某钢-混凝土结合连续刚构桥设计.pdf

第 5 8卷第 5期 2 0 1 4年 5月 铁 道标 准设 计 RAI LWAY S TANDARD DES I GN V0 1 58 No 5 M a v 2 01 4 文章编号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 6 5 0 4 某钢一 混凝土结合连续刚构桥设计 吕凤 国 ( 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 ： 以某钢一 混凝 土结合连 续刚构桥 为例 ， 从桥 式布置、 材料选择 、 结构设计、 施 工方 法等几个方 面进 行介绍 ， 并 对关键 构造和技 术措施 简要叙述 。结论 ： 上部结构采用大跨度结合梁 ， 下部结构 采用矩形墩 ， 墩 高跨 度结构尺 寸比 较协调 ， 线形流畅 ， 造型轻盈 ， 整体视 觉效果好 ； 结合 梁与混凝 土粱相 比， 其 结构 自重有较 大减轻 ， 便 于桥墩 基础 满 足 受力要 求 ； 采用大节段工厂制造 ， 现场 吊装 的施 工方法， 大大缩短 了桥梁的施工周期 ， 同时避免 了对 既有铁路 、 城 市道路 的干扰 。 保证其运营安全。 关键词 ： 钢一 混凝土结合 梁；连续刚构 ；设计 中图分类号 ： U 4 4 8 2 1 6 文献标识码 ： A D OI ： 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 5 0 1 5 De s i g n o f a Co nt i n uo u s Ri g i d Fr a m e Br i d g e wi t h St e e l - Co n c r e t e Co mpo s i t e Gi r d e r L V Fe n g g u o ( C h i n a R a i l w a y F i ft h S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e G r o u p C o ， L t d ，B e i j i n g 1 0 2 6 0 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Th i s p a p e r t o o k a c e r t a i n c o n t i n uo u s r i g i d f r a me b r i d g e wi t h s t e e l - c o n c r e t e c o mp o s i t e g i r d e r a s a n e x a mp l e，i n t r o du c e d t h e b r i d g e l a y o u t ，ma t e r i a l s e l e c t i o n，s t r u c t ur e d e s i g n，c o n s t ru c t i o n me t h o d a n d o t h e r i s s u e s，a n d b r i e fly d e s c r i be d t he k e y s t ru c t ur a l a n d t e c hn i c a l me a s u r e s T h e n t he pa p e r c a me t o t h e c o n c l u s i o n s ：(a) T h e l o n g - s p a n c o mp o s i t e g i r d e r wa s e mp l o y e d f o r t h e s u p e r s t r u c t u r e ， a n d t h e r e c t a n g ul a r p i e r s f o r t h e s u bs t ru c t u r e，S O a s t o ma k e t h e r a t i o o f p r i e r h e i g h t t o g i r de r s p a n h a r mo ni o u s， w i t h a n i n fl u e n t