五渡橋鋼-混凝土結(jié)合段設(shè)計研究
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李 凱1，郭朝輝2，張明亮2，劉海軍3，聶 雷3，張愛江1
（1．北京市市政工程研究院，北京 100037；2．北京市交通委員會路政局，北京 100053；3．北京公聯(lián)潔達公路養(yǎng)護工程有限公司，北京 101300）
[摘要]介紹了房山五渡橋多種鋼-混凝土結(jié)合段設(shè)計方案對比，分析各種常規(guī)橋梁中使用的鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造優(yōu)缺點，在其基礎(chǔ)上通過優(yōu)化構(gòu)造，構(gòu)思了一種新的鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造，即內(nèi)法蘭預(yù)壓式鋼．混凝土結(jié)合段構(gòu)造，拓寬了鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造處理的新思路，達到了構(gòu)造合理、安全經(jīng)濟、外形美觀、施工方便的目的。
[關(guān)鍵詞]橋梁工程；三角剛架懸吊連續(xù)梁；鋼-混凝土結(jié)合段；預(yù)壓式；設(shè)計
[中圖分類號]U442.5+4 [文章編號]1002-8498( 2016)05-0056-05
1橋梁設(shè)計和受力特點
五渡橋位于房山十渡風景區(qū)，為淶寶路五渡附近的一座新型景觀橋，跨越拒馬河。五渡橋主橋全長173m，如圖1所示，橋跨布置為(46.5+80+46. 5)m，分為左、右幅，單幅橋?qū)?.5m。主橋由主墩、主梁、鋼塔、吊索和墩間系梁組成。主墩采用帶水平剛性系梁的閉合V形墩，呈“▽”形，墩身為空心薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，其與主墩蓋梁為整體式結(jié)構(gòu)，兩幅主梁橫向上共用同一主墩。主梁采用連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，在兩幅主梁間設(shè)置了1個單肋三角形剛架塔，剛架塔與跨中側(cè)支點墩設(shè)置鋼-混凝土結(jié)合段與混凝土基座連接。塔頂設(shè)有吊桿，吊桿上端錨于剛架塔頂，下端錨于兩幅橋聯(lián)系橫梁的底部。各細部構(gòu)造如下。
1)主梁 主梁為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，設(shè)計外形和預(yù)應(yīng)力鋼束布置形式與常規(guī)大跨變截面連續(xù)梁一致（見圖2）。頂板寬9. 5m，底板寬4. 6m．主墩墩頂標準梁段梁高3.0m，跨中標準梁段梁高2. 0m。
2)主墩 主墩整體呈“▽”形，v形墩設(shè)長度30m剛性系梁，系梁截面均為“Ⅱ”形，墩身為單箱雙室變截面空心薄壁結(jié)構(gòu)，墩身上設(shè)整體蓋梁，兩幅梁共用同一墩。墩身縱向?qū)?. 9m;墩高9.6m，外傾水平角370，如圖3所示。
3)主塔 主塔采用十字形鋼箱斷面（見圖4），線性變高、變寬的截面，塔座截面高3. 4m、寬3.0m;塔頂截面高2. 4m、寬2.4m。塔的剛度有保證，除抵抗自身的彎曲變形還平衡拉索水平分力。
2 鋼-混凝土結(jié)合段問題的提出
五渡橋主塔采用十字形鋼箱截面，塔座設(shè)置在鋼筋混凝土V形墩上。根據(jù)總體設(shè)計思路，主塔與塔座剛接處理，塔底主要承受軸力、剪力以及順橋向彎矩。
鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造形式多種多樣，針對本橋特點研究出一種適合本橋的構(gòu)造，使其能夠達到構(gòu)造合理、安全經(jīng)濟、外形美觀、方便施工的目的，將是設(shè)計過程中研究的主要方向。通過分析各種常規(guī)橋梁中使用的鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造優(yōu)缺點，在其基礎(chǔ)上通過優(yōu)化構(gòu)造，簡化受力模式后再根據(jù)本橋特點設(shè)計鋼．混凝土結(jié)合段構(gòu)造。
