京东立交桥钢箱-混凝土结合梁的设计

京东立交桥钢箱—混凝土结合梁的设计北京市市政工程设计研究总院　王　韬 北京市两高联络线工程指挥部　张宏利 提　要　简要介绍京东立交桥钢箱—混凝土结合梁的设计情况。

关键词　立交桥　钢箱—混凝土结合梁　设计
近年来,在北京的城市道路建设中,钢箱—混凝土结合梁这种结构形式越来越多地被采用。

相对于其它的一些结构形式,钢箱—混凝土结合梁充分发挥了钢的高强度与混凝土抗压强度远大于抗拉强度的材料特性,具有结构轻巧美观、跨越能力大、施工快速方便、不中断现况交通、综合工程造价较低等一些优点。

因此,在今后的市政桥梁建设中,这种结构的应用前景是非常广阔的。

北京市机场路至京津塘路联络线(东四环路)工程的东郊铁路编组站高架桥主桥就是一座钢箱—混凝土结合梁桥,这座桥的设计工作开始于1998年3月,同年10月完成,工程于1999年8月完成。

1　工程概况
机场路至京津塘路联络线(东四环)是北京四环快速路系统的一部分。

东四环南接京津塘高速公路,中间与京沈高速公路、京通快速路相连,北接机场高速路四元桥,道路长度为15.25 km;设计车速100km/h;主路设双向8车道另加连续停车带,主路两侧有7～12m的辅路;在主路高架部分,辅路位于主路之下。

东郊铁路编组站高架桥位于机场路至京津塘路联络线与东郊铁路编组站交汇处,是化工路立交至通惠河高架桥的一部分,对应主线桩号为18+508～18+672。

此段桥梁需要上跨东郊铁路编组站及辅路铁路箱涵。

因为铁路编组站内不具有设置永久桥墩的条件,根据铁路线路及铁路箱涵的位置确定高架桥桥梁跨径布置为45m+74m+45m,中孔74m一跨跨越编组站及铁路箱涵。

本桥位于道路变速车道段,标准段道路横断面布置为0.60m(栏杆、地袱)+ 16.00m(机动车道)+2.50m(中央隔离带)+ 16.00m(机动车道)+0.60m(栏杆、地袱)= 35.70m。

设计荷载:汽车—超20级;挂车—120;桥下净空:7.0m;抗震标准:按9度烈度设防。

根据桥梁跨径及道路竖向线形的要求,并考虑到施工方面的一些问题,确定采用钢箱—混凝土结合箱形连续梁的结构形式,主梁在南侧边墩梁高为1.57m,在中墩处梁高为3.27 m,在北侧边墩处梁高为1.47m,中跨跨中梁高为2.07m,其中混凝土桥面板厚度为0.27 m。

2　施工方法
通常钢箱—混凝土结合梁的安装都是在弯矩零点(1/4跨径)处搭设临时支架以减小施工跨径,从而减小钢梁部分的施工内力。

但由于本桥中跨跨越铁路编组站,受场地条件的限制,中跨无法进行吊装,而且也不允许在弯矩零点附近设置临时支撑,仅仅能够在编组站中侧偏北靠近跨中的部位设置临时支撑,因此考虑架设导梁,以导梁作为拼装平台完成各段的现场连接。

导梁采用六四式铁路军用梁,顶拉就位。

同时在4个永久中墩墩顶架设龙门吊,以完成各钢箱的横向移位。

具体施工步骤如下。

(1)架设临时墩;
(2)架设导梁;
(3)在边跨起吊各预制段至导梁顶,在导梁顶利用滑轨纵向移动就位;
(4)连接各个制作段;
(5)利用墩顶龙门吊机将连成整体的制作段横移至盖梁顶;
(6)利用盖梁顶面的临时滑道横移就位;
(7)重复(3)～(6),完成6个钢箱的安装;
(8)搭设桥面板模板;
(9)浇筑混凝土桥面板,达到强度后张拉桥面板预应力钢束;
(10)拆除边跨临时支撑;
(11)拆除中跨临时墩;
(12)进行桥面铺装及路面设施的施工。

