贵州两渡水湘江大桥主桥设计关键技术.pdf

桥梁建设2023年第53卷第S1期(总第283期)Bridg e Co nst ruc t io n,Vo l.53,No.SI,2023(To t al l y No.283)9文章编号：1003-4722(2023)Sl-0009-07 DOI：10.20051/j.issn.1003-4722.2023.SI.002贵州两渡水湘江大桥主桥设计关键技术刘新华，王钺钺，张 维，李 秋(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430056)摘 要：贵州两渡水湘江大桥主桥为(72+120+72)m波形腹板钢槽组合梁大跨变截面连续 刚构桥。针对传统波形钢腹板组合箱梁桥底板混凝土结构自重仍然偏大、底板易开裂、下翼缘混凝 土与波形钢腹板易脱离等问题，该桥主梁采用自重轻、底板抗裂能力强的波形腹板钢槽组合梁结 构。主梁顶板宽20.25 m,单箱双室变截面。为解决组合梁根部钢底板受力复杂、抗压稳定性差的 难题，在负弯矩区组合梁钢底板上设置混凝土层，形成顶、底板双重组合结构。为提高混凝土桥面 板和钢主梁之间的抗剪承载力、有效防止桥面板横向角隅弯矩导致的竖向掀起问题，剪力连接件采 用开孔钢板的双PBL键。主梁墩顶0号块采用全混凝土结构，钢-混结合段采用后承压式构造。主梁横隔板采用实腹式和桁架式两种结构形式，在提高结构抗畸变和抗扭转能力的同时，大幅降低 了工程用钢量。主墩采用壁厚1.8 m的双肢实体薄壁墩。结构整体和局部计算分析表明，桥梁具 有较好的妥全性和适应性。关键词：连续刚构桥;钢槽组合梁；波形钢腹板；双重组合结构；双PBL键；钢-混结合段；桥梁 设计中图分类号：U44&23；U442.5 文献标志码：AKey Design Techniques of Main Bridge of Liangdushui Xiangjiang River Bridge in Guizhou ProvinceLIUXin-hua,WANG Cheng-cheng,ZHANG Wei,LI Qiu(CCCC Sec o nd Hig h way Co nsul t ant s Co.,Lt d.,Wuh an 430056,Ch ina)Abstract:Th e main bridg e o f Liang dush ui Xiang j iang River Bridg e in Guizh o u Pro vinc e is a l o ng-sp an c o nt inuo us rig id-frame bridg e wit h a main sp an o f 120 m and t wo side sp ans o f 72 m.Th e bridg e feat ures it s st eel t ub g irders and c o nc ret e sl abs c o mp o sit e sup erst ruc t ure o f variabl e c ro ss-sec t io n.Th e webs o f t h e st eel t ub g irders are c o rrug at ed st eel webs.In t h e c o nvent io nal c o mp o sit e bo x g irder wit h c o rrug at ed st eel webs,t h e sel f-weig h t o f t h e c o nc ret e p o ured o n t h e bo t t o m st eel p l at es is st il l c o nsidered t o o h eavy)and t h e c rac king o f t h e bo t t o m st eel p l at es and t h e diseng ag ement o f t h e l o wer-fl ang e c o nc ret e and c o rrug at ed st eel webs are c rit ic al issues.Ho wever,in t h e Liang dush ui Xiang j iang River Bridg e,t h e c o mbined ap p l ic at io n o f t h e st eel t ub g irders and c o nc ret e sl abs al l o ws t h e sup erst ruc t ure t o h ave a l ig h t er bo dy and t h e c rac