昌平轻轨钢-混凝土结合连续刚构桥设计.pdf

第 5 8卷第 6期 2 0 1 4年 6月 铁道 标准 设计 RA1 LW AY S TANDARD DES 1 GN VO 1 58 NO 6 J u n2 0l 4 文章编号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 7 0 0 6 昌平轻轨钢一 混凝土结合连续刚构桥设计 王 冰 ( 中铁第五勘察设计 院集 团有 限公 司，北京 1 0 2 6 0 0 ) 摘要 ： 轨道 交通 昌平线 高架 区间跨 线桥 采用两联桥跨 布置为( 3 7 + 6 0 + 7 9 + 4 2 5 ) m及 ( 4 2 5 + 7 9 + 4 2 5 ) i n的钢一 混 凝土结合连续刚构方案， 本桥具有跨 度大、 曲线半径 小、 地震 烈度 高、 桥 下既有线 众 多等特 点 ， 设 计控制 因素较 多。 介绍该桥的方案选择 、 结构设计、 主 梁有效 宽度计 算以及墩 梁固结段 的处理 ， 并针 对连续 梁负弯矩 区混凝 土桥 面板 受力 问题 ， 提 出预制桥 面板 、 预加静 载法、 施加 纵向预应 力、 滞后 结合、 高配筋 率等 多种 处理方 法， 对 其效果做 出综 合 比 较 ， 以确 定 最 终 施 工 方 案 。 关键词 ： 结合 梁；钢一 混结合段 ；有效宽度 ；负弯矩 区；连 续刚构桥 中图分类号 ： U 2 3 1 ； U 4 4 8 2 3 文献标 识码 ： A D Ol ： 1 0 1 3 2 3 8 j i s s n 1 0 0 4 2 9 5 4 2 0 1 4 0 6 0 1 7 De s i g n o f St e e l Co n c r e t e Co m p o s i t e Co n t i n uo us Ri g i d Fr a me Br i dg e o n Cha ng p i n g Li g ht Ra i l wa y W ANG Bi n g ( C h i n a Ra i l wa y F i f t h S u r v e y a n d De s i g n I n s t i t u t e Gr o u p Co ，L t d ，B e ij i n g 1 0 2 6 0 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ： C o n s i s t i n g o f t w o m u l t i - s p a n u n i t s o f( 3 7 + 6 0 + 7 9 + 4 2 5 ) 一 m a n d ( 4 2 5 + 7 9 + 4 2 5 ) 一 m，a s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e c o n t i n u o u s r i g i d f r a me wa s u s e d f o r t h e v i a d u c t br i d g e o n Ch a n g p i n g l i n e o f Be i j i n g u r b a n r a i l t r a n s i t t o c r o s s a b o v e e x i s t i n g r a i l wa y l i n e s T h e b r i d g e i s c h a r a c t e r i z e d b y l a r g e b r i d g e s pa n，s ma l l c u r v e r a d i us ，h i g h e a r t hq u a k e i n t e n s i t