狮子洋通道钢-混组合梁桥结构选型研究.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)76文章编号：1003-4722(2023)Sl-0076-08 DOI：10.20051/j.issn.1003-4722.2023.SI.Oil狮子洋通道钢混组合梁桥结构选型研究欧阳泽卉，师少辉，朱玉(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430056)摘 要：狮子洋通道全长约35 km,为高速公路+城市道路双层复合过江通道，过江段采用双 层桥梁方案(上层为高速公路，下层为市政道路)，多处主线桥设计采用5080 m跨径桥梁，主梁 采用钢-混组合梁结构。通过对简支和连续体系进行比选，该项目采用结构简支、桥面连续的结构 体系，并配合暗帽梁的设计方案；通过对工字形钢板组合梁、整体式钢箱组合梁、波形钢腹板组合 梁、钢桁腹组合梁、分体式小钢箱组合梁进行比选，选择分体式小钢箱作为该项目钢-混组合梁的钢 主梁形式；通过对结构受力性能、经济性、施工便利性、运输便利性和对变宽路段的适应性等综合分 析比选，钢主梁采用4片主梁方案，该方案有利于设计、制造及施工标准化，结构受力更合理、造价 更经济。从施工场地、设备、工期和安全性等方面分析，该项目施工采用标准化加工钢结构、工厂化 预制混凝土桥面板，在桥位上通过湿接缝和集束式剪力钉形成组合结构的方案。关键词：钢-混组合梁桥；结构选型；简支体系；分体式小钢箱组合梁；有限元法；桥梁设计 中图分类号：U44&216；U442.5 文献标志码：AStructural System Selection for Steel-Concrete Composite Girder Bridges of Shiziyang LinkOUYANG Ze-hui,SHI Shao-hui,ZHU Yu(CCCC Sec o nd Hig h way Co nsul t ant s Co.,Lt d.,Wuh an 430056,Ch ina)Abstract:Th e Sh iziy ang Link,t o t al ing 35 km,is a do ubl e-dec k river c ro ssing t h at ac c o mmo dat es h ig h way s and urban ro adway s.Of wh ic h,t h e sec t io n o ver t h e p earl river c o nsist s o f do ubl e-dec k bridg es wh ere t h e up p er dec ks c arry h ig h way s and t h e l o wer dec ks bear urban ro adway s Mul t ip l e main l ine bridg es c o nt ain sp ans o f 50 t o 80 m l o ng,fit t ed wit h st eel-c o nc ret e c o mp o sit e main g irders.Th e simp l y-sup p o rt ed and c o nt inuo us t y p es o f bridg es were c o mp ared,and a simp l y-sup p o rt ed st ruc t ure wit h c o nt inuo us dec k sy st em,feat uring h idden c ap beams,was final l y sel ec t ed.Five c o mp o sit e g irder t y p es were c o mp ared,inc l uding t h e c o mp o sit e g irder wit h I st eel p l at es and c o nc ret e sl abs,t h e c o mp o sit e g irder wit h int eg ral st eel bo x g irders and c o nc ret e sl abs,t