沙埕湾跨海大桥南引桥标准跨...0_m钢—混组合梁设计思路_赵亮.pdf

福建交通科技2023年第1期1项目概述沙埕湾跨海大桥1位于福建省福鼎市境，横跨福鼎沙埕海域，设计采用双向6车道高速公路标准。该桥是国高网宁（宁波）东（东莞）线福建段的重要节点工程，同时也是福建省高速路网规划的“三纵八横”中“第二纵”的重要组成部分。其中南引桥设计采用标准跨径80 m钢混 组 合 连 续梁，横桥向分左、右幅布置，单幅桥面宽18.1 m，桥跨布置左桥为：680 m+（64+480+64）m、右桥为：680 m+（64+480）m。南引桥桥型立面布置示意图见图1。摘要福建省沙埕湾跨海大桥南引桥设计采用标准跨径80 m钢混组合连续梁，横桥向分左、右幅布置，其中左桥跨布置为：680 m+（64+480+64）m，右幅桥跨布置为：680 m+（64+480）m。在设计过程中充分考虑桥位建设条件、造价、工期以及后期管养等因素的综合影响，对混凝土桥面板、槽型钢梁、桥墩等结构进行设计优化，并在上部结构施工方案上开展专项设计，整个设计方案既能够满足结构受力需要，又保证了施工质量，降低了工程实施的难度和风险。本桥的设计思路可为类似的桥梁设计提供一定的参考。关键词钢混组合梁钢槽梁预制桥面板墩顶双结合沙埕湾跨海大桥南引桥标准跨径 80 m钢混组合梁设计思路赵亮(福建省交通规划设计院有限公司，福州350004)图1沙埕湾跨海大桥南引桥桥跨立面布置（单位：cm）2南引桥总体设计思路南引桥主梁断面设计采用钢主梁+混凝土桥面板相结合的钢混组合箱梁，考虑本桥桥面较高及推广预制装配标准化需求，提出将混凝土桥面板在工厂分块预制，但针对组合钢箱梁钢结构部分断面型式，设计之初分别提出了开口型的槽型钢梁和闭口型的钢箱梁。闭口型的组合箱梁因其抗扭性能好，常用于平面曲线半径较小的桥梁，同时闭口型式的钢梁顶板可兼做混凝土桥面板现浇施工时的底模，方便施工，该类型组合箱梁缺点是混凝土桥面板下缘被钢梁顶板大面积覆盖，造成后期检修较为困难；槽型钢组合梁则构造相对简洁，在设置好一定的横向构造措施时，横向抗扭刚度能够满足受力所需，且省去顶板构造，能够降低用钢指标，节省造价，同时该类型组合箱梁不影响桥面板的后期检修，是目前大跨钢混组合梁首选的结构型式2。综合考虑，本桥主梁钢结构部分最终选用开口型的槽型钢梁，主梁组合后的断面结构型式为单箱单室组合箱梁，槽型钢梁在各桥跨间每间隔4 m设置1道K型横撑隔板，在支点位置设置实腹式横隔板，经计算槽型钢梁在最不利（施工过程）工况下抗53FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期扭刚度满足受力需要。南引桥跨越沙埕湾南岔水域，其中11#16#墩位于南岔水域中，南岔水域宽约430 m，最大水深约26 m。主梁组合梁施工考虑采用先梁后板顺序施工，即先进行钢槽梁架设，再吊装预制混凝土桥面板。在对钢槽梁架设方案进行专项设计时，结合桥位地形、地貌特点，提出了如下3种施工方案进行比选：（1）浮吊+支架施工：位于南岔水域中11#16#墩间钢槽梁采用浮吊整孔吊装，位于两侧陆地范围的9#11#墩、16#21#台间的钢槽梁采用履带吊小节段吊装，支架上拼装施工方案，因桥面高程较高，该施工方案所需钢支架数量初步测算约需6 000 t，2 000 t浮吊船租赁100 d，施工工期约需370 d。（2）临时墩+顶推施工：该方案采用在各桥墩承台上搭设墩旁支架，在各墩旁支架顶布置步履式千斤顶，因桥面高程较高，该施工方案所需墩旁支架数量初步测算约需2 200 t，400 t步履式千斤顶22套，施工工期约需300 d。（3）无时墩+顶推施工：该方案采用在各桥墩墩顶布置步履式千斤顶，该施工方案需400 t步履式千斤顶22套，施工工期约需250 d。通过经济、技术比选，最终本桥钢槽梁施工图设计采用无临时墩步履式顶推施工方案。3钢混组合梁设计为便于钢槽梁顶推施工及后续混凝土桥面安装，本桥钢槽梁顶、底板采用外对齐方式，顶、底板不等厚对接位置处，在底板下缘及底板上缘侧设置18坡率渐变过渡。