y，ma n y e x i s t i n g r a i l wa y l i n e s u n d e r t he b r i d g e，e t c； a n d S O t h e de s i g n for i t wa s d o mi n a t e d b y ma n y f a c t o r s Th i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e s c h e me s e l e c t i o n， s t r u c t u r e d e s i g n，c a l c u l a t i o n o f e f f e c t i v e wi d t h o f ma i n g i r de r ，a n d t he t r e a t me n t o f t h e r i g i d c o nn e c t i o n z o n e b e t we e n pi e r s a n d g i r d e r An d t h e n i n o r d e r t o s o l v e t h e s t r e s s p r o b l e m i n c o n c r e t e b r i dg e d e c k i n t h e ne g a t i v e b e n d i n g mo me n t z o n e o f t h e c o n t i n u o u s g i r d e r ，a v a r i e t y o f t r e a t me n t me t ho d s we r e p r o p o s e d i n t h i s pa p e r ，s u c h a s u s i n g p r e f a b r i c a t e d b r i d g e d e c k， s t a t i c p r e l o a di ng，l o n g i t u d i n a l p r e s t r e s s i n g， h y s t e r e s i s e f f e c t ，h i g h r e i n f o r c e me n t r a t i o a n d S O o nFu r t h e r mo r e，t h e e f f e c t s o f t r e a t me n t me a s u r e s we r e c o mpr e h e n s i V e l y c o mp a r e d wi t h e a c h o t h e r i n t h i s p a pe r S O a s t o d e t e r mi n e t h e f i na l c o n s t r u c t i o n s c h e me Ke y wo r ds：c o mp o s i t e g i r de r ；s t e e l - c o n c r e t e c o mp o s i t e z o n e；e f f e c t i v e wi d t h；n e g a t i v e b e n d i n g mo me n t z o ne；c o n t i n u o u s r i g i d f r a me b r i d g e 1 工程 概况 北京轨道交通 昌平线一期工程北清路站 西二旗 站 区间跨线高架桥全桥长 3 8 2 5 m， 桥宽 9 4 m， 线路 位于 R= 4 5 0 m的平曲线上 ， 并且连续跨越多条既有线 及规划线， 为了尽可能减少施工期 间对桥下既有线正 常运营的影响， 根据现场实际情况并经多方案 比选 ， 跨 收稿 日期 ： 2 0 1 31 21 6 ；修回 日期 ： 2 0 1 3 1 23 0 作者简介 ： 王冰 ( 1 9 8 3 一 ) ， 女 ， 工程 师， 2 0 0 4年毕业 于 中南 大 学土建 院土木工程专业 ， 工学学 士， E - m a i l ： w a n g b i n g t5 y c n 。 