h e c o mp o sit e g irder wit h c o rrug at ed st eel webs,t h e c o mp o sit e g irder wit h st eel t russ webs and t h e c o mp o sit e g irder wit h sp l it smal l bo x g irders and c o nc ret e sl abs,and t h e c o mp o sit e g irder wit h sp l it smal l bo x g irders and c o nc ret e sl abs was final l y c h o sen.To make a bet t er bal anc e bet ween vario us fac t o rs,inc l uding t h e l o ad bearing p erfo rmanc e o f t h e st ruc t ure,ec o no my,ease-o f-c o nst ruc t io n,t ransp o rt at io n ac c ess and adap t at io n t o widt h-vary ing sec t io ns,it was det ermined t o ado p t fo ur smal l st eel bo x g irders al o ng bridg e widt h,wh ic h wo ul d fac il it at e t h e st andardized desig n,manufac t ure,and c o nst ruc t io n,al l o w t h e l o ad bearing p erfo rmanc e o f t h e bridg e t o be mo re rat io nal and g reat l y reduc e t h e eng ineering c o st s.Co nsidering t h e c o nst ruc t io n sp ac e,收稿日期收稿日期=2022-08-01基金项目：中交集团重大科技研发项目(2021-ZJKJ-08)Key Pro j ec t o f Sc ienc e and Tec h no l o g y Researc h and Devel o p ment Pro g ram o f CCCC(2021-ZJKJ-08)作者简介：欧阳泽卉，高级工程师,E-mail:504320608q q.c o mo研究方向：桥梁结构设计。狮子洋通道钢-混组合梁桥结构选型研究 欧阳泽卉,师少辉，朱玉77fac il it ies avail abl e,c o nst ruc t io n sc h edul e and safet y,t h e st eel c o mp o nent s were manufac t ured wit h st ip ul at ed st andards,c o nc ret e sl abs were p refabric at ed in t h e fac t o ry,and t h e st eel g irders and t h e c o nc ret e sl abs were assembl ed t o be c o mp o sit e g irders via c ast-in-sit u st it c h es,c o nc ent rat ed p rest ressing t endo ns and sh ear st uds.Key words:st eel-c o nc ret e c o mp o sit e g irder；st ruc t ural sy st em sel ec t io n；simp l y-sup p o rt ed sy st em；c o mp o sit e g irder wit h sp l it smal l bo x g irders and c o nc ret e sl abs；finit e el ement met h o d；bridg e desig n1概述狮子洋通道项目位于粤港澳大湾区，起于广州市 南沙区大岗镇（西接广中江新高速），终于东莞市虎门 镇（东接广深高速公路儿全长约35 km,为高速公路+城市道路双层复合过江通道。