3 常規(guī)鋼-混凝土結(jié)合段設(shè)計方案
3.1 PBL剪力鍵式
南京長江三橋在國內(nèi)率先采用PBL剪力鍵模式，鋼塔內(nèi)力主要通過混凝土與鋼板間的黏結(jié)和鋼筋與混凝土共同組成受剪的剪力鍵來完成。施工錨固段時，將鋼箱插入一段長度在混凝土中，插入段的鋼箱中間縱隔板和四邊腹板開孔，直徑約6cm，ɸ32粗鋼筋放置在圓孔內(nèi)，通過專門施工工藝保證粗鋼筋位于圓孔中心位置。
在本橋設(shè)計初期認真研究了本方案，經(jīng)結(jié)構(gòu)分析，擬考慮設(shè)置7縱、7橫共14層剪力鋼筋，鋼筋直徑采用32mm。由于本橋采用單腹板空心鋼箱，內(nèi)部僅設(shè)置了縱向加勁板和橫隔板，為保證剪力鍵均勻承剪，在高度4m范圍（含埋人段2m）內(nèi)需要增設(shè)4道厚度12mm縱隔板，縱隔板與外腹板一樣開設(shè)直徑6cm的圓孔，內(nèi)穿粗鋼筋（見圖5）。
此方案主要特點為：①南京長江三橋鋼塔外形和受力模式與本橋十分相似（均為十字形鋼箱），該橋的研究成果可用于本橋，方案可靠性有足夠的保證；②使用較為單一的材料，無高強螺栓施擰、預(yù)應(yīng)力張拉、剪力釘焊接等難度較大的施工工藝；③需要增加工程數(shù)量，此方案結(jié)合段要增加縱隔板，改變鋼塔結(jié)構(gòu)構(gòu)造，對結(jié)合段混凝土澆筑和鋼箱內(nèi)施焊空間影響較大；④剪力鍵對中定位較難，由于在工廠完成鋼箱開孔，施工現(xiàn)場每根剪力鋼筋均需穿過4道鋼板，難以保證施工質(zhì)量；⑤本方案與第一方案相似，也是一種被動的受力模式。
根據(jù)以上特點，考慮到施工難度較大，工程量較大，本橋未采用此方案。
3.2 焊接鋼筋錨固式
在本橋設(shè)計研究階段考慮過本方案，采用間距15cm、直徑28mm的粗鋼筋焊接在塔壁外緣，確保塔柱受彎時鋼筋最大拉應(yīng)力≤80MPa，承壓鋼筋網(wǎng)依據(jù)塔端壓應(yīng)力大小設(shè)置，確保滿足規(guī)范規(guī)定的局部承壓強度和構(gòu)造要求（見圖6）。
本方案特點總結(jié)如下。
1)構(gòu)造處理簡單、造價低廉 只需要增加一定數(shù)量的鋼筋，與塔座本身的構(gòu)造鋼筋結(jié)合起來，設(shè)計工作十分簡便，施工中也沒有其他復(fù)雜工藝，工程造價較低。
2)被動式的受力方式產(chǎn)生混凝土開裂 普通鋼筋處于被動受力模式，其發(fā)揮作用前提是結(jié)構(gòu)彎曲受拉發(fā)生一定變形，為了控制鋼筋應(yīng)力處于較低水平，可以調(diào)整鋼筋設(shè)置來增加安全儲備量，但塔座混凝土無法避免發(fā)生開裂，耐久性較差，這是本方案最大的不足之處。
3)鋼管與混凝土之間無法嚴絲合縫，積水容易在縫隙中出現(xiàn) 混凝土與鋼是兩種不同性質(zhì)的材料，施工拱座混凝土時，二者之間的縫隙無法完全封閉，即使施工時保證縫隙很小，但在后期運營可變荷載作用下，縫隙也會變大。這樣就必然會導(dǎo)致縫隙內(nèi)有水流進去，從而造成結(jié)合段內(nèi)積水，出現(xiàn)鋼構(gòu)件銹蝕。
4)養(yǎng)護不方便后期維修養(yǎng)護時，鋼一混凝土結(jié)合段在混凝土拱座中，無法了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否銹蝕，無法及時消除安全隱患。
考慮到本方案上述特點，在設(shè)計中對此方案沒有進行進一步研究。
3.3剪力釘體外預(yù)應(yīng)力錨固式
其施工方法為：將圓頭焊釘焊接在鋼箱端部，將預(yù)應(yīng)力鋼束預(yù)設(shè)在塔座內(nèi)，將預(yù)應(yīng)力錨箱設(shè)置在連接段的上端，混凝土塔座與鋼箱的剛接通過預(yù)應(yīng)力鋼束張拉實現(xiàn)，鋼混結(jié)合面通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力張拉噸位控制始終處于受壓狀態(tài)（見圖7）。
