鋼與混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)與施工

　　摘 要：介紹了上海城市軌道交通明珠線(xiàn)特殊大橋-中山北路橋設(shè)計(jì)與施工概況及主要技術(shù)要點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)。中山北路橋上跨道路主要干道環(huán)線(xiàn)中山北路高架橋，為三跨30m+55m+30m預(yù)應(yīng)力混凝土與鋼組合連續(xù)梁橋，即邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，并自中墩支點(diǎn)向跨中伸出2.5m與預(yù)制箱梁縱向連接，經(jīng)體系轉(zhuǎn)換形成連續(xù)梁，鋼梁上橋面板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用剪力釘連接技術(shù)形成組合梁。目前該橋已施工完畢，經(jīng)驗(yàn)收，質(zhì)量被評(píng)為優(yōu)良。

　　關(guān)鍵詞：組合梁; 連接技術(shù);設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

　　一、概述

　　中山北路橋位于軌道交通明珠線(xiàn)與上海市中山北路、西體育路、新市路、西江灣路的交匯處, 上跨道路中山北路高架橋，與其斜交角約為30°。橋梁上部結(jié)構(gòu)為三跨(30+55+30米)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，其兩邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，梁高為1.90～2.35米。中跨為鋼-混凝土結(jié)合梁，梁高2.35米，全橋?qū)?.9～8.92米。橋梁中墩采用圓形獨(dú)柱結(jié)構(gòu)，直徑2.0米，墩高16.804米(1#墩)和15.604米(2#墩) 。兩邊墩為雙矩形柱加系梁結(jié)構(gòu)，墩高18.301米(0#墩)，15.591米(3#墩) ?；A(chǔ)均為鉆孔灌注樁、承臺(tái)結(jié)構(gòu)。

　　二、橋型選擇

　　(一)方案選擇

　　由于城市交通的發(fā)展，城市立交橋跨越主要交通干道時(shí)有發(fā)生，針對(duì)這種跨度大、曲線(xiàn)斜交的橋梁，常采用的橋梁型式有預(yù)應(yīng)力混凝土梁或鋼與混凝土結(jié)合梁。預(yù)應(yīng)力混凝土梁常用的施工方法有支架現(xiàn)澆和懸臂澆注法，支架施工嚴(yán)重影響相交主路交通，而懸臂澆注時(shí)由于采用的掛籃等施工設(shè)備需占用一定空間，增加了橋梁高度，而造成不必要的浪費(fèi)。連續(xù)結(jié)合梁施工時(shí)常采用分段制作現(xiàn)場(chǎng)拼裝，主跨接頭一般設(shè)在彎距零點(diǎn)附近，拼裝時(shí)須在接頭處搭設(shè)臨時(shí)支架，仍會(huì)局部影響主路交通。而簡(jiǎn)支結(jié)合梁梁高較高，跨度受到限制。因此，尋找一種跨度大、重量輕、能預(yù)制安裝的橋梁結(jié)構(gòu)形式非常必要，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁與結(jié)合梁的縱向連接結(jié)構(gòu)，是一種非常有效且有競(jìng)爭(zhēng)力的方案。目前世界上已建成一批混合結(jié)構(gòu)的橋，如：法國(guó)Namandi斜拉橋，德國(guó)Kurt-Schumacher斜拉橋，日本生口橋、多多羅大橋及國(guó)內(nèi)的徐浦斜拉橋等(2)。

　　軌道交通明珠線(xiàn)中山北路橋橋位處交通狀況復(fù)雜，需上跨道路內(nèi)環(huán)線(xiàn)的中山北路高架橋，為不影響交通，預(yù)制梁的最小跨度為50米。而橋下又處于四條交通干道的交匯處，使得橋墩的位置也受到限制。

　　方案比選時(shí)，曾考慮過(guò)全鋼梁方案，但造價(jià)比原造價(jià)增加181萬(wàn)元，約40%。最后，經(jīng)研究分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及評(píng)估論證，此橋采用30+55+30米的連續(xù)體系縱向牛腿連接的混合結(jié)構(gòu)，此橋型成功地解決了跨越主干道而不中斷交通的難題，橋梁外型簡(jiǎn)潔明快，造價(jià)低，是明珠線(xiàn)橋梁的成功之處之一。

　　圖1 中山北路橋總布置圖

　　(二)邊跨懸臂長(zhǎng)度探討

　　本橋在施工過(guò)程中存在著體系轉(zhuǎn)換問(wèn)題，在開(kāi)口鋼梁吊裝時(shí)是懸臂梁加簡(jiǎn)支掛梁體系，所受荷載為開(kāi)口鋼梁及預(yù)應(yīng)力混凝土梁自重，鋼梁與混凝土梁連接后轉(zhuǎn)換為連續(xù)梁。