过江段采用双层桥梁 方案（图1），其中上层为高速公路,全线采用双向8车 道高速公路技术标准，设计速度100 km/h,桥面总宽 41.5 m；下层为市政道路，采用双向6车道一级公路 兼城市主干道技术标准，设计速度60 km/h。图1双层桥梁方案 Fig.1 Double-Deck Bridge Option狮子洋通道项目区域高度城镇化,与现有高速公 路、地方道路、地铁、高压线、地下管道及河流等交叉 较多,多处主线桥设计采用50-80 m跨径。适合此 跨径的主梁形式主要有现浇预应力混凝土箱梁、钢箱 梁、钢-混组合梁其中，现浇预应力混凝土箱梁造 价相对较低,但该项目桥位处农田和水塘较多，现浇 施工时地基处理工程量巨大，费用高且安全风险高；钢箱梁顶板为正交异性钢桥面板，在汽车荷载反复作 用下,存在疲劳开裂、铺装层破坏的风险，其耐久性较 差，经济性也相对较差;钢-混组合梁受力性能好、跨越能力强，不存在桥面系疲劳破坏的风险、耐久性 较好，自重较轻、施工方便。因此，该项目5080 m 跨径主线桥主梁采用钢-混组合梁。狮子洋通道项目钢-混组合梁桥长约5 km,工 程规模较大，其结构型式对结构安全、工程造价、施 工进度及运营期间的养护等影响较大，在考虑标准 化设计及工业化建造的基础上,进行钢-混组合梁桥 的结构选型研究。2结构选型研究2.1结构体系为选择合适的结构体系，对简支体系和连续体 系的钢-混组合梁桥分析可知：简支体系钢-混组合 梁桥具有自重轻、承载力高、构造简单、施工便捷等 优点，是中、小跨径公路桥梁和城市桥梁中应用最广 泛的组合结构桥梁形式。在恒载及活载作用下，简支体系钢-混组合梁桥的各截面以承受正弯矩为 主，钢主梁受拉、混凝土桥面板受压，可充分利用钢 和混凝土 2种材料的力学特点。连续体系的钢-混 组合梁桥在负弯矩区混凝土桥面板受拉卩力，钢结构 部分受压,受力相对复杂，需采取措施（如在跨中压 重、支座顶升及张拉预应力等凶）以解决上述问题。该项目钢-混组合梁桥为双层桥梁结构。为压 缩净空、减小上层桥梁规模，同时提高景观性，盖梁 采用暗帽梁采用暗帽梁设计，在不提高墩柱高 度的情况下，增加了桥下空间、提高了行车视野，使 得上层梁底平顺美观，降低了大尺寸盖梁对下层交 通驾驶员带来的压迫感。为适应暗帽梁结构，同时 为解决连续体系钢-混组合梁桥的相关问题，该项目 钢-混组合梁桥上部结构最终采用结构简支、桥面连 续的结构体系（图2）。2.2钢主梁形式钢-混组合梁主要由钢主梁和混凝土桥面板组预制桥;面板 现浇桥尹连续段 预制圳面板z 钢-混组合梁 隔离层钢-混组合梁/支座 支座昭嵋梁图2结构简支、桥面连续体系示意Fig.2 Schematic of a Simply-Supported Bridge Structure with Continuous Deck System 78桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)成,为了选择合适的钢主梁形式，对工字形钢板组合 梁、整体式钢箱组合梁、波形钢腹板组合梁、钢桁腹 组合梁、分体式小钢箱组合梁讷方案进行比选。(1)工字形钢板组合梁构件的截面尺寸较小、施工便利、架设方便、经济性好;横向多片主梁的结 构形式能较好地适应曲线段及变宽段边。但是施 工过程中钢梁侧向稳定性略差，施工过程中需采取 辅助设施，横向连接较多。因此，工字形钢板组合梁 方案不适用该项目。(2)整体式钢箱组合梁、波形钢腹板组合 梁识-辺及钢桁腹组合梁讣一珂均为整体式断面组合 梁,其抗扭刚度大、稳定性好、受力均匀、养护便利，在中、大跨径桥梁的运用上具有一定的优势。但是 构件尺寸较大、经济性较差、加工相对复杂、对施工 设备和施工场地的要求高。该项目城镇化程度高，市区用地紧张，施工场地受限。因此,整体式断面组 合梁的钢主梁方案不适用该项目。(3)分体式小钢箱组合梁截面尺寸较小、刚度 比工字形钢板组合梁大、稳定性较好、施工和架设均 比较方便;横向多片主梁的结构形式能较好地适应 曲线段及变宽段。