g e o m e t r i c s h a p e ，a g r a c e f u l m o d e l i n g a n d a g o o d o v e r a l l v i s u a l e f f e c t ( b )C o m p a r e d wi t h c o n c r e t e g i r d e r ，t h e c o mp o s i t e g i r d e r wa s mo r e l i g h t we i g h t i n de a d l o a d，a n d h e l p e d t he b r i d g e p i e r f o u n d a t i o n me e t s t r e s s r e q u i r e me n t ( C )B y u s i n g a c o n s t ruc t i o n me t h o d，w h i c h e n a b l e d t h e l a r g e b r i d g e s e g me n t s t o b e ma d e i n f a c t o r y a n d t o b e h o i s t e d o n s i t e， t he c o n s t r uc t i o n t i me wa s c o n s i d e r a b l y s h o r t e n e da n d s i mul t a n e o u s l y t h e a d v e r s e i n fl u e n c e o n t h e e x i s t i n g r a i l wa y s a n d o n t h e u r b a n r o a ds wa s a v o i d e d S O a s t o e n s u r e t he i r o p e r a t i o n s a f e t y Ke y wor ds ：s t e e l - c o n c r e t e c o mp o s i t e g i r de r ；c o n t i n uo u s r i g i d f r a me；d e s i g n 1 工程概 况 本项 目为轨道交通 昌平线高架区间的一个节点桥 梁 ， 昌平高架线以半径为 4 5 0 m曲线 由东 向南依次跨 越北清路 、 规划京兰铁路 、 京包铁路 、 预 留京包铁路复 线 ， 交角分别为 3 2 8 。 、 4 5 7 。 、 4 3 7 。 、 4 3 7 。 。北清路现 况路幅断面形式为 ： 1 5 m( 人行道 ) + 4 0 m( 辅路 ) + 收稿 日期 ： 2 0 1 3一 O 73 0 ；修回 日期： 2 0 1 3 0 92 5 作者简介 ： 吕风 国( 1 9 7 4 一 ) ， 男 ， 高级工 程师 ， 1 9 9 8年毕业 于西 南交通 大学桥梁工 程专业 ， 工学学士 ， E - ma il ： l v f e n g g u o t 5 y c n 。 4 5 m侧分带+ 1 2 m( 行 车道 ) + 8 0 m( 中分带 ) + 1 2 m ( 行车道) + 4 5 m侧分带+ 4 0 m( 辅路) + 1 5 m( 人行 道 ) ， 已按规划实施 ； 京包铁路为既有铁路 ， 单线电气 化， 是连接北京至内蒙古一线的交通要道 ； 京兰铁路为 规划线路 ， 京张城际是京兰铁路的一部分 ， 线路 自北京 北 站 引出 ， 至张 家 口南 站 ， 标 准 双线 电气 化 铁 路 ， 按 时 速 2 5 0 k m及 以上标准设计 ， 采用无砟轨道 ； 京包铁路 复线为远期预留线 ， 走向与既有京包线平行 ， 单线电气 化 。桥位平面布置见图 1 。 6 6 铁道标准设计 第 5 8卷 图 1 桥位 平面布置 ( 单位 ： c m) 2桥式方案选择 观的 姗位于 城市 内 桥梁 的选型要考虑到景 2 1 主要 原则 ( 1 ) 桥梁墩位 的设置避开既有路和规划路 ， 并应 满 足与 铁路 、 道路 的安 全距 离 。 ( 2 ) 主桥 跨越 铁路 、 道 路 ， 部 分 桥式 方 案 应满 足 限 界和净 空要 求 ( 桥 下净 空 ： 公 路 不 小 于 5 m、 铁 路 不 小 于 7 9 6 m) ， 并 为铁路 未来 发展 预 留 良好 的技 术条件 。 ( 3 ) 桥 型结 构和施 工 方法 的选 择应 尽 量 减 少对 桥 下铁路、 道路的干扰 ， 确保跨越铁路 、 公路的安全性 ， 并 兼顾经济性 ， 施工方便 、 快速。 ( 5 ) 结构的抗震设计满足高烈度 区要求 ( 抗震设 防烈度 为 8度 ) 。 2 2 桥式 选择 根 据设 计原 则 ， 结 合 混凝 土和 钢材 的各 自特 点 ， 从 结 构受 力 、 景观 效应 、 施工 方法 、 工 期 、 施 工干 扰等 因素 考虑 ， 采用 了一 联钢 一 混 凝 土 结合 连续 刚 构 桥式 方 案 ， 工厂 预 制 ， 分 段 吊装 施 工 方 法 ， 跨 径 布 置 为 ( 3 7 + 6 0 + 7 9 + 4 2 5 )m。桥梁 立 面布置 见 图 2 。 3主要设 计 要点 图 2桥梁立面布置 ( 单位 ： e m) 3 1 材料 的选 择 混 凝 土 具有 取 材 方 便 、 造 价低 ， 但 自重 大 、 施 工工 期长 、 抗裂 性差 ， 适 宜 用作 抗 压 构 件 ； 钢 结 构 具 有 自重 轻、 加工方便 、 塑性好等优点 ， 但造价高、 耐腐蚀性差 ， 适宜 用作 抗拉 构件 ； 钢 混 组 合 结构 可 以充 分 利 用 两 种 材料特点 ， 施 工方便 、 节约钢 材、 增强 刚度、 提 高承载 力 、 降低 造价 ， 该桥 由于 联 长跨 度 较 大 ， 采 用 组 合 结 构 关键可以降低梁高， 减轻上部结构 自重， 也降低 了水平 方向的地震力 ， 使桥墩 的结构 尺寸减小 ， 整体 景观效 果 好 。 3 2 结构 体 系 该桥结构为钢一 混结合连续刚构体系， 采用该结构 体 系对 于 梁部 而言 ， 可 以减 小跨 中正 弯 矩 和 中墩 处 的 负弯矩 ， 从而降低梁 的高度 ， 有利于运输和架设 ， 对于 桥墩基础 ， 该结构体系的水平力 ( 主要包括主力 、 附加 力、 地震力等 ) 由中间墩共 同分担 承受 ， 与连 续梁相 比 ， 可 以大大减 小制 动墩 的规 模 ， 利 于 中 间墩 轮 廓尺 寸 的统 一 ， 使上下 部结 构 尺 寸 比较 协 调 ， 造 型 轻盈 ， 整 体 视觉 效果 好 。 3 3 上 部 结构 桥梁 上部 结 构 由 钢 箱 梁 和钢 筋 昆凝 土 桥 面 板 组 成 ， 二者通过剪力钉结合在一起整体受力。边支点处 和跨 中梁高 为 2 2 m， 中支点 梁 高 4 m( 其 中 含桥 面高 度为 0 4 m) ， 采用单箱单室直腹板形式。 全 桥钢 箱 梁 分 为 7个 梁段 ， 最 长 梁 段 长 3 5 2 m， 最大吊装重 2 0 2 0 k N， 梁段间除顶板之间采用焊接外 ， 其余均采用高强度螺栓连接。钢箱梁为变截面形式 ， 边跨 及 跨 中处 梁 高 1 8 m， 中支 点 处 逐 渐 变 至 3 6 m ( 2 4号墩 处 为 3 2 m) 。顶 板 宽 5 2 m， 板 厚 采用 2 0 2 83 6 mm 变 化 ， 底 板 宽 4 9 m， 板 厚 采 用 2 83 2 第 5期 吕凤 国一某钢一 混凝土结合连续刚构桥设计 6 7 4 4 mm变 化 。腹 板厚 度采 用 1 62 4 m m变 化 。横 隔板 采用板 式结 构 ， 每隔 3 m设 置 1 个 ， 竖 向加劲 肋位 于 腹 板 内侧 ， 每 隔 1 m 设置 。 混 凝 土 桥 面板 顶 宽 9 4 m， 板 厚 3 8 c m， 钢 筋 混凝 土结构。采用工厂分段预制 ， 现场湿接缝连接的形式 ， 预制桥面板每块尺寸为 9 4 m 2 5 m， 标准预制板之 间设 现 浇混凝 土 接缝 ， 标 准接 缝尺 寸 为 9 4 m 0 5 m。 接缝 处 的 钢 板 上 布 置 4 , 2 2 m m 柔 性 栓 钉 ， 共 同受 力 。 为减 少混 凝 土收缩 徐 变 对 结构 的不 利 影 响 ， 要 求 预 制 板存 放 时间宜 不少 于 4个 月 ， 同时要 求 剪 力 钉 槽 和 湿 接缝处采用 C 5 0微膨胀 混凝 土。主梁标 准横 断面见 图 3 。 