　　連接截面一般比較薄弱，應(yīng)設(shè)置在內(nèi)力較小的地方，如彎距零點(diǎn)附近，約l/4(中跨)處。但由于本橋所處的特殊位置，受地面道路和立交橋通行等條件的限制，中墩必須設(shè)置于快慢車(chē)道的分隔帶中，而現(xiàn)澆懸臂采用支架施工，不能侵入所跨的道路環(huán)線(xiàn)高架橋凈空，經(jīng)實(shí)測(cè)，橋梁的懸臂長(zhǎng)度只有2.5m，僅為中跨的0.05l 。為保證此種結(jié)構(gòu)體系在初次使用時(shí)安全、可靠，設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了各種工況的比較分析，經(jīng)計(jì)算得知，中墩支點(diǎn)彎距與中跨跨中彎距基本平衡，說(shuō)明結(jié)構(gòu)體系是合理的，但由于連接點(diǎn)位置距中墩支點(diǎn)太近，使得該處頂板彎距達(dá)到11382kN-M，所以連接點(diǎn)結(jié)構(gòu)是否安全可靠，是此橋設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。 

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　　三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

　　1、 特殊荷載及其組合

　　軌道交通高架橋不同于其他橋梁的特點(diǎn)之一即梁軌之間相互作用的縱向力，橋上縱向力考慮伸縮力、撓曲力、斷軌力和制動(dòng)力。以上這些力作用在梁軌接觸面上，但對(duì)一般的橋梁上部結(jié)構(gòu)影響不大，驗(yàn)算墩臺(tái)時(shí)作用點(diǎn)移至支座中心處，上述各力依照下列原則組合：伸縮力與撓曲力不疊加，選取較大者和制動(dòng)力疊加;如斷軌時(shí)鋼軌產(chǎn)生的斷軌力大時(shí)，則按一股鋼軌斷軌，另一股鋼軌內(nèi)存在伸縮力或撓曲力計(jì)算;不論如何疊加，其最終作用力的量值不應(yīng)超過(guò)全橋扣件總阻力。

　　2、橋梁縱斷面設(shè)計(jì)

　　本橋 疊加，其最終作用力的量值不應(yīng)超過(guò)全橋扣件總阻力。

　　2、橋梁縱斷面設(shè)計(jì)

　　本橋位于設(shè)計(jì)縱斷坡度為1.6%的坡道上。邊跨30米為變截面，為保持本橋與區(qū)間橋梁的協(xié)調(diào)一致，梁高由邊跨端部1.9米按直線(xiàn)漸變至中墩支點(diǎn)2.35米，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁，并在中支點(diǎn)處向中跨懸臂2.5米，做成牛腿與中段結(jié)合梁相接。中段為鋼-混凝土結(jié)合梁，梁高2.35米，結(jié)合梁長(zhǎng)50米。

　　3、橫斷面設(shè)計(jì)

　　橋面全寬一般段為8.9米，漸變段為8.9～8.92米。邊跨混凝土箱梁采用單箱單室。滿(mǎn)堂支架施工。中跨結(jié)合梁為雙箱單室，結(jié)合梁全高2.35米，鋼梁高2.0米，考慮施工吊裝能力700kN左右，因此，橫斷面設(shè)計(jì)為雙箱，每箱單獨(dú)重約700kN，吊裝之后在兩鋼箱梁之間用型鋼橫向連接。

　　4、鋼梁設(shè)計(jì)

　　鋼梁采用箱形截面(鋼梁頂板為混凝土橋面板)。鋼材為16Mnq鋼。鋼梁與混凝土頂板用剪力釘連接。

　　5、預(yù)應(yīng)力混凝土梁與結(jié)合梁的連接

　　預(yù)應(yīng)力混凝土梁與結(jié)合梁的縱向連接是本橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。混合梁中鋼梁與混凝土的連接方式大致可分為三種，即填充混凝土前板式、填充混凝土后板式和鋼板式?；炷吝B接施工操作容易控制，質(zhì)量易于保證，而鋼板連接，構(gòu)件加工、吊裝及予埋鋼板的位置等各個(gè)工序的精度要求都較高，施工質(zhì)量難于控制。

　　本次設(shè)計(jì)嘗試了一種新的連接方式：牛腿連接，即接口處的主力(主要是壓力、剪力)通過(guò)接頭混凝土傳遞給鋼梁內(nèi)臂上的剪力連接器和端頭承壓鋼板，經(jīng)他們傳遞到鋼梁。橋面混凝土連續(xù)。為使其在二期恒載及活載作用下的連接牢固可靠，鋼梁端頭2.5米范圍內(nèi)澆筑混凝土并張拉連接預(yù)應(yīng)力束，混凝土牛腿端面預(yù)留錨筋伸入鋼梁端頭混凝土中。鋼梁端頭內(nèi)混凝土與鋼梁連接采用剪力釘，詳見(jiàn)連接示意圖?！　?

