小半径曲线钢箱梁桥固结体系及戴帽施工法

卢二侠，王解军

(1.广西壮族自治区城乡规划设计院，广西 南宁 530022；2.中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004)

0 引言

城市互通式立交设计受周围各种构筑物的空间影响，匝道桥梁半径设置较小(半径≤100 m)，一般远小于高速公路或铁路上的曲线桥半径，属于小半径曲线桥，且桥下布墩空间也是往往受限，不得不设置一些独柱的桥墩。但近些年独柱墩箱梁支座脱空、梁体侧倾事故频发[1]，如何防止曲线箱梁桥侧倾事故的发生就成为小半径曲线钢箱梁桥设计首要解决的难题。

小半径曲线梁的车辆离心力作用与“弯-扭耦合”效应显著，使得小半径曲线梁桥在运行期间，箱梁易产生较大的往外侧的横向位移与扭转变形；在温度作用下曲线梁体也会产生纵向形变，综合起来就导致曲线梁在平面内产生旋转位移，特别是在设置抗扭能力弱的独柱墩后，易导致支座脱空、伸缩缝损坏、墩身与箱梁结构开裂，甚至会出现在偏心荷载下箱梁整体侧倾的严重问题。

针对上述问题，国内外众多学者做了大量研究并提出了许多解决方案。文献[1-3]对独柱墩曲线连续梁支座脱空、梁体侧倾事故形成的原因和过程进行了数值分析模拟，并提出了相应的对策；文献[4-8]针对抗倾覆能力较强的混凝土曲线刚构桥的设置形式和构造受力特点及非对称施工位移等进行了相关研究；齐书瑜[9]，YE XIA[10]等分别针对普通混凝土和高性能混凝土曲线组合梁进行了实验研究和抗震体系分析；魏永建[11]等针对自重轻的钢箱曲线连续梁，提出压重或者设置横向偏心墩等措施防止支座脱空，梁体侧倾。冯珍[12]等提出了一种设缝双肢墩混凝土曲线刚构体系桥、开展了模型试验研究。

但是，以往的研究主要是针对混凝土曲线桥。对于小半径曲线钢箱梁桥如何进行固结设计，以及设置固结墩与不设置固结墩对于整联梁体抗倾覆能力有何区别，还没有具体的研究和阐述。

结合工程设计实际情况，本文采用一种新型的结构简单、施工方便、可提高结构可靠性和安全性的小半径曲线刚构体系桥，有效避免了小半径曲线梁倾覆事故的发生。文中对此刚构体系桥梁进行了仿真计算分析，建成后的此刚构体系桥梁经过5 a多的通车运营检验，效果良好，未见病害产生。本文研究成果可供此类工程应用提供参考。

1 曲线梁刚构体系设计

1.1 设计方案

由于项目施工工期紧张，如何简单、快速地实现下部桥墩与上部钢箱梁的可靠连接，就成为本桥设计的难点。既为方便施工又能保证钢箱梁和固结墩之间可以牢固地连接，本桥采用新型的“戴帽法”预制吊装施工。

上部钢箱梁在墩梁固结处的横梁段设置为挖空的“帽子”状，下部固结墩采用钢筋混凝土柱外加钢套管的方式，桥墩上部结构类似“人头”状，预留升入钢箱梁箱内结构的外包钢管和钢筋。

主要的设计理念是让桥墩的钢筋混凝土柱承受上部钢箱梁传递的压力，钢筋混凝土柱的外包钢管承受上部钢箱梁传递的拉力，具体设计方案如下，相应构造如图1、图2所示。

图1 固结墩横、纵向立面布置图(单位：m)

图2 固结墩A-A、B-B剖面图(单位：m)

a.钢箱梁底板及内部腹板、横隔板等钢构件在桥墩伸入梁体的范围内全部开槽孔断开，并扩大预留1.5 cm的施工误差范围。

在钢管顶部另设置3道纵向加筋板用于增加钢箱梁与桥墩的联系，并可以补强钢箱梁因开槽孔造成钢结构截面的削弱。

箱梁腹板和横隔板以及纵向加筋板采用竖向两侧加衬板的方式与桥墩钢管及上环板焊接连接。箱梁底板开孔处通过围焊与上下环板连接，其他钢构件通过与底板的上下环板焊接连接后间接与箱梁底板连接。这种连接方式既可以有效解决不同形状，不同交叉位置的连接处理问题，又可方便施工。

b.桥墩钢管预留伸入钢箱梁内60 cm，桥墩内主筋伸入钢箱梁内110 cm，保证上部钢箱梁受到各种荷载能有效传递给下部桥墩结构，并在下环板与桥墩钢套管外侧环向设置多个加筋板，加强连接。

1.2 施工方案

具体施工步骤如下：

a.下部固结墩采用钢筋混凝土柱外加钢套管的方式，具体施工时先立钢套管就位后，吊装桥墩钢筋笼进入钢套管，浇筑无收缩混凝土至钢箱梁底板与桥墩结合处，预留桥墩钢筋外伸出钢套管。同时可在工厂预制施工钢箱梁横梁段。

b.下部桥墩施工完成后，上部钢箱梁横梁段可以直接整体吊装扣在下部桥墩上，完成“戴帽法”预制吊装施工，二者通过各类环向钢板和加筋板焊接固定后，浇筑横梁内无收缩混凝土，就可以方便、快捷、牢固地实现墩梁固结施工。

c.墩梁固结后，可进行其他节段的拼装施工，整个施工工期可以大幅缩短。

1.3 工程概况

南宁市某立交工程为枢纽级A2类立交。立交包括2条主线，8条机动车道匝道，8条地面系辅道。立交受场地影响，设置有多座小半径曲线箱梁桥。其中WN匝道桥第3联桥(以下简称：本桥)上跨五象大道主线及NE匝道桥，跨径组合为(23+24+24+23)m，匝道半径设计为80 m，属于小半径曲线箱梁桥。由于五象大道中分带及与NE匝道之间的分隔带设置过窄，9#、10#桥墩只能采用小尺寸的圆柱墩。本桥立面布置及平面布置如图3所示。