但是跨径比较小时，组合梁梁高 较矮、内部空间较小，维修通道较窄，存在后期养护 不便、维修较困难的问题。在经济性上，工字形钢板 组合梁优于分体式小钢箱组合梁。考虑到该项目 30 m及40 m标准跨径桥梁采用预制预应力混凝土 小箱梁，分体式小钢箱组合梁的截面形式更加契合 全线的风格，景观性更好;在施工过程中分体式小钢 箱组合梁的稳定性及安全性优于工字形钢板组合 梁;在50-80 m跨径范围内，分体式小钢箱钢-混组 合梁的跨越能力更优，此时主梁梁高足够髙，内部空 间能够满足后期运营期间养护和维修工作，因此，选 择分体式小钢箱作为该项目钢-混组合梁的钢主梁 形式。分体式小钢箱组合梁见图3。2.3主梁片数该项目上层桥面为双向8车道(单幅桥面宽20.25 m),为选择钢-混组合梁合理的主梁片数，针图3分体式小钢箱组合梁Fig.3 Composite Girder of Split Small Box Girders andConcrete Slabs对50 m跨径的钢-混组合梁提出16片主梁共6种 方案，从力学性能、经济性和施工便利性等方面进行 比选。经分析可知:单主梁方案的结构整体性好、刚 度大、抗扭性能好，但是对于变宽、变坡路段的适应性 较差,不利于设计标准化;单主梁钢结构的尺寸较大、重量较重，架设不方便，不利于施工标准化。双主梁 方案桥面板横向跨度接近6 m,需设置横向预应力，构造较复杂,构件尺寸及重量较大，同样不利于设计 及施工标准化。故仅对36片主梁方案进行比选研 究,4种方案结构设计参数见表1。2.3.1受力性能分析采用MIDAS软件，利用梁格法建立36片主 梁方案有限元模型(图4),钢-混组合梁均采用梁单 元模拟。模型中考虑恒载、汽车活载、整体温度、温 度梯度、不均匀沉降及风荷载等。其施工过程按照 实际模拟，先分片吊装钢主梁，然后安装钢主梁间的 横向联结系，形成整体;再分块吊装预制混凝土桥面 板,之后现浇集束式剪力钉槽口，顺、横桥向湿接缝，最后施工沥青铺装层和护栏。整体静力计算结果的最不利作用组合为：恒 载+汽车活载+整体温度+温度梯度+支座不均匀 沉降+风荷载。其中，钢结构应力结果取作用基本表1 4种方案结构设计参数Tab.1 Structural Design Parameters of Four Options主梁片数方案梁高/mm梁底宽/mm梁间距/mm板厚/mm顶板腹板底板混凝土桥面板3片主梁2 5003 0007 02520 4816.2020 302504片主梁2 5002 2505 15020 3616.2020 302505片主梁2 5001 8004 05020 3016.2020 302506片主梁2 5001 5003 37020 2416.2020 30250狮子洋通道钢-混组合梁桥结构选型研究 欧阳泽卉,师少辉，朱玉79(日)日片主擢方累(b)-1片圭槃方峯M 5片主集方塞(刃&片主架方案图4有限元模型Fig.4 Finite Element Model组合，混凝土桥面板应力及支反力结果取作用标准 组合。计算得到4种方案的结构受力、钢主梁应力 和组合梁竖向位移,结果分别见表2、图5和图6。表2 4种方案结构受力Tab.2 Load Bearing Performance of Four Options主梁片数 方案钢主梁 最大应力/MPa混凝土桥面板 最大应力/MPa支反力/kN上翼缘板底板上缘下缘3片主梁-217.9214.4-7.48-2.763 842.74片主梁-221.0211.1-7.95-3.223 21&65片主梁-215.5215.5-7.94-3.202 772.86片主梁-21&921&1-&01-3.352 461.1注:应力以拉为正，压为负。由表2、图5和图6可知：(1)基本组合下，4种方案的钢主梁应力水平 接近,差值在10 MPa以内，且均小于规范中Q355 钢270 MPa的设计强度；4片主梁方案的上翼缘板 压应力最大,5片主梁方案的上翼缘板压应力最小；6片主梁方案的底板拉应力最大,4片主梁方案的底 板拉应力最小。(2)标准组合下，4种方案的混凝土桥面板应 力水平接近，差别较小，且均满足规范中C55混凝 土 17.75 MPa压应力限值的要求;标准组合下，6片 主梁方案的支反力最小,可采用较小规格支座,3片 主梁方案的支反力最大，需采用较大规格的支座。