文章编号:１６７３－６０５２(２０１９)０１－００２３－０４ ＤＯＩ:１０.１５９９６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｂｆｊｔ.２０１９.０１.００６
南京大桥北路钢—混凝土连续组合梁桥设计
柳双军
(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司南京分公司 南京市 ２１００００)
摘 要:钢—混凝土连续组合梁桥具有自重轻、抗扭能力强、刚度大、施工速度快的优点ꎬ结合南京大桥北路匝道桥ꎬ介绍了组合梁在城市高架中的设计与应用ꎬ通过调整桥面板混凝土浇注顺序ꎬ中支点顶升２０ｃｍꎬ有效控制了负弯矩区域混凝土桥面板的开裂ꎮ
关键词:组合梁桥设计ꎻ中支点顶升ꎻ负弯矩设计ꎻ混凝土桥面板
中图分类号:Ｕ４４８.３４ 文献标识码:Ｂ
钢－混凝土组合结构桥梁充分利用钢材和混凝土各自的材料性能ꎬ通过剪力连接件将二者结合起来共同受力ꎬ相对于混凝土梁具有自重轻、构件截面尺寸小、承载能力高、施工速度快等优点ꎻ相对于钢梁具有刚度大、整体稳定性能好、造价低、无桥面板疲劳问题等优点ꎮ目前ꎬ钢－混凝土组合结构桥梁在城市高架等工程中应用相当广泛ꎮ结合南京大桥北路工程匝道桥ꎬ介绍钢－混凝土连续组合梁桥的总体布置、构造、剪力钉布置、施工顺序、钢梁涂装方案及采用中支点顶升的方法减小负弯矩区域混凝土桥面板的拉应力ꎮ１ 工程概况
南京大桥北路快速化改造工程南起浦珠路(江山路)桥北互通ꎬ穿过毛纺厂路、柳洲路和梅桂营铁路ꎬ北至江北大道ꎬ工程设计范围全长约２.７ｋｍꎬ高架段全长１.７５ｋｍꎮ主线高架及匝道桥上部结构以现浇预应力混凝土连续箱梁为主ꎬ其中ＱＣ匝道桥第二联需跨越已运行的南京地铁Ｓ８号线１号风井、２号风井及出入口处ꎬ混凝土箱梁现浇支架荷载对地铁构筑物结构影响较大ꎬ因此采用钢－混凝土连续组合箱梁跨越地铁构筑物ꎬ组合梁钢梁部分采用少支架拼装ꎬ桥面板采用现浇施工方法ꎮ下部结构桥墩采用实体“花瓶”型ꎬ墩身横桥向宽２.５ｍꎬ顶部扩大为３.９ｍꎬ顺桥向宽１.８ｍꎬ支座间距２.４ｍꎻ基础采用４根直径１.２ｍ钻孔灌注桩基础ꎮ
图１ 大桥北路ＱＣ匝道立面图
２ 钢－混凝土连续组合梁设计２.１ 组合梁构造
钢－混凝土连续组合梁跨径布置为３５.６８７ｍ＋３７ｍ＋３６ｍꎬ桥宽Ｂ＝８.２ｍꎬ截面采用单箱双室ꎬ梁总高２.０ｍꎬ桥面板厚０.３ｍꎬ腹板斜率为１∶２ꎮ钢梁由顶板、腹板、底板、横隔板、加劲肋组成ꎬ顶板板厚２５~３０ｍｍꎬ宽０.６ｍꎬ腹板板厚１６~１８ｍｍꎻ底板板厚２０~２５ｍｍꎬ宽３.９０５ｍꎮ钢梁沿纵向每６ｍ设置一道横隔板ꎬ中支点两侧各１.５ｍ设置一道顶升隔板ꎬ隔板间设置一道竖向加劲肋ꎬ现浇混凝土桥面板全宽８.２ｍꎬ厚度为０.３ｍꎬ挑臂长度１.３５ｍꎬ采用Ｃ５０钢纤维混凝土ꎻ钢箱梁与桥面板通过剪力连接件连接在一起共同受力ꎬ剪力连接件钉采用Ｄ２２×２２０ｍｍ圆柱头焊钉ꎮ钢梁采用Ｑ３４５ｑＤ钢材ꎻ全桥钢材合计２６５.２ｔꎬ用钢指标为２９７ｋｇ/ｍ２ꎮ钢梁采用少支架吊装施工ꎬ桥面板混凝土采用现浇施工ꎮ图２为钢－混凝土组合梁标准断面图ꎮ
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图２ 连续组合梁一般截面构造图(单位:ｍｍ)
２.２ 组合梁计算分析
采用ｍｉｄａｓＣｉｖｉｌ软件建立全桥空间杆系结构进行分析ꎬ全桥共９６个梁单元ꎮ为简化计算分析过程ꎬ假定钢材与混凝土均为理想线弹性材料ꎬ忽略混凝土桥面板与钢梁之间的滑移作用ꎬ两者视为刚性粘结ꎮ边界条件根据支座的实际设置情况模拟为单向滑动、双向滑动及固定支座ꎮ有限元模型如图３所示ꎮ
施工阶段５及基本组合作用下钢梁顶底板应力见图４~图７ꎮ
图４ 施工阶段５钢梁顶板应力图
图３ 计算模型
图５ 施工阶段５钢梁底板应力图
(１)施工阶段及对应阶段的钢梁应力
施工阶段１２３４５６７８