施工方法往往决定着桥梁结构的最终受力,因此在计算中必须考虑到每一个施工步骤,使计算模型尽可能与实际施工过程相符合。

3　主梁的设计
钢箱—混凝土结合梁的受力特点是这样的:在钢梁安装阶段,钢梁简支支承在各永久墩和临时支撑上,由开口钢箱梁承担各段简支钢梁的自重,钢梁内部有自重应力;之后完成钢梁各制作段的联接,此时钢梁内部的应力不发生变化;再浇筑混凝土桥面板,此时混凝土的自重完全由钢梁承担,钢梁内部有混凝土自重应力,混凝土内无应力;待混凝土达到设计强度后,进行桥面板预应力张拉,此时全截面受力,钢梁内、混凝土桥面板内有预应力产生的应力;张拉完成后,拆除各临时支撑,完成体系转换,梁内产生体系转换应力,此时结构已经具有使用阶段的结构形式;最后进行桥面铺装和附属构造物的施工。

由上述可知,在设计中应努力降低在形成组合截面前钢梁内部的应力,这就要求合理设置临时支撑,以减小施工跨径;尽量减小混凝土桥面板自重。

根据以上分析,考虑到工厂预制条件、运输及吊装能力,在顺桥向将主梁分为5个制作段,各段长度分别为33、30、38、30、33m;各段最大重量为74t。

主梁横向分为6个箱体,单箱宽度为3.0m,箱中距为6.0m。

钢梁部分上翼缘板厚度为20m m,腹板厚度为20mm,下翼缘板厚度为30m m。

间隔约6m左右设置横隔板,横隔板翼缘板厚度20mm,腹板厚度为16 m m,在支点及连接处对横隔板予以加强。

钢箱梁与混凝土桥面板通过主梁及横隔板上翼缘板上的传剪器连接,使之组成组合断面共同受力。

设计计算使用我院的“桥梁综合计算程序”进行计算。

在钢梁安装阶段,钢梁上缘最大拉应力为6.32kN,最大压应力为6.39kN;下缘最大拉应力为2.47kN,最大压应力为2.94kN。

在混凝土桥面板阶段,钢梁上缘最大拉应力为13.04kN,最大压应力为12.27kN;下缘最大拉应力为4.01kN,最大压应力为5.29kN。

预应力张拉完成后,混凝土桥面板内不产生拉应力,最大压应力为0.79kN,钢梁下缘最大压应力为9.36kN,最大拉应力为2.00kN。

拆除临时支撑后,混凝土桥面板内不产生拉应力,最大压应力为0.8kN,钢梁下缘最大压应力为10.84kN,最大拉应力为2.61kN。

桥面铺装施工完成后,混凝土桥面板内不产生拉应力,最大压应力为0.64kN,钢梁下缘最大压应力为12.71kN,最大拉应力为3.30kN。

在使用阶段汽车组合荷载下,混凝土桥面板内不产生拉应力,最大压应力为0.94kN,钢梁下缘最大压应力为15.02kN,最大拉应力为5.98kN;降温组合混凝土桥面板内不产生拉应力,最大压应力为0.98kN,钢梁下缘最大压应力为14.70 kN,最大拉应力为6.16kN。

根据以上计算,决定采用16Mn钢,混凝土桥面板采用45号无收缩混凝土,预应力钢绞线采用标准强度为1860MPa的高强度低松弛钢绞线,预应力锚具采用BM15—5型扁锚。

4　关键问题的处理
(1)混凝土徐变影响的计算
对于钢箱—混凝土结合梁的徐变计算目前还没有有效的电算程序,按照《公路钢桥》及有关规范中介绍的方法,采用了“有效弹性模量”的方法。