组合梁中心线处梁高4.0 m，其中钢槽梁高3.72 m，桥面板厚0.28 m。钢槽梁底板宽7.6 m，顶口宽（顶板纵向中心线）11 m；混凝土桥面板横宽度18.1 m，钢、混组合完后的箱梁悬臂长3.55 m。混凝土桥面板全桥采用等厚设置，便于工厂批量预制。依据计算分析，在每处中间墩左右各13 m范围内钢槽梁顶板及各跨跨中20 m范围钢槽梁底板采用Q420qD钢材，K型撑隔板采用普通Q345D钢材，其余部位则采用Q345qD钢材。南引桥钢混组合梁总用钢量约10 393 t，桥面用钢指标为298 kg/m2。图2沙埕湾跨海大桥南引桥钢混组合梁标准横断面（单位：cm）3.1钢槽梁设计本桥钢槽梁顶、底板采用外对齐方式，其结构中心线处外侧钢梁高3.72 m。钢梁槽型断面由底板、腹板及横向非满布的顶板组成，其中腹板、底板纵向加劲肋均采用板肋，腹板竖向加劲肋采用T肋，其中底板纵向加劲肋每联通常布置在与K型撑隔板及实腹式隔板交接处，设置通过孔，而腹板纵向加劲肋采用间断布置，在与其竖向T肋交接处断开，见图3。为保证横向抗扭刚度需求，本桥钢槽梁沿纵桥向每间隔4 m设置1道隔板，其中支点位置隔板采用实腹式，其余均采用K型撑隔板。结合计算结果，钢槽梁顶板宽度1.2 m，次边墩上顶板厚65 mm，中墩上顶板厚度55 mm，边跨跨顶板厚35 mm，其余跨跨中顶板厚20 mm，其余位置顶板厚度由支点向跨中依次递减。钢槽梁底板宽7.6m，次边墩上底板厚30mm，中墩上底板厚度20mm，边跨跨顶板厚25 mm，其余跨跨中顶板厚14 mm，其余位置底板厚度由支点向跨中依次递减。钢槽梁腹板向外侧倾斜设置，次边墩上单侧腹板厚度35mm，中间墩上腹板厚度30 mm，各跨跨中位置腹板厚16 mm，其余位置腹板厚度由支点向跨中依次递减。通过有限元模型计算分析，钢槽梁顶推施工过程桥隧工程54福建交通科技2023年第1期中，钢导梁前端至16#墩前（钢主梁第3次顶推至最大悬臂状态时），钢导梁悬臂前端出现最大下挠量，最大下挠累计1 065 mm，见图4、5。此时对应钢槽梁在15#墩位置上缘出现最大拉应力153.9 MPa，见图6；下缘最大压应力104.9 MPa，见图7。最不利施工状况下，钢梁应力、变形均小于规范限值，满足施工阶段安全性要求3-4。针对钢槽梁顶推施工过程可能出现的局部屈曲失稳工况，设计时，结合局部分析计算，对钢槽梁局部进行加劲设计，见图8。局部加劲位置位于腹板与底板交接位置（千斤顶顶升位置），加劲板厚16 mm，设置间距25 cm，总体设置原则为保证每次起顶过程中与千斤顶接触位置至少有3块加劲板。通过建立钢槽梁局部实体模型，计算对比在千斤顶顶升位置设加劲板和不设加劲板情况下，钢槽梁局部应力、变形。有设加劲板区域范式应力57.3 MPa，无劲板区域范式应力292.8 MPa，见图9。有设加劲板（竖向和横向）区域最大变形3.8 mm（向箱内凸出），无劲板区域最大变形8.0 mm（向箱内凸出），见图10。图3钢槽梁横断面（单位：cm）图4钢槽梁顶推施工时悬臂出现最大下挠工况下有限元模型图5顶推施工过程中钢导梁悬臂端最大下挠量（单位：mm）图6顶推施工过程中钢导梁悬臂端最大下挠时对应钢槽梁上缘最大拉应力（单位：MPa）图7顶推施工过程中钢导梁悬臂端最大下挠时对应钢槽梁下缘最大压应力（单位：MPa）（a）无横梁（b）隔板位置55FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期设计过程中考虑钢槽梁顶推期间箱内会积水，特别是遇大暴雨天气，瞬时积水较多时，影响结构安全，在钢槽梁每跨端部底板均设置有临时泄水孔，待钢槽梁最终顶推到位后，封闭该临时泄水孔。3.2桥面板设计在满足结构受力及构造需求的前提下，为方便桥面板能够大批量工厂预制施工，本桥组合梁混凝土桥面板采用等厚度板，厚度28 cm，桥面板横桥向分3块预制，两侧边板宽302.5 cm，中板宽度995 cm，纵桥以隔板间距为基准进行划分，纵向长度353 cm（不含湿接缝宽），各预制桥面板间通过现浇纵、横向湿接缝连成整体（图11）。