　　圖2：混凝土梁與鋼梁連接示意圖

　　6、 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算

　　主橋計(jì)算采用同濟(jì)大學(xué)李國(guó)平的《橋梁結(jié)構(gòu)分析綜合系統(tǒng)》程序，并用《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁通用計(jì)算程序》予以校核。

　?、庞?jì)算模式

　　鋼梁與兩邊跨固接前，主梁為簡(jiǎn)支梁加掛孔結(jié)構(gòu)，澆注連接混凝土后形成三跨連續(xù)梁。

　　⑵計(jì)算階段劃分

　　第一階段：現(xiàn)澆邊跨混凝土箱梁，張拉腹板預(yù)應(yīng)力束;

　　第二階段：吊裝鋼梁，加施工荷載;

　　第三階段：現(xiàn)澆鋼梁端頭連接混凝土及對(duì)應(yīng)頂板混凝土;

　　第四階段：張拉連接預(yù)應(yīng)力束，形成三跨連續(xù)梁;

　　第五階段：現(xiàn)澆鋼梁兩端7.5m范圍頂板混凝土;

　　第六階段：張拉部分頂板預(yù)應(yīng)力束;

　　第七階段：現(xiàn)澆鋼梁中間橋面混凝土;

　　第八階段：張拉其余頂板預(yù)應(yīng)力束;

　　第九階段：徐變90天;

　　第十階段：施加二期恒載;

　　第十一階段：徐變120天;

　　第十二階段：徐變360天;

　　第十三階段：運(yùn)營(yíng)階段。

　　7.橋墩

　　由于本橋橋墩較高，最高達(dá)18.3m，同時(shí)該橋跨度與相鄰標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間跨度相差較大，故在橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于縱向力采用剛度分配法，剛度考慮支座、橋墩及基礎(chǔ)的組合剛度，根據(jù)剛度分配一孔或一聯(lián)的縱向水平力。

　　經(jīng)計(jì)算分析，中墩采用直徑2.0米的鋼筋混凝土圓柱形獨(dú)墩。邊墩采用雙矩形墩加系梁結(jié)構(gòu)，墩柱截面尺寸1.2X2.0米，高18.301(15.591)米。每個(gè)墩頂面放置一塊QGBZ350×600×57-CR毫米板式橡膠支座，以抵抗箱梁扭轉(zhuǎn)引起的反力。

　　8.基礎(chǔ)

　　方案設(shè)計(jì)時(shí)曾對(duì)鉆孔灌注樁、鋼筋混凝土打入樁和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)行了比選，由于沉降控制的原因，同時(shí)由于該橋位限制，不能擴(kuò)大承臺(tái)范圍，最后決定采用采用鉆孔灌注樁，每個(gè)基礎(chǔ)有6根直徑1.0米，長(zhǎng)73米的鉆孔灌注樁，樁尖持力層選擇⑨層粉細(xì)砂層。

　　樁基設(shè)計(jì)從三方面控制：　　

　　⑶.沉降控制：滿(mǎn)足軌道變形的要求，控制在2cm。

　　設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)樁基的沉降量進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1。

　　沉降計(jì)算結(jié)果 表1 、施工

　　(一)施工順序

　　1.進(jìn)行基礎(chǔ)及墩柱施工，后安放支座;

　　2.支排架澆筑兩邊跨及邊跨的懸臂、牛腿，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后張拉腹板預(yù)應(yīng)力鋼筋;

　　3.吊裝中孔兩片裸鋼梁至邊跨懸出的牛腿上;鋼梁調(diào)整就位后焊接兩箱之間底板裝飾鋼板;

　　4. 拆除兩邊跨排架并用角鋼將兩片鋼箱梁橫向連接;

　　5.澆筑鋼箱內(nèi)兩端頭連接混凝土及對(duì)應(yīng)的橋面板混凝土，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后張拉橫梁預(yù)應(yīng)力鋼筋;

　　6.支鋼箱梁的鋼筋混凝土橋面板底模，澆筑7.5米長(zhǎng)橋面板，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%后張拉橋面預(yù)應(yīng)力筋;

　　7.澆筑其余30米長(zhǎng)橋面板，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%后張拉其余橋面預(yù)應(yīng)力筋;