即在计算结构重力对徐变的影响时,混凝土的弹性模量取为0.4E,将此计算结果与按照混凝土正常弹性模量计算结果的差值作为徐变影响与原结果连加。

实际上在此结构中,徐
变内力及应力都较小,更需注意的是徐变位移对钢梁放样坐标及预拱度的影响。

混凝土收缩对徐变的影响已在温度变化中计入。

(2)标高控制及预拱度的设置
钢梁的刚度较小,在各个施工阶段挠度变化较大,因此设计时在边跨设置了11cm的预拱度,在中跨设置了15cm的预拱度。

同时要求施工单位在施工过程中严格监测标高,预留必要的标高调整措施,在导梁上拼装时5个制作段联合调整标高,临时支撑顶面也设置了螺杆,必要时进行调整。

(3)临时支架的刚度及地基加固
在钢箱—混凝土结合梁的施工过程中,保证临时支架的刚度,防止临时支架出现过大的压缩变形和地基沉降是非常重要的,这样可以防止在混凝土桥面板浇筑过程中,钢梁内部发生过大的自重应力,对最终全桥的应力状态和结构线形有举足轻重的影响。

同样,在设计过程中,也应计入支架变形与地基沉降。

在本桥的施工中,共设立3组临时支架,临1和临3支架分别位于边跨四分之一跨径处,临2位于中跨跨中偏北处。

临时支架用万能杆件组装,最大承载力10000kN。

临1和临3支架底部浇筑40cm 混凝土垫层,临2支架支撑在铁路箱涵顶面,箱涵内部用劲性支架加固。

(4)传剪器
传剪器是保证钢梁与混凝土桥面板共同受力的关键部件。

钢梁与混凝土桥面板仅靠钢与混凝土之间的粘结力是不够的,必须设置可靠的、能够有效传递纵向剪力的传剪器,以限制二者之间的相对滑移。

传剪器有多种形式,本桥选用钉柱型传剪器。

在布置合理的情况下,钉柱型传剪器具有结合良好、方便施工、便于焊接的特点。

钉柱型传剪器由特殊的钢材制成,本桥采用M L15,用高频电磁焊接方法焊在钢梁上翼板顶面。

传剪器承担的剪力按照桥规中的方法计算,即T=QS/I。

此外还应考虑温度和混凝土收缩的影响。

即由于上、下缘温差及钢与混凝土膨胀率不同所引起的纵向剪力,按照英国有关规范(BS5400)中介绍的方法进行,传剪器在梁端的剪力为2Q/L S,在距离梁端L S处为零,L S= 2(K Q/f)0.5,式中Q为温度基本效应引起的纵向剪力,f为混凝土板和钢梁形心处所发生的自由应变差,K=0.003。

混凝土收缩引起的剪力在各个部位是一致的,为了避免这部分剪力的发生,本桥采用了无收缩混凝土。

此外还应考虑预应力钢束引起的水平剪力,预应力是通过传剪器作用于全截面的。

预应力张拉时,梁端混凝土承受N1= k A y, k为张拉控制应力,A y为钢束截面积;在钢束全长的一半处,混凝土承受N2= h A h, h为在此位置预应力引起的混凝土正应力,A h为混凝土截面积。

传剪器承担的预应力钢束引起的水平剪力为N1-N2,作用长度为钢束长度的一半。

根据以上分析,确定传剪器采用F24,H= 180m m的钉柱型传剪器,钉距125～150mm。

(5)防腐体系
钢梁的防腐是影响结合梁耐久性的重要因素。

目前可供选择的措施很多,主要有密封、阴极保护、有机保护膜等几种。

密封方法主要是喷铝,造价高,施工难度较大;阴极保护主要是在钢梁表面喷含有金属活性较钢材高的金属颗粒的涂料,金属颗粒一般是锌,载体有无机与有机两种,即无机富锌漆与环氧富锌漆,有机载体抗老化能力较无机载体弱,但附着能力强,对钢材的表面处理要求较低;有机膜是近年发展起来的,是一种高分子材料,能在钢材表面形成一层致密的保护膜,并能渗入钢材几个 m,从而起到保护作用。

在综合考虑各项因素之后,决定选用“881”系列环氧防腐涂料,防腐分为外表面防腐与内表面防腐。

外表面防腐分为5层,2层底漆,漆膜总厚度不小于75 m,中间漆1层,漆膜总厚度不小于35 m,面漆2层,漆膜总厚度不小于60 m;内表面防腐分为3层,2层底漆,漆膜总厚度不小于75 m,中间漆1层,漆膜总厚度不小
于40 m。