图8钢槽梁局部加劲设计（单位：cm）图10有劲板和无劲板梁底变形对比（单位：MPa）图9有劲板和无劲板范式应力对比（单位：mm）图11桥面板纵横向湿接缝混凝土浇筑前在本桥桥面混凝土类型选择时，设计中充分考虑桥面板所处位置受力特点，分别选用不同类型混凝土。考虑墩顶负弯矩区钢筋混凝土板易开裂，对该位置处桥面板混凝土选用C50聚丙烯纤维海工混凝土，使用范围为中墩顶顺桥向前后各12 m，其余位置桥面板采用普通C50海工混凝土。考虑纵、横向现浇接缝混凝土处容易收缩开裂，对全桥纵、横向现浇接缝混凝土选用C50聚丙烯纤维微膨胀海工混凝土。考虑桥面板施工及后期运维的便利性，本桥桥面板设计均采用普通钢筋混凝土体系。设计时，对墩顶负弯矩区位置采用提高截面配筋率（图12）的方式限制裂缝宽度，要求该位置处桥面板在正常使用极限状况下裂缝宽度0.15 mm，其余位置采用相对低的配筋率。根据预制桥面板几何尺寸及配筋率的不同，桥隧工程56福建交通科技2023年第1期本桥预制板共分12种类型，其中边板单块最大吊装重约为7.5 t，中板单块最大吊装重约24.5 t。3.3剪力连接件设计本桥混凝土桥面板通过湿接缝位置处剪力钉及钢筋与钢槽梁连接成整体，共同参与受力。剪力钉采用圆柱头剪力钉，材质采用ML15AI。尺寸规格为22200 mm。布置位置位于桥面板纵、横向湿接缝处，布置间距为2628 cm。3.4墩顶位置主梁底板钢混双结合设计结合主梁静力计算发现，中墩顶位置处钢混组合梁底板受压较大，如采用全钢板结构，底板厚度计算最大达到6580 mm，为便于制造加工，设计时对该位置处底板采用钢混双结合结构，以混凝土耐压特点代替部分钢板，参与底板共同受力，从而将底板钢结构厚度减小。墩顶双结合的混凝土采用C50微膨胀海工混凝土，厚度0.350.55 m。双结合位置钢梁底板与混凝土之间通过底板纵肋横向开孔，并在孔内设置横向钢筋，形成PBL键的连接方式，同时在混凝土浇筑区域的底板及腹板位置设置22200 mm圆柱头焊钉（图13），焊钉材料采用ML15AI。本桥最终在中墩位置顺桥向前后两侧各12 m范围内组合梁底板上设计采用钢混双结合方案。图12负弯矩区位置每延米混凝土板顺桥向钢筋布置示意图（单位：cm）图13墩顶双结合梁段底板纵向加劲肋开孔3.5桥面板与钢主梁上翼缘板结合为保证预制桥面板与钢梁相互接触之间的密贴，在两者相互接触的搁置宽度范围内设计厚10 mm的橡胶条（图14）。桥面板吊装到位后，依靠桥面板自重压缩橡胶条，以到达钢混结合位置的密封性3-4。3.6墩顶构造设计本桥钢槽梁设计采用无支架步履式多点自平衡顶推施工方案，将步履式顶推设备放置于墩顶上。墩顶位置在保证受力安全及构造需求的前提下，考虑施工便利性，节省造价，为步履式千斤顶作业留出空间，通过调查国内与本项目施工类似的顶推设备尺寸，对墩顶进行专门设计，将墩顶设计成“U”字型，深115 cm，底宽425 cm，为设备提供足够的作业空间（图15）。3.7检修通道设计本桥桥面较宽，且桥面设置有风障、隔离栅、人行道护栏等附属设施，梁底检修如采用传统的检测车从桥面伸臂较为困难，本着可达、可检、可修的原则，在南引桥左、右幅桥中间设计梁外检修车，检修车悬挂于左、右幅梁靠内侧腹板的轨道上，旋转过墩，检修车采用锂电驱动行走（图16）。4施工方案设计本桥上部组合梁总体施工思路为先梁后板，既57FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期(下转第77页)图14桥面板与钢主梁上翼缘板的结合前图15桥墩墩顶计算模型及设计（单位：cm）图16梁底检查车结构设计先架设钢槽梁，后施工桥面板。钢槽梁设计采用步履式多点自平衡顶推施工工艺，单孔最大顶推跨径80 m，中间不设临时墩，由终点台往主桥方向顶推，见图17。钢槽梁纵向按4 m长标准梁段进行划分，先在钢架构加工厂完成加工，由海运至桥位临时码头，再经路运至台后顶推平台组装拼接。考虑分联施