(3)活载作用下，随主梁片数减少，其竖向位移 增加,且均满足规范L/500CL为跨径)限值的要求。2.3.2经济性分析4种方案用钢量对比见表3。由表3可知：用钢 量随着主梁片数的增加而增加,经济性变差;3片主 梁方案的钢材用量最少，钢结构重275.6 t；6片主 梁方案的钢材用量最多，钢结构重365.9 t,较3片 主梁方案用钢量增加32.8%。(al 3片丄第方案ivl.i l：kJ.：iS.ilfl；b)4片上毅方穽5片主聲方案各片主琳方集 車位：耐图5 4种方案钢主梁应力Fig.5 Stresses in Steel Girders of Four Options80桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)（H）3片主集方秦0I-1.L-KLJ-Hj.：t-J2.I14.I（b）4片主黑方案-l卜:21?.6-L：2,7（c）吕片主梁方葉E丄I韻S8T J5I|弱I-弓 1一忠1i7s in：il）6片主擊方案图6活载作用下4种方案的组合梁竖向位移Fig.6 Composite Girder Vertical Displacements of Four Options under Live Loads表3 4种方案用钢量对比Tab.3 Steel Consumption of Four Options主梁片数方案钢结构重量/t用钢量增量/%3片主梁275.64片主梁313.713.85片主梁341.023.76片主梁365.932.82.3.3施工便利性分析4种方案施工吊装参数对比见表4。由表4可 知：3片主梁方案单个构件吊装重量最大，单片钢梁 重91.9 t、单片混凝土预制桥面板重11.9 t；6片主 梁方案单个构件吊装重量最小，单片钢梁重61.0 t、单片混凝土预制桥面板重5.9 t。主梁片数越少，则 吊重越重，施工所需的设备要求更大，但同时也减少 了吊装次数和混凝土桥面板的现浇湿接缝面积，缩 短了施工周期。钢主梁 混凝土桥面板表4 4种方案施工吊装参数对比Tab.4 Comparison of Installation Parameters of Four Options王采斤釵 方案单片吊装重量/t单幅桥吊装 片数/片单片吊装重量/t单幅桥吊装 片数/片3片主梁91.9311.9424片主梁7&44&9565片主梁6&257.1706片主梁61.065.9842.3.4钢构件运输便利性分析4种方案钢主梁尺寸对比见表5。由表5可知：当加工好的钢主梁节段从钢结构加工厂运送到施工 场地时，除6片主梁方案外，其余方案钢主梁宽度均 大于2.55 m（交通部2016年发布的超限运输车辆 行驶公路管理规定规定车货总宽度超过2.55 m 属于超限运输）。根据该规定的要求,3片主梁方案 的钢主梁宽度超过3.75 m,申请公路超限运输许可 时还应提交记录载货时车货总体外廓尺寸信息的轮 廓图和护送方案。表5 4种方案钢主梁尺寸对比Tab.5 Comparison of Steel Girder Dimensions ofFour Options主梁片数方案钢主梁尺寸净高/m净宽/m3片主梁2.254.204片主梁2.253.305片主梁2.252.736片主梁2.252.392.3.5对变宽路段的适应性分析主梁断面的布置除了要适应主线的常规宽度 外,还应适应互通区加宽路段的布置。狮子洋通道 项目全线28 km（不含过江段）路段范围内设置了 11处互通，平均间隔为2.5 km左右,有较大范围的 互通路段处于变宽范围内（图7）,需要加宽1或2 个车道，宽度约为7 ni以内，这要求钢主梁对变宽 路段具有良好的适应性。6片主梁方案与预制预应力混凝土小箱梁断面 相对应,主梁宽度及主梁间距小，对变宽路段的适应 性较好。3片主梁方案的主梁间距较大，通过拉伸 主梁间距来加大桥宽，则增加了桥面板的横向跨度，需采用横向预应力,且此时主梁宽度较大，增加主梁狮子洋通道钢-混组合梁桥结构选型研究 欧阳泽卉,师少辉，朱玉81图7典型互通变宽路段Fig.7 Typical Width-Varying Sections of Interchange片数使得桥面宽度变化的级差较大，对变宽路段的 适应性较差。