线孔最终采用 2联钢一 混凝 土连续 结合梁桥 ， 结构体 系采用 刚构的形式 ， 跨度布置为 ( 4 2 5 + 7 9 + 4 2 5)m 和( 3 7 + 6 0 + 7 9 + 4 2 5 )m。全桥梁部采用工厂预制 ， 现 场分段吊装的施工方法。本桥成桥全景见图 1 。 2主 要技 术标 准 ( 1 ) 活载类型 ： 地铁轻轨 ， 车辆采用标准 B 1型车 ， 6辆编组 ， 最大轴重 1 4 0 k N， 最小轴重 8 O k N。 ( 2 ) 正线数 目 ： 双线 ； ( 3 ) 线路间距 ： 4 2 m； 7 2 铁道标准设计 第 5 8卷 3 2上部 结构构 造设 计 主梁结 构 由钢箱 梁 和 钢筋 混 凝 土桥 面板 组 成 ， 钢 箱梁与混凝 土桥面板通 过剪力钉结合 在一起 整体受 力 。本桥位于小半径曲线上 ， 主梁抗扭要求较高 ， 钢梁 采用直腹板 形式的箱 型截 面， 可有效解决这 一问题。 钢梁顶板宽 5 2 m， 底板宽 4 9 m， 由于主跨跨径相差 较大 ， 6 0 m主跨侧中支点梁高采用 3 6 m， 7 9 i n主跨侧 中支点梁高采用 4 m， 而边支点及跨 中截面梁高均 为 2 2 IT I 。钢 箱梁 横 隔 板 采 用 实 腹 式 结 构 ， 间距 3 m， 两 个横隔板 间加设 竖肋 ， 间距 1 m。钢箱梁主体结构采 用 Q 3 4 5 q D钢材 ， 板 厚 3 5 m m 时采 用 Q 3 7 0 q E钢 材 。 结合 梁截 面形 式如 图 4所 示 。 ( a ) 标 准断面 ( b ) 竖肋 断面 图4结合梁截面形式 ( 单位 ： mm) 混 凝土 桥面 板 顶 宽 9 4 m， 支 承 处 板 厚 3 8 C 1 T I ， 中 间部分板厚 2 5 c m， 每侧悬臂长 2 1 m， 采用 C 5 0混凝 土 。桥 面板 采用工 厂 分 段预 制 ， 现 场 湿 接缝 连 接 的形 式 。标准预制桥面板每块 尺寸为 9 4 m 2 5 m， 吊重 1 7 0 k N， 预制 板之 间设现 浇混凝 土接 缝 ， 标 准 接缝 尺 寸 为 9 4 mx 0 5 m。现浇混 凝 土接缝 处 的钢 板上 布置 焊 钉 ， 形成共同受力的钢一 混结合形式 。 3 3 下部 结构构 造设 计 本 区 间桥梁下 部 结构 墩 柱 采 用矩 形 桥 墩 ， 中墩 墩 柱截面尺寸为 4 8 m 2 0 m， 采用 6根 1 5 m的钻孔 灌注桩基础 ； 交接墩墩柱截面尺寸为 4 8 m 2 4 m， 采 用 4根 1 5 m的钻孑 L 灌注桩基础 ； 桥梁两端与混凝土 箱梁相接时 ， 采用“ 宝石” 造型盖梁 。下部设计既要满 足 强度 、 刚度 、 稳定 性 的要 求 ， 还 应 满 足架 梁 施 工 机 械 布 置 的构造需 要 。 4关 键 问题 的设 计 思路 4 1 有效 宽度计 算方 法 本桥跨度较大 ， 中支点作为设计控制截 面承受着 较大的负弯矩和剪力， 桥面板剪力滞现象严重 ， 横截面 上 混凝 土板顶 面 中的最 大拉 应力 约 为平 均 值 的 1 3 1 5倍 。规 范采用 有效 宽度 的方 法来 反 映桥 面板 剪 力 滞的程度 ， 而影响有效宽度取值 的因素有很多， 如宽跨 比、 支承条件 、 荷载形 式 、 截面形 状尺 寸 以及 截 面位 置 等 。 