king resist anc e o f t h e st eel bo t t o m p l at es t o be enh anc ed.Th e t wo-c el l st eel t ub g irder is o f variabl e c ro ss-sec t io n,t h e t o p o f wh ic h measures 20.25 m wide.To c l arify t h e l o ad bearing beh avio r and imp ro ve t h e c o mp ressio n st abil it y o f t h e bo t t o m p l at es o ver p iers,a c o nc ret e l ay er was c ast o n t h e st eel bo t t o m p l at es in t h e h o g g ing mo ment zo nes,t o fo rm a do ubl e-c o mp o sit e sup erst ruc t ure.To imp ro ve t h e sh ear c ap ac it y bet ween c o nc ret e dec k sl abs and t h e st eel t ub g irders and effec t ivel y收稿日期收稿日期=2022-05-24基金项目：贵州省交通运输厅科技项目(2022-122-021)Sc ienc e and Tec h no l o g y Pro j ec t o f Dep art ment o f Transp o rt at io n o f Guizh o u Pro vinc e(2022-122-021)作者简介:刘新华，正高级工程师,E-mail:601446430q q.c o mo研究方向：大跨与新型桥梁结构设计。10桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)p revent t h e vert ic al up l ift t h e c o nc ret e dec k sl abs c aused by t h e t ransverse c o rner bending mo ment o f c o nc ret e dec k sl abs,do ubl e PBL c o nnec t o rs are used.Th e p ier-t o p seg ment s o f t h e sup erst ruc t ure are p ure c o nc ret e st ruc t ures.Th e st eel-c o nc ret e j o int sec t io n c o nt ains a rear l o ad bearing p l at e.Bo t h so l id and t russ diap h rag ms are emp l o y ed t o imp ro ve t h e dist o rt io n-and t o rsio nresist ant abil it y o f t h e sup erst ruc t ure and reduc e t h e st eel c o nsump t io n as wel l.Eac h main p ier h as t wo wal l-t y p e c o l umns,wit h wal l t h ic kness o 1 8 ni.Th e g l o bal and l o c al c al c ul at io ns p ro ve t h at t h e safet y and adap t abil it y o f t h e bridg e st ruc t ure is g o o d.Key words:c o nt inuo us rig id-frame bridg e;st eel t ub g irder and c o nc ret e sl ab c o mp o sit e sup erst ruc t ure;c o rrug at ed st eel web;do ubl e-c o mp o sit e st ruc t ure;do ubl e PBL c o nnec t o rs;st eel-c o nc ret e j o int sec t io n；bridg e desig n1工程概况兰州至海口国家高速公路重庆至遵义段（贵州 境）扩容工程两渡水湘江大桥为扩建路段上的拼宽 桥梁，大桥边线与原有湘江大桥相距6.25 m.