施工阶段钢梁底板最大应力为１０４.３ＭＰａꎬ顶板最大应力为１５１.５ＭＰａꎬ均小于２７０ＭＰａꎬ满足设计规范要求ꎮ
(２)使用阶段钢梁及桥面板应力
表１ 施工阶段描述及钢梁应力汇总表
施工阶段描述
钢梁应力(ＭＰａ)顶板３０.１８５.５
底板２０.７５８.９５８.７９６.６１０４.３１０４.９６８.７９１.１
少支架架设钢梁ꎬ支架避开地铁构筑物ꎻ
拆除临时支架ꎬ浇注中墩墩顶左、右８ｍ范围外混凝土桥面板ꎻ
已浇注区域内混凝土桥面板与钢梁叠合并作为整
８５.３
体截面参与下阶段受力ꎻ
现浇混凝土强度达到１００％ꎬ混凝土龄期≥１４ｄ后ꎬ中支点顶升０.２ｍꎬ顶升位置为支座隔板两侧１.５ｍ
１４０.４
处隔板ꎬ顶升支点位于腹板处ꎬ一个桥墩六个顶升点合力约为２８６０ｋＮꎬ顶升采用同步顶升工艺ꎻ浇注中墩墩顶左、右８ｍ范围内混凝土桥面板ꎻ
全桥混凝土桥面板与钢梁叠合并作为整体截面参
１５０.１
与下阶段受力ꎻ
现浇混凝土强度达到１００％ꎬ混凝土龄期≥１４ｄ后ꎬ
１４０.３
中支点回落至支座ꎻ
二期铺装、栏杆等附属结构施工ꎬ成桥ꎻ
１４３.１１５１.５
图６ 基本组合钢梁顶板应力图
图７ 基本组合钢梁底板应力图
由表１可知ꎬ施工阶段５钢梁顶底板应力最大ꎮ
使用阶段钢梁底板最大应力为２０２.０ＭＰａꎬ顶板
２０１９年 第１期 柳双军:南京大桥北路钢—混凝土连续组合梁桥设计—２５—
最大应力为１６５.１ＭＰａ<２７０ＭＰａꎬ满足设计规范要求ꎮ支座反力为１９４ｋＮꎬ中墩支座反力为２０３３ｋＮꎬ支座均保持在受压状态ꎬ满足规范要求ꎮ钢梁支座横桥向间距为２.４ｍꎬ使上部结构稳定的弯矩为１６５１０ｋＮｍꎬ使上部结构失稳的弯矩为３３３８ｋＮｍꎬ横桥向抗倾覆稳定系数为４.９>２.５ꎬ满足规范要
图８ 标准组合桥面板压应力(单位:ＭＰａ)
求ꎮ
３ 剪力钉布置
圆柱头焊钉连接件是钢－混凝土组合结构中应用最为普遍的连接件形式ꎬ广泛地应用于组合结构中ꎬ当剪力钉的数量、直径较强配置时ꎬ连接性能可近似达到刚性连接ꎬ与组合梁计算假定接近ꎮ本联组合梁剪力钉采用Ｄ２２×２２０ｍｍ圆柱头焊钉ꎬ单个焊钉抗剪承载力设计值为１０２ｋＮꎬ设计要求焊钉的焊接工作应在钢梁制造厂内焊接完成ꎬ在进行拉伸试验时当拉力荷载达到１５９.６ｋＮ时ꎬ不得断裂ꎻ继续增大载荷直至拉断ꎬ断裂不应发生在焊缝和热影响区内ꎮ全桥共计焊钉６４７８个ꎬ顺桥向间距３００ｍｍꎬ横隔板、端支点６ｍ范围内、中支点３.３ｍ范围内间距１５０ｍｍꎬ剪力钉布置见图９及图１０ꎮ
标准组合桥面板最大压应力为７.４ＭＰａ<２２４ＭＰａꎬ满足规范要求ꎮ
(３)组合梁预拱度设计
连续钢－混凝土组合梁预拱度按结构自重标准值加１/２车道荷载频遇值产生的挠度值设置ꎬ其中频遇值系数为１.０ꎮ一期恒载的边跨跨中挠度为４７.５ｍｍꎬ二期恒载的边跨跨中挠度为８.３ｍｍꎬ活载的边跨跨中挠度为１６.５ｍｍꎬ边跨跨中处预拱度为拱度为１３.８＋１.４＋０.５×１３.５＝２２ｍｍꎬ钢梁预拱度应在钢梁工厂加工时预先按抛物线设置ꎮ
(４)组合梁抗倾覆计算
基本组合下ꎬ钢－混凝土连续组合梁边墩单个４７.５＋８.３＋０.５×１６.５＝６４ｍｍꎬ同理ꎬ中跨跨中预
图９ 剪力钉布置横断面图(单位:ｍｍ)
土开裂ꎬ对桥梁的承载能力、梁截面刚度、结构耐久性产生很大的影响ꎮ目前常用的减小混凝土桥面板拉应力的方法有ꎬ一是调整跨中、中支点混凝土的浇注顺序来减少ꎬ二是支点顶升(支座位移法)ꎬ三是负弯矩区域配置预应力钢束的方法ꎮ本联组合梁采用调整桥面板混凝土浇注顺序以及中支点顶升２０ｃｍ的方法ꎬ通过顶升２０ｃｍ后ꎬ负弯矩区域混凝土拉应力相对降低了２ＭＰａꎬ有效地控制了混凝土桥面板的开裂ꎮ
图１０ 剪力钉布置平面图(单位:ｍｍ)
本工程组合梁仅两联ꎬ桥面板采用现浇施工ꎬ桥面板混凝土采用Ｃ５０钢纤维混凝土ꎮ负弯矩混凝土桥面板按允许开裂并控制混凝土裂缝宽度的方法设计ꎬ桥面板裂缝宽度计算时考虑桥面板的有效分