本方案主要特點為：①為主動受力模式，鋼混結(jié)合面始終受壓，比焊接鋼筋錨固的被動受力更優(yōu)，解決了混凝土開裂和耐久性不足等問題；②采用工藝成熟的鋼絞線預(yù)應(yīng)力，施工易控制；③鋼絞線束張拉噸位較大，存在較為嚴重局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要局部加強，增加連接段鋼箱局部壁厚，在薄壁鋼箱內(nèi)設(shè)置鋼錨箱較為困難；④預(yù)應(yīng)力鋼束成孔的模式、受力計算時參數(shù)設(shè)置不太明確。鋼束在鋼箱范圍算體外預(yù)應(yīng)力，在混凝土塔座范圍內(nèi)算體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，體外防護束油脂、體內(nèi)束防護壓漿不統(tǒng)一，若塔座混凝土內(nèi)錨頭失效，很難處理。
考慮到以上缺點，在本次設(shè)計中未采用此方案。
3.4外法蘭預(yù)壓式
如圖8所示，在塔座混凝土結(jié)合面設(shè)置承壓鋼板并預(yù)埋高強螺栓，后在鋼橫梁端部或在鋼拱肋焊接外法蘭盤，施加預(yù)緊力于高強螺栓后剛接，再外包一段混凝土。
外法蘭預(yù)壓式鋼-混凝土結(jié)合段是在上述方案基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)化后得到的，一方面克服了傳統(tǒng)鋼筋錨固式和開孔鋼箱直埋式方案的被動受力、混凝土結(jié)合面易產(chǎn)生拉應(yīng)力而開裂的缺點；另一方面采用高強螺栓施加預(yù)壓力，不需要設(shè)置鋼錨箱，也不需要對鋼絞線進行兩種防護方式，因此有別于剪力釘體外預(yù)應(yīng)力方案。
在進行設(shè)計時，嚴格控制最大彎矩作用下塔底邊緣產(chǎn)生的拉力不超出高強螺栓預(yù)緊力，塔座混凝土將始終承受壓力，使底座混凝土受力方式由被動轉(zhuǎn)換為主動。這樣，在結(jié)構(gòu)受力計算時，只需對高強螺栓群和混凝土局部承壓應(yīng)力進行計算即可，不但簡化了計算，傳力方式也變得更加明確。
但此種構(gòu)造在實際應(yīng)用時還存在一些其他方面的缺點：①在養(yǎng)護過程中很難發(fā)現(xiàn)結(jié)合段安全隱患，若采用外包混凝土，則通過混凝土與管壁間的縫隙，依然會有水流進入，結(jié)合面上積水易使鋼管銹蝕；②不外包混凝土處理，外露側(cè)面加勁板和法蘭影響景觀和諧；③對外形和底座尺寸不宜改動過大的橋梁不適用。采用外接法蘭鋼-混凝土必須增加結(jié)合面尺寸來匹配高強螺栓錨固。
考慮到以上缺陷，在設(shè)計研究階段將外法蘭預(yù)壓式方案進行一定優(yōu)化，得到本橋?qū)嶋H采用的內(nèi)法蘭預(yù)壓式方案。
3.5 五渡橋內(nèi)法蘭預(yù)壓式鋼．混凝土結(jié)合段
為使鋼．混凝土結(jié)合段能夠達到構(gòu)造合理、安全經(jīng)濟、外形美觀、方便施工的目的，在外法蘭預(yù)壓式鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造的基礎(chǔ)上，針對本橋特點，通過優(yōu)化調(diào)整，如圖9所示，構(gòu)思了一種新的鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造，即內(nèi)法蘭預(yù)壓式鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造。
構(gòu)造分為2部分，即塔柱底端內(nèi)法蘭部分和塔座預(yù)埋構(gòu)件部分，其中塔柱底端內(nèi)法蘭部分為鋼．混凝土構(gòu)造，通過在塔柱端部2m位置設(shè)置橫隔板，同時箱體內(nèi)側(cè)焊接加勁板后澆筑混凝土形成；塔座預(yù)埋構(gòu)件含有結(jié)合面20mm厚墊板和32根M24高強螺栓，同時在塔座內(nèi)設(shè)置高強螺栓定位鋼筋網(wǎng)。
此種鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造主要特點為：①內(nèi)法蘭盤的設(shè)置優(yōu)化了結(jié)合段外觀，減小塔座尺寸；②使用高強螺栓連接塔柱與塔座，傳力方式簡單明確，施工非常便利；③受力模式簡明，只需混凝土局部承壓應(yīng)力符合規(guī)范要求，在最大內(nèi)力組合下結(jié)合面始終受壓，確定高強螺栓規(guī)格及數(shù)量；④后期養(yǎng)護簡單，塔座與塔柱結(jié)合面外露不存在積水，可避免塔腳銹蝕。
