一、工程概況
A輔路橋位于北京市五環(huán)路大羊坊立交輔路上，上跨京津塘高速公路。大羊坊立交是一座兩條高速相交的全互通雙層立交，共有主線、輔路及匝道5座橋上跨京津塘高速公路，本橋是其中的一座。京津塘高速公路現(xiàn)況為兩上兩下四車道，全寬26m，因此本橋設(shè)計預(yù)留三上三下橫斷寬度，全寬30m。為了快速施工及不影響京津塘高速公路的正常通行，同時受橋下凈空的限制，本橋設(shè)計采用鋼-混組合連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，中跨上跨京津塘高速公路，第2、4跨上跨立交匝道。
此橋?yàn)?5．0m+28．5m+38．0m+28．5m+25．0m 5孔鋼-混凝土組合連續(xù)箱梁，橋?qū)?2．0m，鋼箱所用鋼材為Q235D，頂板現(xiàn)澆C45無收縮混凝土。橋梁下部為雙柱墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋梁設(shè)計荷載汽車一超20級，掛車一120；地震基本烈度為8度。橋型總體布置見圖1。
橋梁處在半徑R=120m的平曲線上，橋面設(shè)置4．0％的超高，橫坡由鋼箱腹板形成，頂板混凝土厚0．27m，箱梁斷面為單箱雙室(圖2)。
二、鋼-混組合梁特點(diǎn)
該結(jié)構(gòu)最大的技術(shù)特點(diǎn)是將鋼材抗拉性能好混凝土抗壓性能好結(jié)合在一起，充分發(fā)揮其各自性能，從而提高橋梁抗彎剛度和抗扭剛度。另外鋼-混組合結(jié)構(gòu)還有以下特點(diǎn)：
1．適應(yīng)大跨徑、高橋的快速施工，本橋設(shè)置9個臨時支架，施工時未影響橋下高速路通行。
2．鋼筋混凝土板通過剪力連接件(采用圓柱型焊釘)與鋼箱梁組合在一起形成組合結(jié)構(gòu)，可以充分發(fā)揮鋼材抗拉性能好、鋼筋混凝土抗壓性能好的優(yōu)點(diǎn)。
3．對連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)施加預(yù)應(yīng)力，利用高強(qiáng)鋼材改善受拉區(qū)混凝土板的工作條件。
4．自重輕、剛度大，這種結(jié)構(gòu)的剛度略低于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，但較全鋼結(jié)構(gòu)大得多。
三、結(jié)構(gòu)計算及分析
目前我國尚無預(yù)應(yīng)力鋼-混組合橋梁結(jié)構(gòu)的規(guī)范，為此本次設(shè)計嚴(yán)格按照極限狀態(tài)設(shè)計，并分別用公路橋有關(guān)規(guī)范(刪023—85、JTJ025—86)條文校驗(yàn)。設(shè)計結(jié)構(gòu)計算采用3D—BSA’2001彎斜坡異形橋梁空間結(jié)構(gòu)分析軟件，預(yù)應(yīng)力完全按空間力系考慮，計算分析按實(shí)際施工順序分階段進(jìn)行。為了更好地模擬鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)，將其分為兩層單元，上層是混凝土橋面板，下層是鋼箱。模型中充分考慮了施工及運(yùn)營階段的結(jié)構(gòu)剛度模擬與各種荷載的作用過程。
活載分析中采用機(jī)動法計算內(nèi)力、支反力影響線，并利用動態(tài)規(guī)劃在內(nèi)力、支反力影響面上進(jìn)行最不利布載。
為減小收縮、徐變對鋼箱的影響，頂板采用C45無收縮混凝土，限制指標(biāo)為水中養(yǎng)護(hù)14d，混凝土限制膨脹率≥0．3‰。
四、預(yù)應(yīng)力設(shè)置與體系轉(zhuǎn)換
一般來說，連續(xù)組合梁負(fù)彎矩區(qū)受力很大，通常要采取在混凝土橋面板中施加預(yù)應(yīng)力。本設(shè)計組合橋面板的預(yù)應(yīng)力度按A類部
分預(yù)應(yīng)力掌握，即在荷載組合I狀態(tài)下σ
ZL≤0．8R
ab這樣在l、4號墩頂配置16束8×7Φ
J15．24鋼束，在2、3號墩頂配置18束8×7Φ
J15．24鋼束，鋼束采用高強(qiáng)度低松弛標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度R
ab為1860MPa的鋼絞線，其規(guī)格為φ
J15．24mm，頂板另配φ20@15鋼筋兩層。
計算組合時，按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行組合并用于應(yīng)力檢驗(yàn)。另外按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行組合驗(yàn)算結(jié)構(gòu)承載力是否滿足要求。
經(jīng)計算，混凝土頂板處壓應(yīng)力σ
max為9．614MPa，拉應(yīng)力σ
min為0．787MPa，滿足規(guī)范要求。
梁的分段以分段處彎矩接近0為好，為增強(qiáng)鋼箱的穩(wěn)定性，特增設(shè)加勁橫梁，同時橋墩設(shè)計為雙柱墩。限于吊裝、運(yùn)輸條件，分段長度不超過30m。本橋鋼箱全長144．92m，分9制作段，在工廠加工制作，工地現(xiàn)場吊裝，拼接成整體后現(xiàn)澆橋面板砼，梁段最長22．2m，最大吊裝重量為762kN?，F(xiàn)場施工由架設(shè)各段裸鋼梁并拼接、現(xiàn)澆橋面板形成全截面、施加預(yù)應(yīng)力、拆除臨時支撐、做橋面鋪裝五個階段組成，整個施工過程是剛性支承(墩、臺)和彈性支承(臨時支架)的9跨連續(xù)梁轉(zhuǎn)換為剛性支承上的5跨連續(xù)梁的過程，鋼箱分段見圖3。