对于结合梁混凝土桥面板有效宽度 的计算 ， 目前 国内一些相关设计规范均 给出了具体计算方法 ， 有效 宽度在主梁计算跨径 的 1 3 、 相邻两梁轴线间距 、 桥面 板 承托 以外加 1 2倍 混 凝 土 板 厚 三者 中取 最 小值 。我 国规范关于结合梁有效宽度 的规定是针对简支 梁而 言 ， 现行规范没有连续梁相应的规定 。 本设计参照 日本 道路桥示方书 对 桥面板有 效宽度进行计算 ， 此规范根据连续梁结构受力性质不 同， 引入等效跨径的概念 ， 对连续梁正 、 负弯矩 区有效 宽度 C 。 分别给出不同的计算公式 ， 并将宽跨 比 b L值 作为重要的参数， 具体计算公式如下所示。 跨 中断面 r 6 6 0 0 5 C L = 1 12 ( b L ) 6 0 0 5b L0 3 0 【 0 1 5 6 0 3 0 中支 点断 面 c = -。6 32 c b 45 c 。 。26b L O 0 2 3 。 宽度计算 ， 混凝土桥面板全宽 9 4 m， 跨 中截 面有效宽 钢一 混凝土结合梁结构应用于简支梁或连续梁的 I 3 m， 占全截 面的 1 3 8 。由于 中支点负弯矩 区作 得最大的技术 、 经济效益。但是对于连续梁桥 中支点 为全桥控制截面， 其换算截面特性和内力分配受有效 范围， 这种材料优势就变为结构的弱点 ， 上缘混凝土桥 第 6期 王 冰一 昌平轻轨钢一 混凝土结合连续 刚构 桥设 计 7 3 面板受拉 ， 容易开裂 ， 影响截 面刚度及结构耐久性 ， 下 缘 钢梁 受压 ， 可 能有 侧 向失 稳 及 钢 梁 下 翼缘 和受 压腹 板 的局部失稳等不利情况 出现 ， 降低承载力。所以 连续结合梁在推广应用中 ， 中支点负弯矩 区段 的处理 往 往成 为设 计难 点 和施 工控 制 重点 。 对于大跨连续结合梁 ， 在设计施工过程中， 负弯矩 区需重 点解 决 钢梁 的受 压稳 定 问题 以及 混凝 土桥 面板 的开裂 问题 ， 前者可通过双重结合或增强加劲肋 的方 式容易解决 ， 而后者则需要采用合理的施工工艺 进行 控制。 目前各国对连续结合梁负弯矩混凝土桥面板开 裂 问题 的处 理 方式 差 别 很 大 ， 主 要 源 于设 计 标 准 和设 计理念的不同， 所以至今 尚未有完全经济有效 的设计 方法。在实际设计经验 中， 控制结合梁负弯矩 区混凝 土应力 的方法有很多 ， 均能达到不同的控制效果 ， 但是 施工难易程度差别较大 ， 其各有利弊 ， 褒贬不一 ， 需要 根据具体情况综合应用 。 ( 1 ) 预制混凝土桥面板法 结合梁混凝土桥面板属于偏拉构件 ， 其拉应力大 小 主要 受 二 期 恒 载 、 活 载 及 混 凝 土 收 缩 徐 变 的 影 响。 由于钢梁的约束 ， 混凝土 的收缩徐 变对 钢一 混结合 梁 的影响更为显著 ， 主要表现在组合截面上应力重分布 、 主梁后 期挠 度 的增 加 以及混 凝 土桥 面板 的开 裂 。而采 用预制混凝土桥面板可有效降低混凝土收缩徐变对结 合梁的不利影响， 并且在经济性 、 施工性 、 工期等方 面， 预制混凝土构件也明显优于现浇构件 。 本 桥桥 面板采 用 预 制 方式 ， 剪 力 钉槽 和湿 接 缝 处 浇 筑 C 5 0微 膨 胀混 凝 土 ， 以减少 混 凝 土 收缩 徐变 引起 的拉应力和后期预应力损失。以其 中一联 ( 4 2 5 + 7 9 + 4 2 5 )m 中支点截面为例 ， 不考虑预应力作用 ， 预制板 不 同存放时 间对结构 内力 的影 响见表 1 。由表 1可 见 ， 存放时间越长 ， 对结构受力越有利 ， 混凝土收缩徐 变的影响和 比重就越小 ， 但存放时间超过 4个月后 ， 收 缩 徐变 减少 不 明显 。结 合工期 、 施 工组 织安 排 ， 本 桥要 求桥面板存放时间不少于 4个月。 