喷漆前钢梁表面应进行喷砂处理,喷砂等级为2.5级,采用金刚砂或石英砂。

(6)高强螺栓及拼接板
本桥各制作段之间的联接为摩擦型栓接,为等强度设计。

在导梁上完成高程调整后进行栓接。

高强螺栓采用8.8S M24高强螺栓,推荐材料为40B。

拼接板部位的表面处理采用喷铝工艺,要求出厂时摩擦系数不低于0.55。

(7)桥面板无收缩混凝土
混凝土桥面板采用无收缩混凝土现浇,主要是要把混凝土收缩的影响降到最低。

无收缩混凝土的实现采用U EA混凝土膨胀剂,推荐掺量为8%,要求其14d水中养护限制膨胀率不小于0.02%,28d空气中养护限制膨胀率不小于—0.02%。

膨胀剂掺量不宜过大,防止出现过大膨胀率。

为了尽量降低混凝土凝固前的钢梁应力,减轻自重,本桥采用钢模板。

(8)防水层及排水设施
为了保证结合梁的耐久性,合理地选择防水层和设置排水设施是非常必要的。

防水层采用B—PY—SL—35型;在钢箱梁内部最低点设置了泄水孔。

另外,桥面板采用无收缩混凝土也提高了混凝土的防渗性能。

(9)桥面横坡对腹板的影响
对于结合梁来说,由于钢梁腹板很薄,应尽量使腹板保持竖直,防止失稳。

本桥桥面横坡为1.5%,若依靠调整桥面板厚度来实现横坡,必然大大增加自重,因此在设计中采用了内外腹板不等高的方法来实现,这对大跨径、梁高较大的情况尤其重要。

(10)焊接
焊接对钢结构的加工无疑是最重要的环节之一。

设计要求所有主材对接焊缝均为埋弧自动焊,水平及纵向加劲肋的对接焊缝可采用CO2气体保护半自动焊;箱梁底板与腹板、腹板与上翼板、横隔板与腹板及底板、横隔板与横隔板翼板间的双面角焊缝均为连续角焊缝,采用CO2气体保护半自动焊;加劲肋组焊可采用断续角焊缝,焊缝长度及间隔应符合《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JT J025—86)中第1.3.10条规定,断续角焊缝可采用CO2气体保护半自动焊或手弧焊;小附件组焊(支座垫块、护筒)可采用CO2气体保护半自动焊或手弧焊;传剪器应采用专用设备进行高频焊接。

(11)横向分配系数的确定
本桥横向分为6个箱室,在计算时采用的是平面有限元程序,因此根据《东四环桥梁设计技术规定》的要求,箱形梁应采用等代简支梁法进行横向分配系数的计算。

用我院综合程序计算各跨跨中分别作用于一单位力情况下的挠度,结果如表1。

表1　作用一单位力下的各跨跨中挠度
挠度/cm计算断面惯性矩/m4
1-0.0057570.907281
2-0.010250 1.652622
3-0.0059040.821067
简支梁在跨中作用一个单位力时,跨中挠度为PL3/48EI,由此可以反算出在发生上述挠度时所对应的简支梁跨径;以此跨径作为等代简支梁跨径,则各跨对应简支梁跨径分别为37.48、55.48、36.56m。

再以此等代跨径用简支梁程序计算各跨跨中及支点处的横向分配系数,见表2。

表2　各跨跨中及支点处的横向分配系数
汽车最大横向分配系数挂车最大横向分配系数
南侧边跨
支点　0.96905
跨中　0.52221
0.7
0.11824
中跨
支点　0.96905
跨中　0.49861
0.7
0.10133
北侧边跨
跨中　0.52376
支点　0.96905
0.11940
0.7
(12)钢、混凝土弹性模量比的确定
结合梁的计算目前还没有较理想的电算程序来处理复合材料断面,因此在设计中将混凝土板比拟成钢材,这样确定钢、混凝土弹性模量比就很重要了。

采用ALGOR—FEA通用有限元程序按照2种材料进行计算后,分析应力、应变情况,发现弹模比取为7比较合适,较理论值大,是由于桥面板剪力滞后的影响。