五渡桥钢-混凝土结合段设计研究

  李  凯1，郭朝辉2，张明亮2，刘海军3，聂  雷3，张爱江1

 （1．北京市市政工程研究院，北京  100037；2．北京市交通委员会路政局，北京  100053；3．北京公联洁达公路养护工程有限公司，北京  101300）

[摘要]介绍了房山五渡桥多种钢-混凝土结合段设计方案对比，分析各种常规桥梁中使用的钢-混凝土结合段构造优缺点，在其基础上通过优化构造，构思了一种新的钢-混凝土结合段构造，即内法兰预压式钢．混凝土结合段构造，拓宽了钢-混凝土结合段构造处理的新思路，达到了构造合理、安全经济、外形美观、施工方便的目的。

[关键词]桥梁工程；三角刚架悬吊连续梁；钢-混凝土结合段；预压式；设计

[中图分类号]U442.5+4  [文章编号]1002-8498( 2016)05-0056-05

1桥梁设计和受力特点

 五渡桥位于房山十渡风景区，为涞宝路五渡附近的一座新型景观桥，跨越拒马河。五渡桥主桥全长173m，如图1所示，桥跨布置为(46.5+80+46. 5)m，分为左、右幅，单幅桥宽9.5m。主桥由主墩、主梁、钢塔、吊索和墩间系梁组成。主墩采用带水平刚性系梁的闭合V形墩，呈“▽”形，墩身为空心薄壁混凝土结构，其与主墩盖梁为整体式结构，两幅主梁横向上共用同一主墩。主梁采用连续箱梁结构，在两幅主梁间设置了1个单肋三角形刚架塔，刚架塔与跨中侧支点墩设置钢-混凝土结合段与混凝土基座连接。塔顶设有吊杆，吊杆上端锚于刚架塔顶，下端锚于两幅桥联系横梁的底部。各细部构造如下。

 1)主梁  主梁为变截面预应力混凝土连续箱梁，设计外形和预应力钢束布置形式与常规大跨变截面连续梁一致（见图2）。顶板宽9. 5m，底板宽4. 6m．主墩墩顶标准梁段梁高3.0m，跨中标准梁段梁高2. 0m。

 2)主墩  主墩整体呈“▽”形，v形墩设长度30m刚性系梁，系梁截面均为“Ⅱ”形，墩身为单箱双室变截面空心薄壁结构，墩身上设整体盖梁，两幅梁共用同一墩。墩身纵向宽4. 9m;墩高9.6m，外倾水平角370，如图3所示。

 3)主塔  主塔采用十字形钢箱断面（见图4），线性变高、变宽的截面，塔座截面高3. 4m、宽3.0m;塔顶截面高2. 4m、宽2.4m。塔的刚度有保证，除抵抗自身的弯曲变形还平衡拉索水平分力。

2  钢-混凝土结合段问题的提出

 五渡桥主塔采用十字形钢箱截面，塔座设置在钢筋混凝土V形墩上。根据总体设计思路，主塔与塔座刚接处理，塔底主要承受轴力、剪力以及顺桥向弯矩。

 钢-混凝土结合段构造形式多种多样，针对本桥特点研究出一种适合本桥的构造，使其能够达到构造合理、安全经济、外形美观、方便施工的目的，将是设计过程中研究的主要方向。通过分析各种常规桥梁中使用的钢-混凝土结合段构造优缺点，在其基础上通过优化构造，简化受力模式后再根据本桥特点设计钢．混凝土结合段构造。

3  常规钢-混凝土结合段设计方案

3.1 PBL剪力键式

 南京长江三桥在国内率先采用PBL剪力键模式，钢塔内力主要通过混凝土与钢板间的黏结和钢筋与混凝土共同组成受剪的剪力键来完成。施工锚固段时，将钢箱插入一段长度在混凝土中，插入段的钢箱中间纵隔板和四边腹板开孔，直径约6cm，ɸ32粗钢筋放置在圆孔内，通过专门施工工艺保证粗钢筋位于圆孔中心位置。

 在本桥设计初期认真研究了本方案，经结构分析，拟考虑设置7纵、7横共14层剪力钢筋，钢筋直径采用32mm。由于本桥采用单腹板空心钢箱，内部仅设置了纵向加劲板和横隔板，为保证剪力键均匀承剪，在高度4m范围（含埋人段2m）内需要增设4道厚度12mm纵隔板，纵隔板与外腹板一样开设直径6cm的圆孔，内穿粗钢筋（见图5）。 