I 2 0 0 0 1 2 0 0 5 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 5 0 0 1 2 0 0 2 0 0 0 l l l l l l l l l 一 i 一 一 U L _ l l l l l L_ K - _ 8 _ - _ _ _ 0 0 0 0 I 1 0 0 l l 4 9 o o l 5 2 0 0 【 图 3主梁标准横断面( 单位 ： mm) 3 4桥墩 基础 设计 高架区间简支桥梁墩柱采用矩形截面 ， 采用“ 宝 石” 造型盖梁。考 虑区间景观一致性兼 顾施工方便 ， 本桥下 部结 构 与区 间统 一 ， 中墩 采 用钢 筋 混 凝 土 矩形 墩 ， 尺 寸为 4 8 mx 2 4 m， 承 台尺 寸 为 1 0 5 m 6 5 m， 基础采用 6根 1 5 m的钻孑 L 灌注桩。边墩采用 T形 墩柱 ， 尺寸为 3 0 m 2 4 m， 承台尺寸为 7 5 m 7 5 m， 基础 采用 4根 1 5 m 的钻 孔灌 注桩 。 3 5 施 工方 案 ( 1 ) 施工 方法 的选 择 该项 目跨越铁路和城市道路， 常用 的施工方法主 要有转体 ， 顶推 ， 工厂预制 、 现场 吊装架设 ， 悬臂浇筑等 方法 。为保 证运 营安 全 ， 特 别是 铁路 的运 营安 全 ， 铁路 相关 部 门首 选 是 尽 量 减 少 施 工 对 铁 路 干 扰 的施 工 方 法， 悬浇一般不会被采用。对于钢结构来说 ， 转体 、 顶 推 、 吊装均 可实施 ， 但 转体 和顶 推需要 较大 的施 工场地 和较多的施工临时设备， 施工周期相对吊装长 ， 费用也 高 ， 结合昌平线的施工周期要求紧迫 ， 决定采用工厂加 工 、 现 场 吊装架设 的施 工方 法 。 ( 2 ) 施工 步骤 根据桥梁特点和现场场地情况 ， 具体步骤如下 ： 基 础施工 一永 久桥 墩 和临时墩 施工一 墩 梁 固结段 钢套筒 吊装施 工一 钢箱 梁 吊装 施工 一桥 面板 吊装一 临 时墩拆 除一桥 面 系施工 。 4关键构 造 和技术 措施 4 1 墩梁 固结 由于采用了连续刚构体 系， 钢箱梁与钢筋混凝 土 桥墩的固结 、 二者如何结合共同受力成为关键问题所 在。中墩所在位置高度较 大， 如果采用钢管混凝 土墩 柱 ， 用钢量较大 ， 本桥仅考虑在钢箱梁底板以下 3 m高 度范围内采用钢套筒与桥墩连接共 同承受内力。考虑 刚度 的连 续性 ， 中支 点箱 梁 内混凝 土不 注满 ， 留有 一定 的间隙。钢箱梁腹板与横向隔板与桥墩钢套简焊接为 一 体 ， 钢箱梁底板在该处断开后与横隔板焊接 ， 纵横向 焊接位置要错开一定的距离 ， 钢箱 内外侧和钢套筒 内 侧对 应设 加劲 肋进行 局 部加 强 。考虑钢 箱 竖 向力 与混 凝土墩柱 的传递 ， 采取在 钢箱和套 筒钢板 内侧 焊接 ( b 2 2 m m剪力 钉 ， 在 内侧 加劲板 设 P B L键 措施 ， 其 中 P B L筋为 4 , 2 0 m m， 孔 洞 为 + 6 0 m m， 在 填充 C 5 0混 凝 土 的条件下 ， 单键承载力达 到超过 2 0 0 k N， 竖 向传力 以 后者 为 主 ， 前者 为辅 。由于构 造复 杂 ， 钢 箱 与钢套 筒施 工焊 接顺 序十 分关 键 ， 从 下 到 上 ， 从 内到 外 ， 为便 于箱 内焊接操作 ， 套筒内仅灌注一半高度的混凝土 ， 同时也 避免了焊接时高温对混凝 土耐久性影响 ， 待套筒与钢 箱焊接完毕后 ， 从箱顶预留孑 L 浇筑剩余 混凝土。墩 梁 固结 构造 见 图 4 。 4 2钢 套筒 安装 钢套筒是钢箱梁和钢筋混凝土桥墩连接的纽带 ， 其定位的准确性影响着后期钢箱梁的安装精度 ， 所 以 其安 装控 制十 分重 要 ， 需 引起 足 够 的 重 视 。首 先需 要 预埋 钢套 筒 的定位 型 钢构 件 ， 预埋 件 的位 置 要 准确 并 且需 要一 定 的刚度 ， 以防止在 后期 浇筑 混凝 土时 变位 ， 钢套筒与预埋件焊接牢固， 并保持钢套筒顶面水平 ， 高 差不 大 于 5 m m。 