桥 址区属阶梯状河谷地貌过渡为河谷陡坡地貌区，周 边峰顶标高约+875.7 m,呈圆形或椭圆状，冲沟沟 底及河床底标高约+747.0 m,相对高差约 12&7m。大桥跨斜坡、河床而建，桥下塘河常年有 水流。桥梁设计速度100 km/h,汽车荷载标准釆用 公路一I级，桥宽20.25 m。综合考虑桥位处地形、地貌、水文、地质、施工工 艺、场地、景观等因素，新建两渡水湘江大桥主桥采 用与原有湘江大桥主桥跨径布置形式相同的（72+120+72）m变截面连续刚构桥（图1）。图1两渡水湘江大桥主桥立面布置Fig.1 Elevation View of Main Bridge of Liangdushui Xiangjiang River Bridge2主桥总体布置主桥主梁墩顶0号块采用全混凝土结构，跨内 梁段采用波形腹板钢槽组合结构，钢主梁与混凝土 0号块结合部位设置承压式钢-混结合段。主梁采 用单箱双室变截面,梁高按2次抛物线变化，主墩支 点梁高6.5 m,边墩支点及跨中梁高3.0 m。主梁 混凝土顶板宽20.25 m、厚28 c m,双箱室钢底板总 宽14.0 m,顶板设2%单向横坡。主梁对称悬臂施 工，合龙前节段划分为12.8 m（0号块）+8 X 6.4 m,边、中跨合龙段长度均为4.8 m。主桥7号、8号主墩采用纵向双肢等截面实体 薄壁墩，双肢间净距3.4 m,单肢截面尺寸为14.2 m（横桥向）X1.8 m（顺桥向），主墩承台厚3.5 m,基 础采用纵向2排、横向4排布置的直径2.2 m钻孔 灌注桩群桩基础。6号边墩采用横向双肢实体薄壁 墩，单肢截面尺寸为5 m（横桥向）X2.4 m（顺桥 向），承台厚3 m,基础采用纵向2排、横向4排布置 的直径1.8 m钻孔灌注桩群桩基础。9号桥台采用 扩大基础U型桥台。3设计关键技术两渡水湘江大桥主桥是国内首座采用波形腹板 钢槽组合梁的大跨连续刚构桥,结合该桥特点，针对 主梁选型、墩顶负弯矩区受力及双重组合结构、混凝 土桥面板和钢主梁之间的剪力连接件、钢-混结合段 的构造及性能、合理的横隔板形式及间距等设计关 键技术进行研究。3.1主梁选型由于该桥采用单侧拼宽形式，单幅桥宽20.25 ni,若采用混凝土主梁，箱室宽度大，梁段相 对较重，导致施工难度大，且施工周期较长,对交通 干扰大，另外宽幅、大跨刚构桥存在腹板开裂及下挠 等一系列较为严重的风险炉旳，因此势必要选用一种 轻型大跨主梁结构。根据该桥桥跨布置和施工条 件,可供选择的轻型主梁结构有钢-混组合箱梁和钢 箱梁。钢箱梁自重轻，施工速度快，但建设及养护费 用均较高，且存在钢桥面板疲劳开裂及铺装耐久性 差的通病。对于钢-混组合箱梁，100 m左右跨径较 为常用的是波形钢腹板组合箱梁。相比常规的预应 贵州两渡水湘江大桥主桥设计关键技术 刘新华，王钺钺，张 维，李 秋11力混凝土箱梁，波形钢腹板组合箱梁用更为轻巧的 波形钢腹板取代混凝土腹板，可减轻上部结构自重 15%20%,但对于该桥宽幅箱梁，钢腹板的减重有 限,梁段自重大的问题依然存在，考虑箱室横向受力 合理性*切，箱梁需采用双室三腹板结构，更是大幅 增加了钢腹板与混凝土底板连接构造的复杂性，且 易导致混凝土底板浇筑不密实、施工质量差等问题。为进一步降低梁体的自重，并提高结构的可靠 性,该桥在普通波形钢腹板组合箱梁的基础上，创新 地采用钢底板替代混凝土底板，形成一种新型波形 腹板钢槽组合梁（图2）,充分发挥钢结构自重轻、钢 底板抗拉、波形钢腹板抗剪的材料优势，可有效解决 宽幅大跨连续刚构桥梁段重、施工周期长、腹板易开 裂及跨中下挠等问题。图2波形腹板钢槽组合梁Fig.2 Steel Tub Girder and Concrete Slab Composite Superstructure with Corrugated Steel Webs波形腹板钢槽组合梁的钢主梁设计为槽形断 面，主要由上翼缘板、腹板、底板、横隔板以及横肋板 组成。其中，上翼缘板采用20 mm厚的平钢板，单 个总宽600 mm；腹板采用波形钢腹板，根据受剪作 用不同，共采用12 mm和18 mm两种板厚;底板采 用密布纵肋的钢板，根据受力不同，厚度分为20,24,32 mm三种。钢梁节段横隔板采用实腹式横隔 板和桁架空腹式横撑两种形式（图3）。实腹式横隔 板纵向间距12.8 m,板厚20 mm,横隔板上设置横、竖向加劲肋;实腹式横隔板设置横向通长的翼缘板 与钢梁上翼缘板相连，翼缘板上布置剪力钉与混凝 土板相连。每2道实腹式横隔板间设置2道桁架空 腹式横撑,横撑纵向间距3.2m。混凝土桥面板纵 向按全预应力构件设计，采用体内预应力与体外预 应力相结合的设置方式。