此方案主要特点为：①南京长江三桥钢塔外形和受力模式与本桥十分相似（均为十字形钢箱），该桥的研究成果可用于本桥，方案可靠性有足够的保证；②使用较为单一的材料，无高强螺栓施拧、预应力张拉、剪力钉焊接等难度较大的施工工艺；③需要增加工程数量，此方案结合段要增加纵隔板，改变钢塔结构构造，对结合段混凝土浇筑和钢箱内施焊空间影响较大；④剪力键对中定位较难，由于在工厂完成钢箱开孔，施工现场每根剪力钢筋均需穿过4道钢板，难以保证施工质量；⑤本方案与第一方案相似，也是一种被动的受力模式。

 根据以上特点，考虑到施工难度较大，工程量较大，本桥未采用此方案。

3.2  焊接钢筋锚固式

 在本桥设计研究阶段考虑过本方案，采用间距15cm、直径28mm的粗钢筋焊接在塔壁外缘，确保塔柱受弯时钢筋最大拉应力≤80MPa，承压钢筋网依据塔端压应力大小设置，确保满足规范规定的局部承压强度和构造要求（见图6）。

 本方案特点总结如下。

 1)构造处理简单、造价低廉  只需要增加一定数量的钢筋，与塔座本身的构造钢筋结合起来，设计工作十分简便，施工中也没有其他复杂工艺，工程造价较低。

 2)被动式的受力方式产生混凝土开裂  普通钢筋处于被动受力模式，其发挥作用前提是结构弯曲受拉发生一定变形，为了控制钢筋应力处于较低水平，可以调整钢筋设置来增加安全储备量，但塔座混凝土无法避免发生开裂，耐久性较差，这是本方案最大的不足之处。

 3)钢管与混凝土之间无法严丝合缝，积水容易在缝隙中出现  混凝土与钢是两种不同性质的材料，施工拱座混凝土时，二者之间的缝隙无法完全封闭，即使施工时保证缝隙很小，但在后期运营可变荷载作用下，缝隙也会变大。这样就必然会导致缝隙内有水流进去，从而造成结合段内积水，出现钢构件锈蚀。

 4)养护不方便后期维修养护时，钢一混凝土结合段在混凝土拱座中，无法了解结构内部是否锈蚀，无法及时消除安全隐患。

 考虑到本方案上述特点，在设计中对此方案没有进行进一步研究。

3.3剪力钉体外预应力锚固式

 其施工方法为：将圆头焊钉焊接在钢箱端部，将预应力钢束预设在塔座内，将预应力锚箱设置在连接段的上端，混凝土塔座与钢箱的刚接通过预应力钢束张拉实现，钢混结合面通过调整预应力张拉吨位控制始终处于受压状态（见图7）。

 本方案主要特点为：①为主动受力模式，钢混结合面始终受压，比焊接钢筋锚固的被动受力更优，解决了混凝土开裂和耐久性不足等问题；②采用工艺成熟的钢绞线预应力，施工易控制；③钢绞线束张拉吨位较大，存在较为严重局部应力集中现象，需要局部加强，增加连接段钢箱局部壁厚，在薄壁钢箱内设置钢锚箱较为困难；④预应力钢束成孔的模式、受力计算时参数设置不太明确。钢束在钢箱范围算体外预应力，在混凝土塔座范围内算体内预应力，体外防护束油脂、体内束防护压浆不统一，若塔座混凝土内锚头失效，很难处理。

 考虑到以上缺点，在本次设计中未采用此方案。

3.4外法兰预压式

 如图8所示，在塔座混凝土结合面设置承压钢板并预埋高强螺栓，后在钢横梁端部或在钢拱肋焊接外法兰盘，施加预紧力于高强螺栓后刚接，再外包一段混凝土。

 外法兰预压式钢-混凝土结合段是在上述方案基础上经过优化后得到的，一方面克服了传统钢筋锚固式和开孔钢箱直埋式方案的被动受力、混凝土结合面易产生拉应力而开裂的缺点；另一方面采用高强螺栓施加预压力，不需要设置钢锚箱，也不需要对钢绞线进行两种防护方式，因此有别于剪力钉体外预应力方案。

 在进行设计时，严格控制最大弯矩作用下塔底边缘产生的拉力不超出高强螺栓预紧力，塔座混凝土将始终承受压力，使底座混凝土受力方式由被动转换为主动。这样，在结构受力计算时，只需对高强螺栓群和混凝土局部承压应力进行计算即可，不但简化了计算，传力方式也变得更加明确。

 但此种构造在实际应用时还存在一些其他方面的缺点：①在养护过程中很难发现结合段安全隐患，若采用外包混凝土，则通过混凝土与管壁间的缝隙，依然会有水流进入，结合面上积水易使钢管锈蚀；②不外包混凝土处理，外露侧面加劲板和法兰影响景观和谐；③对外形和底座尺寸不宜改动过大的桥梁不适用。采用外接法兰钢-混凝土必须增加结合面尺寸来匹配高强螺栓锚固。

