼腹板組合梁懸澆

圖16 邢衡高速南水北調(diào)大橋

SCC工法是以波形鋼腹板作為可承重結(jié)構(gòu)的導(dǎo)梁，在大跨徑施工中省去了常規(guī)的掛籃配置，波形鋼腹板工字鋼梁本身具有較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度和抗彎性能，通過橫向聯(lián)系形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，承擔(dān)節(jié)段施工中的鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼束、混凝土等恒載以及施工活荷載。SCC掛籃根據(jù)功能要求主要分為主桁架、上橫梁、下橫梁、桁車行走系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、底板承重系統(tǒng)、菱形桁架等，該工法對掛籃設(shè)計(jì)的安全提出了更高要求。圖17為四川頭道河大橋SCC掛籃施工現(xiàn)場。圖18為山西運(yùn)寶黃河大橋SCC懸澆施工現(xiàn)場。

移動模架法

移動模架法是在原位將波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁分節(jié)段預(yù)制，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，張拉預(yù)應(yīng)力，拆除或移動前置模架，進(jìn)入下一節(jié)段施工。該工法適用于地勢平坦、地基穩(wěn)定且行車干擾少的施工場所，目前國內(nèi)已進(jìn)行了波形鋼腹板組合梁橋移動模架法施工的方案設(shè)計(jì)。

懸臂拼裝法

圖17 敘古高速頭道河大橋SCC掛籃

圖18 運(yùn)寶黃河大橋SCC懸澆施工

懸臂拼裝工藝是現(xiàn)階段可供橋梁設(shè)計(jì)者考慮的工藝，由于波形鋼腹板PC組合箱梁橋具有節(jié)段長、自重大、安裝便利等有利于懸臂拼裝的優(yōu)勢，因此該技術(shù)在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁橋中應(yīng)用較為廣泛，但波形鋼腹板PC組合梁橋中尚無應(yīng)用，在我國西北、東北有效施工工期短的地區(qū)可開展相應(yīng)的技術(shù)研究，對于加快施工進(jìn)度、降低跨年度工程施工或冬季施工造成的橋梁病害意義重大。

波形鋼腹板-鋼管混凝土組合梁

波形鋼腹板-鋼管混凝土是一種新型的組合結(jié)構(gòu)，主要由混凝土頂板、鋼管混凝土下弦桿、帶抗剪連接件的波形鋼腹板三部分組成，它整合了鋼管混凝土、波形鋼腹板的優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)自重、承載能力、橋型美觀性、施工便捷性等方面都是一種突破。這種結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)在于波形鋼腹板-鋼管混凝土制造中的號料和空間曲面焊接問題(圖19)。如在大跨徑中采用鋼管拱-波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)，其跨越能力、結(jié)構(gòu)美觀更為突出，但制造難度也隨之增加，圖20為京港澳高速柏鄉(xiāng)服務(wù)區(qū)人行橋。

H型波形鋼梁-GRFP橋面板組合梁

圖19 波形鋼腹板-鋼管混凝土制造

H型波形鋼梁-GFRP組合橋面板結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是：主梁采用H型波形鋼梁，橋面板采用GFRP橋面板，全部實(shí)現(xiàn)了裝配化施工。H型波形鋼梁由鋼制上下翼板、波形鋼腹板通過焊接組成工字形截面，上翼緣板設(shè)置連接件與GFRP橋面板組成橋面體系。圖21為采用起重機(jī)安裝加工成H型的波形鋼梁。GFRP具有較好的力學(xué)性能，以及抗疲勞、耐老化、輕盈、型材加工簡單等特征。圖22為國內(nèi)第一座H型波形鋼梁-GFRP橋面板橋——大廣高速6號橋。H型波形鋼梁-GFRP組合橋面的板結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)是主梁采用H型波形鋼梁，橋面板采用GFRP橋面板，全部實(shí)現(xiàn)了裝配化施工。