体内预应力采用钢绞线、群锚体系;体外预应力采用钢绞线成品索，于箱室内 平行顶板布设。2。如卅？.E 十 I 4E 十：淑疋I桥丙枢讷谄讪辺孔（愎削舍槪嵌if段）（b）楠架空眼式抽搏劭杯匸cn图3波形腹板钢槽组合梁标准横断面Fig.3 Typical Cross-Section of Steel Tub Girder and Concrete Slab Composite Superstructure with Corrugated Steel Webs3.2负弯矩区双重组合结构组合梁对称悬臂施工过程中，随着悬臂节段的 增加，墩顶处主梁的负弯矩不断增大。成桥之后，组 合梁根部附近存在较大负弯矩区域，导致此处钢底 板的压应力过大。另外，由于钢-混组合截面换算形 心接近混凝土桥面板，沿桥面板施加的预应力效应 使得钢底板近似轴心受压，进一步加大了钢底板压 应力。为满足负弯矩区受压钢底板的强度和局部稳 定要求，一般该区域需采用超厚、高强钢板,从而造 成材料的浪费，经济性较差。为解决这一问题，该桥 在负弯矩区组合梁钢底板上设置混凝土层形成双重 组合结构（图4）,通过钢底板与混凝土层的组合受 力，可充分发挥混凝土材料的抗压性能,进而改善负 弯矩区钢底板的抗压能力，避免了厚钢板现场焊接 困难的问题，并大幅减少了钢材用量。根据总体计 算结果，在墩顶0号块两侧下翼缘压应力较大的1 号、2号悬臂节段箱梁钢底板上浇筑35 c m等厚度 的钢筋混凝土板，通过竖向剪力钉与钢底板形成组 合结构联合受力。为准确了解组合底板中钢底板与混凝土板各自 的受力状态，采用有限元软件建立负弯矩区双重组 合结构局部分析模型（图5）进行受力分析。12桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)图4负弯矩区双重组合结构立面Fig.4 Elevation View of Double-Composite Structure in Negative Bending Moment Zone图5负弯矩区双重组合结构局部分析模型Fig.5 Local Analysis Model of Double-Composite Structure in Negative Bending Moment Zone分析结果表明：钢底板组合混凝土板能有效传 递箱梁根部压应力，受力分布较均匀;组合底板刚度 大，变形较小；同等应力水平下，组合混凝土板的钢 底板较不组合混凝土板时板厚可减少约70%,且根 部负弯矩无明显提高，较好地实现了双重组合受力。由此可知，通过将负弯矩区主梁设置为双重组 合结构，可以有效改善大跨组合梁悬臂根部区域的 结构受力，主要有以下优势：充分发挥混凝土材 料抗压性能，合理减少受压钢底板的厚度及材料用 量，节约工程造价;避免设置过多、过密的加劲肋 来满足钢底板受压的局部稳定受力要求，简化了结 构构造;钢-混结合部位的刚度过渡较好,使得轴 力和弯矩传递更加顺畅。3.3剪力连接件剪力连接件直接连接钢与混凝土两种材料，是 保证钢与混凝土组合共同工作的关键部件，不仅要 承担连接界面间的纵向剪力作用，还要起到防止混 凝土桥面板与钢主梁之间产生竖向分离（即抗掀起）的作用。为充分发挥组合梁两种材料的组合作用，使得组合梁弯曲受力更接近平截面假定，结构实际 受力更好地与理论计算吻合，该桥采用刚性剪力连 接件的设计思路。综合考虑混凝土桥面板和钢主梁间剪力大小、施工便利性及经济性，波形钢腹板与混凝土桥面板 间采用双PBL键（开孔钢板）的连接方式。开孔钢 板横向间距32 c m,开孔宜径65 mm、纵向间距 16 c m,上翼缘板及开孔钢板厚度均为20 mm,贯穿 钢筋采用025 mm的HRB400钢筋（图6）。图6波珈钢腹板与桥面板连接示意Fig.6 Connection of Corrugated Steel Web and Concrete Slab采用有限元软件MIDAS进行全桥整体计算，可求得各个截面混凝土桥面板和钢主梁间的设计剪 力值。计算结果表明：混凝土桥面板和钢主梁间的 水平剪力最大设计值出现在悬臂根部截面处，为 2 727 kN/m,双PBL键混凝土剪力销抗剪承载力 为4 630.95 kN/m、抗劈裂承载力为2 973.75 kN/m,开孔钢板孔间抗剪承载力为3 750 kN/m,剪力连接 件水平抗剪承载力满足要求；混凝土桥面板和钢主 梁间的水平剪力设计标准值为2 235 kN/m,双PBL 键混凝土剪力销的抗滑移水平剪力限值为 2 410 kN/m,剪力连接件抗滑移满足要求。桥面板横向计算结果表明：剪力连接件最大角 隅弯矩设计值为296.8 kN m/m,双PBL键可以 承受的横向弯矩限值为951.6 kN m/m,故双PBL 键设计可以有效防止横向角隅弯矩导致的混凝土桥 面板竖向掀起。