我们为什么要在城市里建钢混组合结构桥梁

钢—混凝土组合结构桥梁,通过两种材料的结合工作,充分发挥了混凝土抗压和钢材抗拉性能上的优势,避免了混凝土受拉开裂和钢材受压失稳的问题。同时,组合结构也具有结构自重轻、施工性能好、环保节能、耐久性好等方面的优点。目前,组合结构桥梁在欧美已经成为了城市和公路桥梁的主要结构形式。

法国、日本和美国近年建造的桥梁中组合结构的比例分别达到85%、41%和35%。相比之下,组合结构桥梁目前在我国的采用比例不足1%。长期以来,混凝土的价格优势和钢铁的产能制约是国内组合结构桥梁比例偏低的主要原因。然而,近年来我国钢铁产能已经得到极大提升,甚至出现产能过剩的情况。同时,虽然混凝土价格较低,但从综合效益上看,组合结构存在比较优势,在中小跨径桥梁中优势尤其明显。深圳市政院自20世纪90年代以来一直以创新作为驱动力,坚定而踏实地进行组合结构桥梁的探索和实践。

深圳市彩虹大桥、芙蓉大桥

探索实践:组合结构桥梁的有益尝试

1 钢-混凝土组合箱梁桥

城市桥梁以中小跨径桥梁居多,大跨度和特大跨度桥梁较少。目前我国城市中小跨径桥梁多采用混凝土结构,容易出现腹板和底板开裂问题,不仅影响结构安全,还加大了桥梁管养的负担。因此,深圳市政院在其设计的城市中小跨径桥梁中大量应用组合结构。其中,钢-混凝土组合箱梁是城市中小跨径组合结构桥梁的主要形式之一。代表性桥梁有红桂路至晒布路拓宽改造工程、南山区丽水路东段市政工程丽水路桥、香梅路跨线桥等。

红桂路至晒布路拓宽改造工程是深圳市唯一一座以“建筑设计景观桥”为设计理念的城市钢-混组合箱梁跨线桥,桥梁总长约1公里,线形平顺、流畅,结合地形限制条件采用自然的S形曲线。桥梁跨越四线电气化线路的京九铁路,受铁路净空、限界的限制,设计了40米跨径、极限梁高为1米的超薄肋板组合钢箱梁。该桥帽梁采用欧式柱头,墩柱采用欧式槽线造型,同时箱形主梁采用鱼腹形流线圆角钝化处理,对桥上防撞护栏建筑进行了细部刻画,把市政高架立交桥融入建筑景观设计,从而取得了较好的城市空间景观效果。

丽水路桥是深圳市南山区丽水路东段市政工程中的重要工程,上跨西丽水库排洪渠。为满足桥下西丽水库渠道排洪和远期校区皮划艇比赛的要求,渠道中不允许设置桥墩,因此选择主跨50米大跨度简支梁桥,桥宽26米。在一系列新技术的基础上,实现了50米跨度的简支梁梁高只有1.9米的突破设计。

深圳市香梅路跨线桥

深圳市丽水路桥

2 钢管混凝土拱桥

钢管混凝土拱桥的设计理念最初起源于20世纪30年代的前苏联,90年代初引入我国并逐渐成为了一种常用的桥梁结构型式。深圳市政院先后设计了深圳北站大桥(彩虹桥)、深圳芙蓉大桥、东莞水道特大桥、东莞大汾北水道特大桥、浙江绍兴镜湖新区风林西路1号景观桥等一系列钢管混凝土拱桥。

深圳北站大桥(彩虹桥)是一座主跨为150米的拱墩固结、单跨下承式无铰钢管混凝土柔性系杆拱桥。主拱肋采用四肢钢管混凝土空间桁架结构,桥面为双向4车道,宽23.5米。其采用钢管混凝土主拱、钢管混凝土组合桥墩、预应力钢-高托座混凝土空心板叠合梁,是我国首座采用组合梁悬吊桥面系的钢管混凝土拱桥。

东莞水道特大桥是一座主桥为三孔50+280+50=380米飞鸟式钢管混凝土系杆桁拱桥,主拱肋为由4根钢管组成的桁式钢管混凝土系杆拱,边拱为等截面钢筋混凝土拱。该桥由左、右完全独立的两幅桥组成,每幅桥宽26.1米。其280米的中承式钢管混凝土桁拱主跨位居当时世界同类桥梁第三。

东莞水道特大桥

3 波形钢腹板组合梁桥

波形钢腹板组合梁桥是一种优越的新型组合结构,于21世纪初引入中国。该种结构由混凝土顶底板、预应力索和波形钢腹板三部分组成。与普通钢-混组合梁桥相比,波形钢腹板组合梁桥能够有效地提高结构的预应力效率,增强钢腹板的抗屈曲能力,避免腹板开裂问题,同时无须设置腹板加劲肋。其既继承了普通钢混组合梁桥的优点,同时又是对传统体外预应力混凝土梁桥的一种改进。十多年来,深圳市政院对此种新型组合结构桥梁进行了大力推广。