表 1 预 制板不同存放时 间的 内力对 比 ( 2 ) 预加静载法 该法施工简单 ， 操作方便 ， 可通过调整混凝土桥面 板的浇筑顺序和增加配重 的方法来实现， 正弯矩区先 形成钢一 混组合结构 ， 再在跨中预加静载 ， 待负弯矩 区 形成钢一 混组合结构后逐级卸 载， 负弯矩 区桥面板 内 便 形成 一定 的预压力 。 本桥为地铁双线桥 ， 二期恒载合计 8 0 k N m， 混凝 土桥面板湿重 8 1 1 k N m， 二者相差不大。在安装桥 面 板前 ， 结 构 已完成 体 系转换 ， 以其 中一 联 ( 4 2 5 + 7 9 + 4 2 5 )m为例 ， 不考虑预应力作用 ， 将仅调整混凝土桥 面板 安装顺 序 、 按 二期恒 载 大小进 行分 级配 重 4 0、 8 0 k N m三种方法的恒载内力进行对 比， 预加静载法 内力 对 比结 果见 表 2 。 表 2预加 静载 法内力对 比 可见 ， 增加 配 重可 有 效 改 善 墩 顶 负 弯矩 区桥 面板 的受力状态， 达到调整内力的 目的， 对于这种大跨径桥 梁 ， 往 往需 要施 加较 大 的配 重 荷 载 才 能 达 到更 好 的效 果 。地铁桥梁二期恒载和活载均较普通公路桥重 ， 仅 调整桥面板安装顺序 ， 虽然有效 ， 难以从根本上解决负 弯矩区开裂 问题 ， 如要完全抵消桥面板拉应力 ， 可能会 因所需配重工程量大而导致无法施工。因此 ， 本 桥对 桥面板的安装顺序进行了调整 ， 由跨中向支点 ， 先安装 受 压 区后安 装 受拉 区 ， 减 少 桥 面 板 自重 引起 的混 凝 土 拉应力 ， 并辅以适当增加配重的方法达到预期效果 。 ( 3 ) 支 座强 迫位 移法 该法是在钢主梁架设后 ， 顶升中支点一定高度， 使 钢梁 产 生负 弯矩 ， 再 浇筑 混凝 土桥 面板 ， 此 时桥 面板处 于无应力状态 ， 待其硬化后再进行落梁 ， 混凝土桥面板 便产生一定 的预压应力。通过试算顶升高度 ， 可以调 整预压应力大小 ， 部分或全部抵消 由二期恒载和活载 引起 的负弯矩 ， 达到预期效果。 施加静位移法对 调整内力有一定的效果 ， 但与现 场施工条件紧密相关 ， 对连续梁比较实用 ， 本桥为刚构 结构 ， 虽钢梁和混凝土墩身连接处顶升可以实现 ， 但会 对施工造成很大的不便 ； 本桥位于小半径曲线上 ， 内外 侧支反力相差较大 ， 施工阶段顶升 4 0 c m时端 支座便 7 4 铁道标准设计 第 5 8卷 会脱空 ， 顶升过程中结构的倾覆稳定性和同步性较难 保证 ， 故 未采用 。 ( 4 ) 施 加纵 向预应 力 该法是 对 连续梁 中支 点处 的混凝 土桥 面板施 加 预 应力来降低混凝土的拉应力和满 足裂缝宽度的要求 。 本桥 在 设 计 时 ， 在 中 支 点 桥 面 板 设 置 了 2 2束 5 7 4 , 5 mm 高 强度 低 松 弛 钢 绞 线作 为 纵 向预 应 力 筋 ， 标 准 间距 0 1 5 m。 一 般认为通过配置预应力束控制桥 面板混凝土开 裂 ， 相对一部分预应力将通过剪力键施加到钢梁上 ， 由 于混凝土的收缩徐变 ， 出现应力重分布的现象 ， 后期预 应力损失增大 ， 钢束利用效率降低， 在预应力锚固端还 存在 局部应 力集 中问题 ， 因此负 面效应 较多 。 为提高预应力钢束 的利用率 ， 理想方法是 先对预 应力 混凝 土桥 面板进 行预制 ， 再使 之与 钢梁 进行 连接 ， 但这种施工方法较不现实 ； 或弱化甚至取消剪力键， 使 预应力完全施加在桥面板上， 相对于结合梁 ， 这种非结 合梁受力不利 ， 承载能力和刚度远远降低 ， 需要增大钢 梁截 面 。 