4 3 边 箱压 重 由于 空 问位 置 的 限 制 ， 桥 梁 边 跨 为 3 7 m 和 4 2 5 m， 边跨与中跨 比为 0 5左右 ， 且桥位还处于半径 6 8 铁道标准设计 第 5 8卷 1 0 0 0 31 o o o 1 o o o 1 o o o 31 0 0 0 31 C ： ： 剪 力 玎 俩 l 专 = = = = 量 3 6 1I 2 0 0 0 峪6 。 c ： ： 一 ： 一 量 ： 一 3 碍 一 1 1 l _ ) o b 。 o 8 。 。 o 。 。 o o 。 。 。 o o 一 殳 量 ： _ 8 量 ： 3 6 20 0 0 J3 6 图 4墩梁 固结构造 ( 单位 ： mm) 为 4 5 0 m的曲线上。通过空 间分析 ， 边墩 支座反力很 小 ， 为 防止在 运营 过程 中梁 端支 座脱 空 ， 原设 计 采用 钢 材对 梁 端进行 压 重 ， 但 是 根 据 钢 箱 梁 内部 构 造 采 用 钢 材 在指 定位 置压 重实施 困难 ， 后 材料 改为钢 砂 昆 凝 土 ， 容 重为 5 0 k N m ( 所 用材 料 为 钢砂 、 水 泥 、 水 、 高 效 减 水剂等 ， 配合 比为 4 8 5 0： 0 1 0 0： 0 0 8 0： 0 0 0 8 ) 。 压重混凝土布置尽量靠近支座 ， 并避开进人孑 L 通道 ， 混 凝土通过补焊的剪力钉与钢箱结合为一体 。 4 4钢箱 梁运 输 钢箱梁分段最大长度约 3 5 m， 最大宽度 5 2 m， 最 大高度 3 6 m， 最大重力 2 2 0 0 k N， 钢梁运输方案非常 关键 ， 对运输设备 、 运输路线 、 运输时间以及运输措施 都要求较高， 本桥结合钢梁 的加工地点和桥位地址 ， 选 择 夜 间在 交 管 部 门导 引 下 采 用 拖 车 串车 运 输 。运 梁 前 ， 对所运输 的路线进行勘查 ， 对所经过的桥涵需要检 算 加 固 ， 以保 证运 输 构件安 全 。 5 结语 ( 1 ) 上部结构采用大跨度结合梁 ， 下部结构采用 矩形墩 ， 墩高跨度结构尺寸 比较协调 ， 线形 流畅， 造 型 轻盈 ， 整体 视觉 效果 好 。 2 ) 结合梁与混凝 土梁相 比， 其结构 自重有较 大 减轻 ， 便于桥墩基础满足受力要求。 ( 3 ) 采用大节段工厂制造 ， 现场 吊装 的施工方法 ， 大 大缩 短 了桥梁 的施工 周期 ， 同时避 免 了对 既有铁 路 、 城市道路的干扰 ， 保证其运营安全。 ( 4 ) 墩梁 固结 关 键 部 位 的处 理 ， 既 借 鉴 其 他 同类 桥梁部分的成功经验 ， 也有一定的大胆创新 ， 为今后类 似 问题 的解 决 提供较 好 的思路 。 参考文献 ： 1 中华人民共和国建设 部 G B 5 0 1 5 7 -2 0 0 3 地铁设计规 范 S 北 京 ： 中国计划出版社， 2 0 0 3 2 中华人民共和国铁道部 T B 1 0 0 0 2 2 2 o 0 5 铁路桥 梁钢结 构设 计规范 S 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 5 3 中华人民共和国建设 部 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 钢结构设计 规范 S 北京 ： 中国计划出版社 ， 2 0 0 3 4 中华人民共和 国铁 道部 T B J 2 4 8 9 铁路 结合梁设计 规定 S 北京 ： 中国铁道出版社 ， 1 9 8 9 5 黄乔 桥梁钢一 混凝土组合 结构设 计原理 M 北京 ： 人 民交 通出 版社 ， 2 0 0 3 6 孙宗磊 津滨轻轨 1 5 0 m筒支钢混结合梁设计 J 铁道标准设 计 ， 2 0 0 3 ( 8 ) ： 4 85 0 7 吕建鸣 ， 宋建永 组合截面桥梁结构计算 方法研 究 J 公路 交通 科技 ， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 6 87 1 8 朱聘儒 钢一 混凝土组合 梁设计原 理 M 北京 ： 中国建筑工 业 出 版社 ， 2 0 0 6 9 胡建华 ， 侯文崎 ， 叶梅新 P B L剪力键承载力影响因素和计算公式 研究 J 铁道科 学与工程学报 ， 2 0 0 7( 6 ) ： 1 2 1 8 1 0 王合希 ， 王冰 北京地铁大兴线钢混结合 V形 刚构桥 的设 计构思 J 铁道标准设计 ， 2 0 1 1 ( 8 )： 6 06 3