４ 桥面板负弯矩区域设计
钢－混凝土连续组合梁中支点负弯矩处桥面板在弯矩作用下产生很大的拉应力ꎬ如果桥面板混凝
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布宽度ꎮ桥面板配筋在总宽８.２ｍ范围内上下缘均按双肢２５＠１５０ｍｍ布置ꎬ配筋率４.３％ꎬ钢筋应力为１２４.５ＭＰａꎬ裂缝宽度０.１４８ｍｍ<０.２ｍｍꎬ满足规范要求ꎮ５ 钢梁涂装
钢梁内、外部的防腐涂装采用性能可靠、附着力强、耐候性好、防腐蚀强、成熟可靠以及使用期保证在１５年以上的涂装材料ꎮ钢梁采用的油漆涂装方案如表２所示ꎮ
表２ 钢梁内、外部的防腐涂装设计方案
部位钢箱梁外表面、外横隔板
涂装要求
环氧富锌底漆１道环氧云铁中间漆 ２道聚硅氧烷面漆２道
设计值共８０μｍ共１２０μｍ共１００μｍ共５０μｍ共３００μｍ
场地厂内厂内厂内ꎬ最后一道在现场厂内厂内
６ 结论
钢－混凝土连续组合梁较钢梁经济性好、桥面板耐久性好ꎬ并充分地利用了钢材与混凝土的优点ꎬ组合梁较现浇混凝土梁在施工方法、跨径布置、小半径曲线段等建设条件下适应能力更强ꎬ本联钢－混凝土连续组合梁采用槽形钢梁的截面形式ꎬ结构简洁、受力明确、整体性好、抗扭刚度大ꎬ钢梁施工阶段荷载轻ꎬ有效地解决了匝道桥跨越地铁构筑物的问题ꎮ随着我国城镇化的大力推进ꎬ城市高架建设中ꎬ地铁、综合管廊、既有不便改移的管线等常见构筑物使得桥梁的总体布置更加复杂ꎬ组合梁灵活的跨径布置能更好地适应城市建设的需要ꎮ论文结合工程实例ꎬ介绍了常见钢－混凝土连续组合梁的构造布置、主要分析计算过程及负弯矩的设计方法ꎬ希望对钢－混凝土连续组合梁的设计提供良好的借鉴作用ꎮ
参考文献
[１] 邵长宇.梁式组合结构桥梁[Ｍ].北京:中国建筑工业出版
社ꎬ２０１４.
钢箱梁内表面、环氧富锌底漆 １道内横隔板环氧(厚浆)漆(浅色)２道
钢梁顶板与混凝土桥面板接触面涂装方案为:冷喷锌２道ꎬ厚度９０μｍꎬ冷喷锌干膜涂层全锌含量不低于９６％ꎮ
ＤｅｓｉｇｎｏｎＳｔｅｅｌ－ｃｏｎｃｒｅｔｅＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣｏｍｐｏｓｉｔｅＢｅａｍＢｒｉｄｇｅａｔ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅｓｔｅｅｌ－ｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｅａｍｂｒｉｄｇｅｉｓｗｉｔｈｍｅｒｉｔｓｏｆｌｉｇｈｔｓｅｌｆｗｅｉｇｈｔꎬｓｔｒｏｎｇｔｏｒｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｂｉｌｉｔｙꎬｌａｒｇｅｒｉｇｉｄｉｔｙꎬａｎｄｒａｐｉｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｐｅｅｄ.ＩｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｒａｍｐｂｒｉｄｇｅａｔｎｏｒｔｈｒｏａｄｏｆＮａｎｊｉｎｇｂｒｉｄｇｅꎬｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｅａｍｓｉｎｕｒｂａｎｏｖｅｒｈｅａｄｖｉａｄｕｃｔａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｃｒａｃｋｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｂｒｉｄｇｅｄｅｃｋｓｌａｂｉｎｔｈｅａｒｅａｏｆｈｏｇｇｉｎｇｍｏｍｅｎｔ.Ｃｏｎｃｒｅｔｅｂｒｉｄｇｅｄｅｃｋｓｌａｂ
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