3.4钢-混结合段考虑箱梁根部截面较髙且与主墩固结的需要，箱梁0号块采用全混凝土结构。因此，跨内钢主梁 需与混凝土段结合。钢主梁与0号块结合位置的选 择须考虑受力和施工便利性卩旳，尽量选择不会产生 正、负应力变化和竖向位移变动较大的位置。综合考虑梁段内力分布及悬臂施工挂篮布设空 贵州两渡水湘江大桥主桥设计关键技术 刘新华，王钺钺，张 维，李 秋13间，钢-混结合面设置在主跨距主墩中心线5.5 m处（图7）。结合段的钢主梁深入混凝土 0号块内，钢 底板及加劲肋深入混凝土 0号块内2.0 m,波形钢 腹板深入混凝土 0号块内0.75 mo伸入钢板均开 横向钢筋贯穿孔,保证与混凝土的结合及共同受力。图7钢-混结合段立面布置Fig.7 Elevation View of Steel-Concrete Joint Section钢-混接头处钢主梁端部设置厚32 mm承压 板，钢-混结合面钢主梁侧底板纵向加劲肋适当加 高。为保证钢-混接头处于有效连接和钢-混结合面 处于均匀的受压状态，沿主梁腹板均匀布置纵向预 应力钢绞线，预应力钢绞线在钢梁一侧锚固在钢承 压板上。钢主梁底板的加劲肋保证混凝土梁与钢主 梁间刚度的顺利过渡。采用有限元软件对钢-混结合段进行细部分析,结果表明：标准值组合作用下，波形钢腹板应力为 50100 MPa；承压板最大应力64.8 MPa,PBL连接 板最大应力73.5 MPa；混凝土梁大部分区域均为压 应力，最大压应力20.2 MPa,在波形钢腹板插入区域 附近以及混凝土横隔板附近出现较小拉应力,最大拉 应力不超过2 MPa。由此可知,钢-混结合段各构件 应力均满足设计要求，且应力分布较均匀，传递较顺 畅，较好地实现了两种材料及结构间的平顺过渡。3.5横隔板形式及布置该桥主梁为薄壁箱形结构，一方面由于箱室较 宽，且腹板间距大,横向荷载下容易发生畸变；另一 方面由于组合截面抗扭刚度小，结构整体抗扭转性 能较差。因此,合理的横隔板构造和布置对防止横 向畸变、提高结构整体抗扭刚度起至关重要的作用。为减轻结构自重,横隔板采用钢构件。实腹式 横隔板抗扭转变形和抗畸变性好，但设置过多会导 致用钢量显著增加而不经济。文献口0针对宽幅单 箱双室波形钢腹板连续刚构的合理横隔板间距进行 研究并给出经验公式，根据该公式可计算得该桥横 隔板最大间距为13.7 m。考虑该桥为钢底板，结合 波形钢腹板节段划分长度，最终确定实腹式横隔板 间距采用12.8 m。为避免节段运输及安装过程中槽 形钢主梁发生较大变形和失稳,在实腹式横隔板之间 设置V形桁架空腹式横撑,横撑纵向间距3.2 m,为 便于施工，斜杆采用双角钢组合的T形断面。为准确得到组合箱梁的空间受力情况一迪，采 用有限元软件建立全桥三维有限元模型（图8）。其 中混凝土桥面板采用实体单元模拟，波形钢腹板、钢 底板及加劲肋、实腹式横隔板等采用板壳单元模拟，桁架式横撑和墩身采用梁单元模拟（图9）。计算荷 载采用车辆荷载按最不利偏载布置。图8全桥三维有限元模型Fig.8 Three-Dimensional Finite Element Model of Full Bri唇图9箱内横隔板局部有限元模型Fig.9 Local Finite Element Model of Diaphragms inside Steel Tub Girder计算结果表明:标准值组合下，实腹式横隔板的 最大应力为29.6 MPa,桁架式横撑的最大应力为 20.1 MPa,横隔板的应力水平较低;最不利偏载下，箱 室无明显畸变发生，约束扭转和畸变产生的翘曲正应 力及剪应力均较小，其中偏心活载产生的翘曲正应力 为弯曲正应力的6.7%,结构抗畸变和扭转性能好。14桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)4结语两渡水湘江大桥主桥创新地采用波形腹板钢槽 组合梁大跨连续刚构，结构新颖，造价经济且施工便 捷。在负弯矩区采用顶、底板双重组合构造，极大地 解决了钢底板受力大、抗压稳定性差的问题,简化了 结构构造,节约了造价;混凝土桥面板和钢主梁之间 采用双PBL键连接，抗剪承载力强，能有效防止桥 面板竖向掀起;联合采用PBL键和预应力的承压式 钢-混结合段，较好地实现了 2种材料及结构间的平 顺过渡;将实腹式和桁架式2种横隔板形式相结合，不仅提高了结构的抗畸变和抗扭转能力，而且有效 节约了结构用钢量。该桥2021年6月建成通车，目 前运营状况良好。参考文献(References):1 中交第二公路勘察设计研究院有限公司.两渡水湘江 大桥施工图设计Z.武汉,2017.(CCCC Sec o nd Hig h way 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