深圳东宝河新安大桥连接深圳市沙井镇和东莞市长安镇,采用跨径为88+156+88米的波形钢腹板组合箱梁桥。桥梁横向布置为双幅桥,单幅桥宽16.25米。与其他同类桥梁不同,东宝河新安特大桥创新性地在跨中49.6米一段采用钢底板设计,进一步实现结构的轻型化,减少了墩顶负弯矩和剪力,极大地提高了此类桥梁的跨越能力。

深圳市东宝河新安特大桥

伊朗德黑兰北部高速BR-06桥是波形钢腹板组合箱梁桥应用于高抗震地区的典型工程。大桥处于9度地震区,且伊朗交通部要求采用地震动峰值加速度达0.816g的实测地震波(伊朗地震局提供)作为E2水平地震验算,抗震要求极高。建成的伊朗德黑兰北部高速BR-06桥跨径布置为83+153+83米,分左右两幅,每幅桥宽为13.1米。支座处配置国产的减隔震支座与阻尼器。减隔震支座为具有两种工况特点的位移分离式双球面减隔震支座,在强震作用下利用球面摩擦副进行滑动耗能。阻尼器则采用液体黏滞阻尼器。经计算确定全桥共设置16个阻尼器。

伊朗德黑兰北部高速BR-06桥

深圳市南坪快速三期工程马峦山公园1号桥桥址处地势高差变化较大,周边环境生态保护和景观要求高,因此深圳市政院提出采用波形钢腹板—桁式弦杆组合梁桥的结构形式。桥梁分为左、右两幅桥,左幅桥为45米的单跨简支梁,右幅桥则为3×45米的连续梁。每幅桥全宽20米,主梁截面为双箱单室断面。全桥腹板均采用波形钢腹板。底缘采用直径720毫米圆钢管,壁厚20毫米,内部灌注C50微膨胀混凝土。弦管间采用横撑和斜撑构成的桁式连接,横撑和斜撑均采用双层“[”形槽钢和焊于弦管上的梯形钢板焊接形成桁式弦杆。波形钢腹板-桁式弦杆组合梁桥与一般钢桁腹杆桥梁相比,节点数量大大减少,可以有效避免由于节点疲劳破坏带来的桥梁安全问题。同时,底部由波形钢腹板和桁式弦杆提供了较大的施工空间,便于进行桥梁结构使用过程中的监测和维护。

马峦山公园1号桥效果图

马峦山公园1号桥施工现场

科研攻关:城市组合结构桥梁推广的坚实基础

科研攻关是解决实际工程建设所遇难题的有效手段。深圳市政院坚持以工程问题为导向,以引领产业发展为目标,结合实际工程项目开展了一系列的科研攻关,有力地推动着城市组合结构桥梁的发展。

深圳北站大桥(彩虹桥)设计过程中,结合科研成果,采用了多项新技术、新工艺。该桥的创新点主要体现在几个方面:第一,采用了钢-混凝土组合梁,有效降低了梁高,以满足桥下铁路净空要求;第二,主桥采用钢管混凝土结构和体外预应力技术,拱肋采用钢管混凝土抗压,水平系杆采用高强钢绞线抗拉,充分利用各自材料性能;第三,采用多项先进工艺设计(如弯管工艺、先栓后焊安装工艺等),保证钢结构加工精度和合龙后的拱肋线形;第四,拱肋腹板合理设置对拉螺栓。在东莞水道特大桥工程中,就国内三部主要钢管混凝土设计规程中计算公式的正确性及适用范围进行验证和探讨,提出了钢管混凝土格构柱极限承载力计算中换算长细比的修正方法,同时系统性地开展了飞鸟式钢管混凝土拱桥结构分析研究。在此基础上提出了恒载作用下结构简化分析的基本平衡方程,总结了该类型结构典型设计参数的取值、主体结构构造的一般规律,为同类结构的应用提供理论依据。

波形钢腹板组合箱梁桥引入国内后,深圳市政院对该类桥梁的关键力学问题开展了深入研究。从理论和数值上对波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应进行研究,建立了基于能量变分法和差分法的剪力滞效应分析方法,并提出了纵桥向变截面箱梁翼缘有效宽度的合理定义。结合东宝河新安大桥、伊朗德黑兰北部高速BR-06桥详细研究了波形钢腹板组合箱梁的动力特性和抗震性能,推导了扭转振动频率的计算公式,分析了波形钢腹板倾角变化、箱室数目的设置、横隔板位置等不同参数对该类桥梁动力特性的影响。对跨中采用钢板替代部分混凝土底板的波形钢腹板混合箱梁桥力学性能进行了试验、数值和理论方面的深入研究,并将研究成果成功应用于深圳东宝河新安大桥工程中。

