南京大桥北路钢—混凝土连续组合梁桥设计

㊀文章编号:１６７３－６０５２(２０１９)０１－００２３－０４㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ: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㊀南京市㊀２１００００)㊀㊀摘㊀要:钢 混凝土连续组合梁桥具有自重轻㊁抗扭能力强㊁刚度大㊁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

㊀㊀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:Ｕ４４８.３４㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ｂ

㊀㊀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㊁构件截面尺寸小㊁承载能力高㊁施工速度快等优点ꎻ相对于钢梁具有刚度大㊁整体稳定性能好㊁造价低㊁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㊁构造㊁剪力钉布置㊁施工顺序㊁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ꎮ

１㊀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㊁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㊁２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１㊀大桥北路ＱＣ匝道立面图

２㊀钢－混凝土连续组合梁设计

２.１㊀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１ʒ２ꎮ钢梁由顶板㊁腹板㊁底板㊁横隔板㊁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Ｄ２２ˑ２２０ｍｍ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

３２

２０１９年㊀第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀北方交通

图２㊀连续组合梁一般截面构造图(单位:ｍｍ)

２.２㊀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㊁双向滑动及固定支座ꎮ有限元模型如图３所示

ꎮ

图３㊀计算模型

(１)施工阶段及对应阶段的钢梁应力

表１㊀施工阶段描述及钢梁应力汇总表

施工阶段施工阶段描述

钢梁应力(ＭＰａ)顶板底板１少支架架设钢梁ꎬ支架避开地铁构筑物ꎻ

３０.１２０.７２拆除临时支架ꎬ浇注中墩墩顶左㊁右８ｍ范围外混凝土桥面板ꎻ

８５.５

５８.９３已浇注区域内混凝土桥面板与钢梁叠合并作为整

体截面参与下阶段受力ꎻ

８５.３

５８.７４现浇混凝土强度达到１００％ꎬ混凝土龄期ȡ１４ｄ后ꎬ中支点顶升０.２ｍꎬ顶升位置为支座隔板两侧１.５ｍ

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ꎻ１４０.４

９６.６５浇注中墩墩顶左㊁右８ｍ范围内混凝土桥面板ꎻ

１５１.５

１０４.３６全桥混凝土桥面板与钢梁叠合并作为整体截面参

与下阶段受力ꎻ

１５０.１

１０４.９７现浇混凝土强度达到１００％ꎬ混凝土龄期ȡ１４ｄ后ꎬ

中支点回落至支座ꎻ

１４０.３

６８.７８

二期铺装㊁栏杆等附属结构施工ꎬ成桥ꎻ

１４３.１９１.１

㊀㊀由表１可知ꎬ施工阶段５钢梁顶底板应力最大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４㊀施工阶段５

钢梁顶板应力图

图５㊀施工阶段５钢梁底板应力图

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

图６㊀

基本组合钢梁顶板应力图

图７㊀基本组合钢梁底板应力图

使用阶段钢梁底板最大应力为２０２.０ＭＰａꎬ顶板

４２ 北方交通㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１９年㊀第１期

最大应力为１６５.１ＭＰａ<２７０ＭＰａꎬ满足设计规范要求

ꎮ图８㊀标准组合桥面板压应力(单位:ＭＰａ)

标准组合桥面板最大压应力为７.４ＭＰａ<２２ ４ＭＰａꎬ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４７.５＋８.３＋０.５ˑ１６.５＝６４ｍｍꎬ同理ꎬ中跨跨中预

拱度为１３.８＋１.４＋０.５ˑ１３.５＝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１６５１０ｋＮ ｍꎬ使上部结构失稳的弯矩为３３３８ｋＮ ｍꎬ横桥向抗倾覆稳定系数为４.９>２.５ꎬ满足规范要

求ꎮ

３㊀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㊁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Ｄ２２ˑ２２０ｍｍ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㊁端支点６ｍ范围内㊁中支点３.３ｍ范围内间距１５０ｍｍꎬ剪力钉布置见图９及图

１０ꎮ

图９㊀剪力钉布置横断面图(单位:ｍｍ

)

图１０㊀剪力钉布置平面图(单位:ｍｍ)

４㊀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

土开裂ꎬ对桥梁的承载能力㊁梁截面刚度㊁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㊁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

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

５２ ２０１９年㊀第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀柳双军:南京大桥北路钢 混凝土连续组合梁桥设计