　　8.恢復(fù)橋面人孔。進(jìn)行橋面系施工。

　　(二)深基礎(chǔ)施工

　　上海地區(qū)的地層屬淤泥質(zhì)軟土層，本橋設(shè)計(jì)的73米長(zhǎng)直徑1米的鉆孔灌注樁是施工中的一個(gè)難題。施工單位對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的施工組織設(shè)計(jì)，制定了工期、質(zhì)量、安全的目標(biāo)，作好充分的現(xiàn)場(chǎng)和技術(shù)準(zhǔn)備。施工工藝采用正循環(huán)泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，二次正循環(huán)清孔，游輪式導(dǎo)管灌注水下混凝土的“目打目灌”式施工方法。針對(duì)淤泥質(zhì)軟土層，設(shè)計(jì)要求在樁頭埋設(shè)2米的鋼護(hù)筒，以避免塌孔。進(jìn)行二次清孔，清孔后沉渣必須保證小于100mm。在施工過(guò)程中實(shí)施全面質(zhì)量管理，采取質(zhì)量保證措施，確保鉆孔樁的施工質(zhì)量。

　　(三)50m鋼梁吊裝

　　50m鋼梁跨越中山北路內(nèi)環(huán)高架道路，安裝標(biāo)高23.1 m。針對(duì)高架道路及西體育會(huì)路南側(cè)高壓線(xiàn)及其它地面不利因素，鋼梁吊裝時(shí)制定了如下相應(yīng)對(duì)策：

　　1、盡量減少占用地面公交道路，吊裝進(jìn)場(chǎng)安排在夜間進(jìn)行。

　　2、吊裝期間，考慮必須的臨時(shí)停電。

　　3、與相關(guān)部門(mén)加強(qiáng)協(xié)商、協(xié)調(diào)，在吊裝區(qū)域，設(shè)置好安全警戒線(xiàn)。

　　4、吊裝方法：250T吊機(jī)停在西體育會(huì)路中山北路口，136T吊機(jī)停在新市路中山北路口，50.5m鋼梁整體沿中山北路由西向東運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。采用250T吊機(jī)單機(jī)起吊，起升高度超過(guò)1#墩后緩慢將鋼梁尾端放在1#墩上，136T汽車(chē)吊主鉤到位，將鋼梁的另端起吊，鋼梁由兩臺(tái)吊機(jī)雙機(jī)抬吊轉(zhuǎn)向就位。

　　鋼梁于1998年12月25日由工廠運(yùn)至工地，25日夜開(kāi)始吊裝至26日凌晨完成，早六時(shí)恢復(fù)中山北路內(nèi)環(huán)高架道路通車(chē)。

　　五、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

　　該橋全長(zhǎng)115米，寬8.9 米，橋梁面積1024m2，橋梁總概算546萬(wàn)元，綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為5332元/ m2。

　　六、綜合分析

　　上海市城市軌道交通明珠線(xiàn)是國(guó)內(nèi)第一條全高架軌道交通線(xiàn)路，中山北路橋首次將預(yù)應(yīng)力混凝土與鋼的組合梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于軌道交通橋梁中，發(fā)明了縱向牛腿連接技術(shù)，并取得了成功，為軌道交通橋梁的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。它主要解決了以下問(wèn)題：

　　1.針對(duì)軌道交通高架橋的特殊荷載方式，提出了組合方法;

　　2.發(fā)明了預(yù)應(yīng)力混凝土梁與鋼梁的縱向牛腿連接技術(shù);

　　3.設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)根據(jù)施工階段劃分，模擬每個(gè)施工步驟;

　　4.采用剛度分配法解決高墩設(shè)計(jì);

　　5.位于主要交通交叉口特殊地段的深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)及基礎(chǔ)沉降控制;

　　6.解決50m鋼梁的運(yùn)輸及吊裝問(wèn)題，將對(duì)交通的干擾降低到最小;

　　7.進(jìn)行軌道交通高架橋梁的徐變分析及量測(cè)，為今后高架橋的設(shè)計(jì)提供了可供借鑒的資料。

　　8.在綜合經(jīng)濟(jì)效益方面，比鋼梁和懸臂拼裝的預(yù)應(yīng)力混凝土梁有較大優(yōu)勢(shì)。

　　總之，本橋結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)先進(jìn)、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工方便，是今后橋梁設(shè)計(jì)中較有競(jìng)爭(zhēng)力一種新橋型。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.上海城市軌道交通明珠線(xiàn)中山北路橋施工設(shè)計(jì)總說(shuō)明，北京市城建設(shè)計(jì)研究院，1997年11月。

　　2.“日本一座別具一格的斜拉橋-浜名湖混合梁斜拉橋”，嚴(yán)國(guó)敏，國(guó)外橋梁，1997年第一期。

　　3.上海城市軌道交通明珠線(xiàn)中山北路橋施工組織設(shè)計(jì)，上海市冶金建設(shè)有限公司，1997年12月。