4 五渡橋鋼-混凝土結(jié)合段受力分析
根據(jù)本構(gòu)造特點，受力計算的內(nèi)容包括高強螺栓群計算和混凝土局部承壓應(yīng)力計算2項。計算原則是混凝土局部承壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求，并保證鋼一混凝土結(jié)合面在最大內(nèi)力效應(yīng)組合下始終處于受壓狀態(tài)。
4.1高強螺栓群計算
高強螺栓群根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003第7.2條進行計算。
1)基本參數(shù)
螺栓選用承壓型高強螺栓，10.9級，M24規(guī)格。由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003第7.2.3、第7.2.4條要求可知，螺栓承載力折減系數(shù)為0.7，因此折減后可知：
單個螺栓受剪承載力：
N v b=0.7×140. 241=98. 168 5kN
單個螺栓受壓承載力：
N c b=0.7×307.2=215. 04kN
單個螺栓受拉承載力：
N t b=0.7×180=126kN
2)螺栓受力計算
拱腳螺栓群驗算內(nèi)力根據(jù)本橋縱向總體計算結(jié)果，螺栓排列方式通過計算：
工況1（軸力最小）內(nèi)力組合下螺栓群中單根螺栓產(chǎn)生的最大拉力Nt1= - 20. 4kN
工況2（彎矩最大）內(nèi)力組合下螺栓群中單根螺栓產(chǎn)生的最大拉力Nt2= - 15. 2kN
按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003中公式(7.2.3-1)計算可知：
按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003中公式(7.2.3-2)計算可知：
Nv1= 13. 125≤N c b／1.2（滿足要求）
Nv2= 14. 438≤N c b／1.2（滿足要求）
由上述計算結(jié)果可知，鋼，混凝土結(jié)合面無拉應(yīng)力出現(xiàn)，符合設(shè)計原則，并滿足規(guī)范相關(guān)要求。
4.2 混凝土局部承壓應(yīng)力計算
混凝土局部承壓應(yīng)力根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG D62-2004第5.7.1條公式進行驗算可知：( 607. 2kN)�；炷辆植砍袎簼M足規(guī)范要求。
5 鋼-混凝土結(jié)合段施工方案
本方案螺栓采用2次施擰，首先將塔柱底鋼板與塔座預(yù)埋鋼板對齊套入螺栓后擰緊，然后通過連接螺母接長螺栓至2m端橫隔板處，此時澆筑內(nèi)法蘭鋼混段混凝土，待混凝土達到設(shè)計強度后對高強螺栓進行緊固。螺栓為10. 9M24高強螺栓，預(yù)緊力為225kN，均采用定扭矩扳手施擰，施工順序為：①塔座內(nèi)設(shè)置4層螺桿定位鋼筋，安裝螺栓，澆筑塔座混凝土�；炷聊Y(jié)后實測螺栓位置，對塔柱A段端板開設(shè)螺栓孔，將塔柱A段吊裝就位，如圖10a所示。②塔柱A段吊裝就位后，安裝螺栓，采用測力扳手施擰到每根螺桿225kN的張拉力，安裝螺桿連接套筒，如圖10b所示。③將連接螺桿裝入連接套筒，上端穿過橫隔板。澆筑塔柱A段內(nèi)腔混凝土，如圖10c所示。④待內(nèi)腔混凝土達到設(shè)計強度后，再次采用測力扳手施擰到每根螺桿225kN的張拉力，安裝上端止位螺母。鋼混結(jié)合段施工完畢，開始進行其他塔段安裝，如圖10d所示。
6結(jié)語
五渡橋鋼-混凝土結(jié)合段采用的內(nèi)法蘭預(yù)壓方案在北京地區(qū)為首次應(yīng)用，盡管沒有工程先例，但在本次橋梁中應(yīng)用很成功，拓寬了鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造處理的新思路。內(nèi)法蘭預(yù)壓工法關(guān)鍵技術(shù)在北京市交通委員會組織的成果鑒定會上順利通過，達到國際先進水平。