五、支座受力分析與設(shè)計
由于本橋處在R=120m的平曲線上，根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的受力要求，需在墩頂施加預(yù)應(yīng)力，這樣就會在邊跨橋臺處產(chǎn)生負(fù)反力，有時負(fù)反力在施工、成橋和運(yùn)營過程中均存在，給施工和維護(hù)造成一定的困難，因此支座負(fù)反力的合理處理也是本次設(shè)計的主要內(nèi)容。
根據(jù)本橋的受力特點(diǎn)，為方便施工，改善結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施，提高支座的抗疲勞能力，邊跨支座負(fù)反力的設(shè)計原則是：通過采取合理有效的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施，允許運(yùn)營時出現(xiàn)負(fù)反力，橋臺支座在最不利荷載組合(自重+預(yù)應(yīng)力+收縮+徐變+二期恒載+年均升溫+13照溫差+汽車一超20)下，外側(cè)支座最大負(fù)反力為1090kN。為保證正常運(yùn)營及結(jié)構(gòu)安全，本次設(shè)計橋臺處采用JQGZ2500一DX單向活動減震球型鋼支座，其抗拔力達(dá)1500kN。在各種工況下橋臺內(nèi)外側(cè)支座支反力見表1，橋
臺支座在活載(汽車一超20級、掛車一120)作用下支反力見表2，在運(yùn)營階段荷載組合支反力見表3
從以上反力表中可以看出鋼-混組合梁在預(yù)施應(yīng)力、收縮、徐變及年均升溫工況下曲線外側(cè)支座均出現(xiàn)負(fù)反力，其中施加預(yù)應(yīng)力工況達(dá)一906kN，這與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁支反力效果正好相反。其主要原因是：鋼-混組合梁只對頂板張拉預(yù)應(yīng)力，鋼束縱斷面形狀起伏平緩，混凝土對平曲線鋼束的徑向力只能通過梁端支反力來抵消，在梁端產(chǎn)生較大的扭矩，導(dǎo)致曲線外側(cè)支座負(fù)反力比內(nèi)側(cè)大。而混凝土連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力是通過其彎矩包絡(luò)圖設(shè)置在負(fù)彎矩區(qū)，鋼束縱斷面形狀起伏較大，混凝土對曲線鋼束的徑向力得以自身部分抵消，而在梁端產(chǎn)生與組合梁相反的較小扭矩，曲線內(nèi)側(cè)支座產(chǎn)生負(fù)反力。
六、剪力連接件的設(shè)計
組合梁是通過連接件把鋼梁與混凝土橋面板結(jié)合成一體來共同承受外力，而對于預(yù)應(yīng)力鋼-混組合連續(xù)梁突出之處在于：一是預(yù)應(yīng)力加大了混凝土與鋼梁間的水平剪應(yīng)力，增加了剪力件的負(fù)荷；二是汽車荷載在不同位置能產(chǎn)生方向相反的剪力，剪力連接件疲勞破壞的危險較大。為了確保兩者間不發(fā)生相對滑移，通常是把一個個焊釘連接件沿翼緣長度方向等間距布置，因此鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能不僅受到自身材料性質(zhì)的影響，而且還與結(jié)合面的連接方式有很大關(guān)系。在選擇連接形式時要考慮結(jié)構(gòu)性能的要求、施工條件，同時還要充分考慮結(jié)合面的受力特點(diǎn)。本橋采用圓柱頭焊接連接件，在鋼箱頂面焊上剪力釘，由其承擔(dān)剪力和拉拔力。本橋在每道翼板上緣縱橋向設(shè)置7排+22的剪力釘(高17cm)，其橫向間距l(xiāng)Ocm，縱向間距15cm，同時在每道橫隔板上設(shè)置兩排剪力釘。
七、箱內(nèi)加勁、隔板的設(shè)置
薄壁箱梁內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的隔板和加勁是十分必要的，它們可以提供足夠的橫向剛度，保證箱梁不致局部失穩(wěn)，并保證箱梁不出現(xiàn)過大的翹曲變形。橫隔板的間距與厚度只要滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定要求即可，不必達(dá)到約束畸變的要求。本橋在中墩位置設(shè)置3道橫隔板，橋臺支撐處設(shè)置2道橫隔板，間距0．86m，其余部分4．Om左右設(shè)置一道。鋼箱腹板加勁肋參照鋼板梁加勁的要求設(shè)置，鋼箱外側(cè)腹板約1．1m設(shè)置一道加勁板；另外為提高鋼箱底板的抗壓及抗拉能力，在底板各室設(shè)置了8道縱向加勁肋。
八、結(jié)束語
鋼-混組合連續(xù)梁與同結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁及全鋼箱梁相比，不但充分發(fā)揮了鋼及混凝土各自的力學(xué)性能，而且具有自重輕、剛度大、施工快捷等優(yōu)點(diǎn)，且能保證施工期間橋下道路正常通行，在道路立體交叉中需要上跨已建成的高等級公路時，鋼-混組合梁橋結(jié)構(gòu)可作為首選橋型。但需注意的是在小半徑鋼-混組合連續(xù)梁橋梁設(shè)計中，要對橋臺曲線外側(cè)支座出現(xiàn)的負(fù)反力進(jìn)行計算和分析，采取必要措施以保證橋梁施工及運(yùn)營安全。