东宝河新安大桥负弯矩区模型加载试验

钢桁腹杆组合梁桥、钢桁腹杆—弦杆组合梁桥、波形钢腹板—双管弦杆组合梁桥、波形钢腹板—桁式弦杆组合梁桥,都是新型的组合结构桥梁形式。这些桥梁形式各具特点,但对它们的力学性能还知之甚少。深圳市政院针对这些新型组合桥梁结构开展了一系列研究,通过试验和数值分析等手段,对它们的抗弯、抗扭等力学性能进行了深入透彻的分析。然后根据科研结果,提出这些新型组合桥梁的设计方法和设计理论。

波形钢腹板—双管弦杆组合箱梁

波形钢腹板—桁式弦杆组合箱梁


波形钢腹板-桁式弦杆组合箱梁抗弯试验图

标准制定:城市组合结构桥梁建设的指路灯

技术标准的制定和完善有助于规范化设计和施工流程,保证结构安全和可靠性,同时引入最新科研成果,减少相关结构推广的技术障碍。

波形钢腹板组合梁桥引入国内之初,缺乏先进、完善的技术标准是制约该类结构发展的首要因素。深圳市政院于2014年制定了广东省地方标准《波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设计与施工规程》,并于2015年开始着手住建部行业标准《波形钢腹板组合梁桥技术标准》的编制工作。2017年11月,住建部行标正式发布,是目前关于波形钢腹板组合梁桥技术最完善、使用范围最广的技术指导文件。住建部行标已于2018年6月1日正式实施,将有力地推动全国范围内波形钢腹板组合梁桥的发展。

此外,2013年,深圳市政院作为参编单位参与了国家标准《钢管混凝土拱桥技术规范》的编制。该规范对钢管混凝土拱桥的设计和计算理论以及施工与养护技术进行了详细规定。

展望未来:城市组合结构桥梁的发展趋势

目前是我国组合结构桥梁推广的黄金时期。良好的社会经济状况和充足的钢材产能为组合结构桥梁在城市桥梁中的应用提供了物质条件,而桥梁建设技术的发展则提供了技术支持。我国在城市组合结构桥梁建设方面已经取得不少经验。面向未来,城市组合桥梁的发展有以下几个方向。

第一,实现预制化生产和装配化施工。近年来,装配化建设是我国基础设施建设领域大力推广的建设技术。实现预制化生产和装配化施工有助于促进建设领域节能减排,提高生产效率,提升建筑质量。组合结构桥梁的结构特点非常适合于采用装配化施工。2017年10月,深圳市政院创新性地利用SPMT模块车完成了深圳市岗厦北综合交通枢纽工程项目彩田立交钢便桥的架设。该工程是我国首次采用SPMT模块车架设城市桥梁,将原本7天的工期缩短为14小时,将架桥过程对交通的影响降到最低。同年年底,再次利用SPMT模块车技术对上跨深圳地铁10号线岗厦北站的深南大道—彩田路立交桥进行了拆除。利用该技术进行城市桥梁拆除同样是国内首创。该次工程拆除桥梁长度约200米,共切割成22段梁体,单个梁体最大重量达300吨,整个拆除过程仅用时4天。通过实践证明,SPMT模块车是城市组合桥梁装配化施工的可靠技术。

彩田立交钢便桥假设现场

深南大道—彩田路立交桥拆除现场

第二,实现智能化制造和智能化管养。在提高预制产品标准化的基础上,引入工厂或现场智能化生产建设设备,提高桥梁建设效率。同时在设计和施工过程中,结合BIM技术和智能传感技术,为城市组合结构桥梁配备智能化监测、预警和管养系统,提高结构使用阶段的安全性和可靠性。

第三,加大高性能新型材料的应用力度。近年来,国内已经开发出多种新型钢材和混凝土材料,可以用于城市组合结构桥梁,以提高其力学性能和耐久性能。例如,国内现已形成一定规模的耐候钢产能。耐候钢可以在基本免涂装的情况下抵御一般环境下的侵蚀,可以大幅降低后期养护成本,但成本与普通钢材相比提高不大。美国和日本已经大量地将耐候钢应用于桥梁建设中,而耐候钢在国内的应用则相对滞后。在深圳市政院设计的南淝河特大桥中,耐候钢第一次被用作波形钢腹板组合箱梁桥的腹板。这次有益的尝试推进了耐候钢在组合结构桥梁中的应用。高性能混凝土(UHPC)则是另一种可以用于城市组合结构桥梁的新型材料。UHPC具有强度高、韧性好、耐久性好、刚度大的特点,用于城市组合结构桥梁,可以进一步减轻梁体自重,并较好地克服负弯矩区混凝土开裂的问题。

国内外的探索与实践表明,组合结构具有综合效益上的优势,是城市组合结构桥梁的合理形式。通过创新引领,我国城市组合结构桥梁必定能走出一条具有中国特色可持续发展的道路。

作者 / 姜瑞娟 徐添华 谈志鸿

作者单位 / 深圳市市政设计研究院有限公司

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