 考虑到以上缺陷，在设计研究阶段将外法兰预压式方案进行一定优化，得到本桥实际采用的内法兰预压式方案。

3.5  五渡桥内法兰预压式钢．混凝土结合段

 为使钢．混凝土结合段能够达到构造合理、安全经济、外形美观、方便施工的目的，在外法兰预压式钢-混凝土结合段构造的基础上，针对本桥特点，通过优化调整，如图9所示，构思了一种新的钢-混凝土结合段构造，即内法兰预压式钢-混凝土结合段构造。

 构造分为2部分，即塔柱底端内法兰部分和塔座预埋构件部分，其中塔柱底端内法兰部分为钢．混凝土构造，通过在塔柱端部2m位置设置横隔板，同时箱体内侧焊接加劲板后浇筑混凝土形成；塔座预埋构件含有结合面20mm厚垫板和32根M24高强螺栓，同时在塔座内设置高强螺栓定位钢筋网。

 此种钢-混凝土结合段构造主要特点为：①内法兰盘的设置优化了结合段外观，减小塔座尺寸；②使用高强螺栓连接塔柱与塔座，传力方式简单明确，施工非常便利；③受力模式简明，只需混凝土局部承压应力符合规范要求，在最大内力组合下结合面始终受压，确定高强螺栓规格及数量；④后期养护简单，塔座与塔柱结合面外露不存在积水，可避免塔脚锈蚀。

4  五渡桥钢-混凝土结合段受力分析

 根据本构造特点，受力计算的内容包括高强螺栓群计算和混凝土局部承压应力计算2项。计算原则是混凝土局部承压应力满足规范要求，并保证钢一混凝土结合面在最大内力效应组合下始终处于受压状态。

4.1高强螺栓群计算

 高强螺栓群根据《钢结构设计规范》GB50017-2003第7.2条进行计算。

 1)基本参数

 螺栓选用承压型高强螺栓，10.9级，M24规格。由《钢结构设计规范》GB50017-2003第7.2.3、第7.2.4条要求可知，螺栓承载力折减系数为0.7，因此折减后可知：

 单个螺栓受剪承载力：

N v b=0.7×140. 241=98. 168 5kN 

单个螺栓受压承载力：

 N c b=0.7×307.2=215. 04kN

 单个螺栓受拉承载力：

 N t b=0.7×180=126kN

 2)螺栓受力计算

 拱脚螺栓群验算内力根据本桥纵向总体计算结果，螺栓排列方式通过计算：

 工况1（轴力最小）内力组合下螺栓群中单根螺栓产生的最大拉力Nt1= - 20. 4kN

 工况2（弯矩最大）内力组合下螺栓群中单根螺栓产生的最大拉力Nt2= - 15. 2kN

 按《钢结构设计规范》GB50017-2003中公式(7.2.3-1)计算可知：

 按《钢结构设计规范》GB50017-2003中公式(7.2.3-2)计算可知：

 Nv1= 13.  125≤N c b／1.2（满足要求）

 Nv2= 14. 438≤N c b／1.2（满足要求）

 由上述计算结果可知，钢，混凝土结合面无拉应力出现，符合设计原则，并满足规范相关要求。

4.2  混凝土局部承压应力计算

 混凝土局部承压应力根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004第5.7.1条公式进行验算可知：( 607. 2kN)。混凝土局部承压满足规范要求。

5  钢-混凝土结合段施工方案

 本方案螺栓采用2次施拧，首先将塔柱底钢板与塔座预埋钢板对齐套入螺栓后拧紧，然后通过连接螺母接长螺栓至2m端横隔板处，此时浇筑内法兰钢混段混凝土，待混凝土达到设计强度后对高强螺栓进行紧固。螺栓为10. 9M24高强螺栓，预紧力为225kN，均采用定扭矩扳手施拧，施工顺序为：①塔座内设置4层螺杆定位钢筋，安装螺栓，浇筑塔座混凝土。混凝土凝结后实测螺栓位置，对塔柱A段端板开设螺栓孔，将塔柱A段吊装就位，如图10a所示。②塔柱A段吊装就位后，安装螺栓，采用测力扳手施拧到每根螺杆225kN的张拉力，安装螺杆连接套筒，如图10b所示。③将连接螺杆装入连接套筒，上端穿过横隔板。浇筑塔柱A段内腔混凝土，如图10c所示。④待内腔混凝土达到设计强度后，再次采用测力扳手施拧到每根螺杆225kN的张拉力，安装上端止位螺母。钢混结合段施工完毕，开始进行其他塔段安装，如图10d所示。

6结语

 五渡桥钢-混凝土结合段采用的内法兰预压方案在北京地区为首次应用，尽管没有工程先例，但在本次桥梁中应用很成功，拓宽了钢-混凝土结合段构造处理的新思路。内法兰预压工法关键技术在北京市交通委员会组织的成果鉴定会上顺利通过，达到国际先进水平。