圖20 京港澳高速柏鄉(xiāng)服務(wù)區(qū)人行橋

鋼箱組合梁

采用半閉合鋼板箱形梁配合鋼筋混凝土橋面板，形成閉合的箱梁結(jié)構(gòu)，也稱槽型組合梁。底板、腹板、翼緣板以及各種加勁肋采用鋼結(jié)構(gòu)，頂板采用預(yù)制或現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)適用于簡支結(jié)構(gòu)、連續(xù)結(jié)構(gòu)或配合鋼管拱橋作主拱肋，也可在特大跨徑的斜拉橋或懸索橋中用作主梁結(jié)構(gòu)。圖23為鋼箱組合梁在工廠進(jìn)行預(yù)拼裝，圖24采用鋼箱組合梁的邢衡高速沙窩溝北支大橋。

鋼板組合梁

圖21 H型波形鋼梁安裝

鋼板組合梁是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)。它是由外露的工字型鋼與鋼筋混凝土頂板通過剪力鍵鏈接形成的一種組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)充分利用了鋼材和混凝土各自的材料性能，具有承載力高、剛度大、抗震性能和動力性能好、構(gòu)件截面尺寸小、施工快捷方便等特點(diǎn)；其缺點(diǎn)是在小半徑曲線或斜交橋梁中應(yīng)用受限。工字鋼板組合梁的主梁在工廠加工制作，分段運(yùn)輸至安裝現(xiàn)場，頂板可采用掛?，F(xiàn)澆法，也可以采用預(yù)制橋面板，通過在預(yù)制的橋面板設(shè)現(xiàn)澆濕接縫形成整體橋面板。圖25為曲港高速主線橋鋼板組合梁安裝，圖26為曲港高速主線橋鋼板組合梁安裝后的效果。

圖22 大廣高速6號橋

圖23 鋼箱組合梁預(yù)拼裝

圖24 邢衡高速沙窩溝北支大橋

鋼桁組合梁

鋼桁組合梁的主要受力構(gòu)件采用鋼管或型鋼。主梁由上弦桿、下弦桿、腹桿、抗剪連接件和混凝土橋面板組成。鋼桁組合梁根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為平面桁架和空間桁架兩大類，其在大跨徑橋梁中應(yīng)用有著良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。雅西高速干海子大橋(圖27)采用了44.5 m、62.5 m鋼管混凝土桁，且在國內(nèi)首次采用鋼管混凝土格構(gòu)墩、組合橋墩等；廣佛肇高速公路青岐涌特大橋(圖28)采用了41 m+70 m+41 m裝配式鋼桁-混凝土組合梁。

圖25 曲港高速主線鋼板組合梁安裝

圖26 曲港高速公路主線橋

圖27 雅西高速干海子大橋

圖28 廣佛肇高速青岐涌特大橋

結(jié)語

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綜合實(shí)力的提高，鋼-混凝土組合橋梁在結(jié)構(gòu)受力、全壽命經(jīng)濟(jì)分析、低碳環(huán)保等領(lǐng)域的突出優(yōu)勢逐漸為行業(yè)主管部門所青睞。國家大力倡導(dǎo)化解產(chǎn)能過剩的相關(guān)政策發(fā)布后，鋼結(jié)構(gòu)橋梁和鋼-混凝土橋梁的發(fā)展將迎來前所未有的機(jī)遇，橋梁工程師要將技術(shù)創(chuàng)新放在空前高度，在先進(jìn)材料的應(yīng)用以及橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、施工、養(yǎng)護(hù)等方面進(jìn)行系統(tǒng)性創(chuàng)新、跨學(xué)科研究。在國家和行業(yè)層面上，要加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)人才的培養(yǎng)、規(guī)范的制定、鋼結(jié)構(gòu)智能化設(shè)備的研發(fā)以及后期維護(hù)專項(xiàng)技術(shù)的研究，從而更好地推進(jìn)我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁事業(yè)的發(fā)展。