考虑施 工操作 可 行 性 ， 本 桥负 弯 矩 区 桥 面板 采 用 部分滞后结合的方式 ， 最大程度上 降低张拉预应力 的 不利 效应 。为适 应钢 梁 上 成束 布 置 的剪力 钉 ， 在 预 制 板上对应于剪力钉的位置开剪力钉槽 ， 槽 口基本尺寸 为 1 0 0 c m 2 5 c m， 槽 口顺桥向基本间距为 5 0 c m， 预制 桥 面板 安装 示 意见 图 5 ， 桥 面板 架设 前 设 在 结 合 部 位 的剪力钉位置必须有很高的精度 ， 待预应力张拉完后 再 浇筑 剪力 钉槽处 的混 凝土 。 图 5 预制桥面板安装示意 ( 5 ) 高配筋率法 规范 规定利用高配 筋率来限制负弯矩桥 面板 裂缝宽度时 ， 配筋率不应小于 3 ， 裂缝宽度一般不大 于 0 1 5 mm， 中支座两侧跨度 1 5 范 围内受拉 区混凝 土不参与工作 ， 桥面板截面刚度削弱 ， 仅计入其有效宽 度 范围 内的纵 向受拉 钢筋 。 本桥 桥面板 的纵 向配筋 率 为 5 0 8 ， 采 用 + 2 8 m m钢 筋 ， 上下各 1 层 ， 间距 l 2 5 c m， 除外侧 悬 臂 板端 部 1 m范围单根一束布置外 ， 其余均采用 2根一束 ， 上 下叠置。桥面板横向配筋率沿纵 向基本不变 ， 钢筋布 置 为 2层 ， 西 l 8 m m， 间距 1 0 c m。 综合 考虑 上述 措施 后 ， 桥 面板 中支 点 负 弯矩 区混 凝土 的拉应 力可 得 到有 效 控 制 ， 其 中一 联 ( 4 2 5 + 7 9 + 4 2 5 )m运 营阶段 钢梁 和混凝 土 桥面 板 的应 力结 果 见 表 3 、 表 4， 可见考虑混凝土一直参加工作 ， 混凝土桥面 板 的名义拉 应 力 5 7 2 MP a ； 考 虑拉 应 力 大 于 2 5 MP a 部分 混凝 土开裂 退 出工作 ， 仅计 入钢 筋作用 ， 此 时钢 梁 受力最为不利 ， 对这 2种状态进行检算 ， 其钢梁应力和 混凝 土裂缝 宽度 均可 满足要 求 。 表 3运营阶段的应力结果 ( 混凝土一直工作 ) 表 4运营阶段的应力结果 ( 混凝土开裂退 出工作 ) 4 3小半径 曲线 的影 响 本桥位于曲线上， 与直桥相比， 弯桥的竖 向支座反 力有外侧变大 、 内侧变小的倾向， 而本桥两联的边跨主 跨 比又较 小 ， 分 别 为 0 5 4和 0 6 2 ， 对 主跨 的平衡 卸 载 能 力较 低 ， 加 上结构 自重 荷载 较轻 ， 边墩 支点 更容 易产 生 负反力 ， 需要 考虑 曲线 对支 座反力 的影 响 。 由于落梁和体系转换顺序对反力分布有一定的影 响 ， 设计时利用空间计算软件进行分析 ， 考虑了实际的 施工步骤及体系转换顺序 ， 计算结果表明， 边支座未出 现拉 力 ， 但 主 +附 组 合 下 ， 曲 线 内 侧 支 反 力 最 小 仅 2 3 7 k N， 支 座有 脱空 的趋势 。综 合考 虑 ， 每联 边跨 采 用 5 0 t 钢 砂 混 凝 土 进 行 压 重 ， 钢 砂 混 凝 土 容 重 为 5 0 k N m ， 压重 布 置范 围见 图 6 ， 布 置 时应 尽 量 靠 近 梁 端 支座 ， 并避 开底 板进人 孔 留 出通 道 ， 此 处钢 梁底 板增 设 剪力 钉并 进行加 劲 。 4 4墩 梁 固结段 的处理 主梁与桥墩 固结所形成的组合 刚构桥 ， 具有不设 支座的优点， 但是如何保证梁部承担的荷载能够有效 地传给桥墩 ， 则是本桥设计施工 的关键问题 。结合部 必须设计得足够强 ， 同时还应具有 良好 的耐久性和延 性以抵抗温度 和地震作用 的影 响 。本桥墩 、 梁钢一 混 固结 段采 用 钢 格 室 + 剪 力 键 的 形 式 进 行 结 合 ， 利 用 3 m 长的钢 格室 实现 钢筋混 凝 土桥 墩 到 钢 主梁 之 间 的 过渡