2.3.6比选结果由以上对比分析可知：4种方案在受力性能方 面接近，但是少主梁方案的经济性能更优，多主梁方 案的施工性能更优。综合考虑运输的便利性和对变 宽路段的适应性，满足设计标准化、制造标准化和施 工标准化的目标，50 m跨径的钢-混组合梁推荐采 用4片主梁方案（图8）。其余跨径简支钢-混组合梁 具有相近的受力性能，可类比采用。2 dai),5 ISfiF 剧.F LSD.2 1WI20 2F(Ill：nn图8 4片主梁横断面Fig.8 Cross-Section of Main Girder of Four Split Small Box Girders2.4施工方案为实现制造标准化和施工标准化的目标,以狮子 洋通道项目上层跨径50 m、单幅桥面宽20.25 m的 组合结构梁桥为例，对3种施工方案进行分析：（1）单片主梁的桥面板与钢梁形成整体后吊装 方案。该方案将每片主梁的钢结构与混凝土桥面板 在桥位附近组合成整体后，分成4次吊装。单次吊 重约235 t,对施工场地及施工设备的要求高，施工 实施难度较大。（2）单独吊装钢梁后整体现浇桥面板方案。该方 案首先架设钢梁，然后搭设满堂支架，在桥上整体现浇 混凝土桥面板形成组合结构，施工相对简单。但是对 于跨公路、铁路、河流等情况以及高墩区的桥跨，搭设 支架较难实施。且狮子洋通道项目大范围桥位处为农 田和水塘,双层桥满堂支架现浇施工方案地基处理的 工程量巨大,费用高且安全风险高，施工工期较长。（3）先单独吊装钢梁、预制混凝土桥面板，后湿 接缝连接的方案。该方案首先架设钢梁（每片重约 86.9 t）,然后将桥面板分成56块预制板分次吊装（其中最大吊重约&4 t）o桥面板吊装就位后，通过 纵、横向湿接缝以及集束式剪力钉（图9）将混凝土 桥面板与钢梁形成组合结构。该方案减少了现场作 业量,工厂化程度高，预制桥面板的质量有保证，节 约了工期;对施工场地和设备的要求不高，有利于标 准化施工。推荐该项目采用标准化加工钢结构、工 厂化预制混凝土桥面板，在桥位上通过湿接缝和集 束式剪力钉形成组合结构的方案施工。该项目为双层桥梁结构，部分路段上层桥位较 高。因此，对于60 m及以下跨径的钢-混组合梁桥，图9接缝及槽口示意Fig.9 Schematic of Joints and Notches82桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)采用架桥机架设钢梁，分块吊装预制混凝土桥面板，最后湿接缝连接。对于大于60 m跨径的钢-混组合 梁桥，结合桥位处的实际情况，首选搭设钢管桩支 架，将每片钢主梁分成两段后吊装，现场连接成整 体，其次也可考虑顶推法施工训.3结语狮子洋通道项目为高速公路+城市道路双层复 合过江通道,2022年底开工建设，预计2027年建 成。该项目5080 m跨径钢-混组合梁桥采用结构 简支、桥面连续的结构体系，其构造简单，受力明确，能够避免连续体系中组合梁存在负弯矩区的问题，也更加适用于双层桥梁结构。该项目上层为双向8 车道高速公路，选择4片主梁的分体式小钢箱组合 梁更有利于设计、制造及施工标准化，结构受力更合 理、施工安全更有保证、全寿命周期的造价更经济。参考文献(References):李志栋.简支钢混组合梁在京秦高速公路桥梁上的应 用口.公路，2021,66(3):145-147.(LI Zh i-do ng.Ap p l ic at io n o f Simp l y Sup p o rt ed St eel-Co nc ret e Co mp o sit e Girder in Bridg es o f Beij ing-Qinh uang dao Ex p ressway.Hig h way,2021,66(3):145-147.in Ch inese)2 陈斌，邵旭东，曹君辉.正交异性钢桥面疲劳开裂 研究口.工程力学，2012,29(12)：170-174.(CHEN Bin,SHAO Xu-do ng,CAO Jun-h ui.St udy o f Fat ig ue Crac king fo r Ort h o t ro p ic St eel Bridg e Dec k J.Eng 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