图3 第3联桥立面及平面布置图(单位：m)

1.4 固结墩的设置

本桥采用将更靠近梁体温度零点的9#桥墩设置为固结墩，10#墩设置为单支座独柱墩，这样既可以拉住梁体，防止支座脱空、梁体倾覆，又能让梁体可以9#墩为中心在纵横向自由变形，减少固结墩对上部超静定梁体产生约束应力。

2 计算模型建立

采用三维空间计算软件MIDAS/CIVIL建模计算，建模方式参照文献[7]。取跨径布置为(22.94+24+24+22.94)m，模型中所有结构均采用梁单元模拟。钢材采用Q345qC钢，弹性模量：206 000 MPa，容重：76.98 kN/m3。混凝土采用C50，弹性模量：34 500 MPa，容重：25 kN/m3。上部结构二期恒载：100 kN/m，整体升降温按升温30℃，降温-30℃考虑，不均匀沉降按8mm考虑。采用容许应力法设计，汽车荷载取：公路-Ⅰ级车道荷载，荷载组合系数取：1；支座反力取主力与附加力荷载组合后的包络值。

为比较相同偏载荷载作用下，不同约束情况对于梁体抗倾覆能力的影响，在同等建模条件下，分别建立全桥不设固结墩、设置9#墩单个固结墩及设置9#、10#墩2个固结墩3种计算模型。

a.全桥不设固结墩模型，全桥共分为92个单元，边界条件设置为：7#、8#、11#墩通过横向两个铰点支座来实现抗扭约束；9#、10#墩仅设置单个铰点支座；其中8#、9#、10#墩的铰点支座均按相对于钢箱梁中心线向曲线外偏心30 cm设置。计算模型如图4所示。

图4 不设置固结墩时计算模型

b.设置9#墩单个固结墩模型，全桥共分为104个单元，边界条件设置为：7#、8#、11#墩通过横向两个铰点支座来实现抗扭约束；9#墩设置为固结墩，墩梁固结，墩底设置固定支座；10#墩仅设置单个铰点支座，其中8#、10#墩的铰点支座及9#固结墩均按相对于钢箱梁中心线向曲线外偏心30 cm设置。计算模型如图5所示。

图5 设置9#墩单个固结墩时计算模型

c.设置9#、10#墩两个固结墩模型，全桥共分为110个单元，边界条件设置为：7#、8#、11#墩通过横向两个铰点支座来实现抗扭约束；9#、10#墩设置为固结墩，墩梁固结，墩底设置固定支座；其中8#墩的铰点支座及9#、10#固定支座均按相对于钢箱梁中心线向曲线外偏心30 cm设置。计算模型如图6所示。

图6 设置9#、10#墩两个固结墩时计算模型

3 结果对比分析

在相同的荷载组合作用下，3种模型计算竖向最小支反力结果如图7～图9所示。

图7 不设置固结墩时计算支座反力(单位：kN)

图8 设置9#墩单个固结墩时计算支座反力(单位：kN)

图9 设置9#、10#墩两个固结墩时计算支座反力(单位：kN)

计算结果汇总如表1所示。

从以上计算结果图7～图9及表1可以得出如下结论：

a.做抗倾覆验算时，未设置固结墩的情况下，11#墩内侧支点出现了负反力，不安全，如果超重车队沿箱梁外侧行驶，存在整体钢箱梁倾覆的安全隐患。

b.在9#墩设置为固结墩后，可以有效改善梁体扭矩的传递，全桥支座未出现负反力的情况，且存有富足。即使有超重车队沿箱梁外侧行驶，部分支座反力存在负反力后，固结墩也可以牢牢拉住梁体，不会出现整体钢箱梁倾覆的可能。

表1 竖向最小支反力计算结果Table1 ResultsofthesmallestverticalreactionforcekN类型7#墩内侧7#墩外侧8#墩内侧8#墩外侧9#墩10#墩11#墩内侧11#墩外侧不设置固结墩641991321.61605.83599.94472.8-106.9942.4设置单个固结墩646.5969.31043.41777.43416.54526.158.8886.1设置两个固结墩688.21013.11210.61742.135554622.7488.2936.7

c.在9#、10#桥墩均设置为固结墩后，相较于仅设置一处固结墩的情况，钢箱梁内侧支座正反力值更大，抗倾覆的安全性更大。但考虑设置两处固结墩会加多钢箱梁体的超静定系数，在温度荷载作用下对上部梁体受力不利(经计算在整体升降温作用下，本桥固结桥墩之间的上部钢箱梁受力会增加8～9 MPa)，且设置一处固结墩，已满足抗倾覆能力要求，因此该桥采用设置一处固结墩的设计方案。

4 施工运营结果

由于本桥墩梁固结处结构设计构造简单，方便施工，施工单位仅用6个月的时间就全部完成了本工程的建设，为建设单位节省了大量时间。本工程通过政府部门组织的正式竣工验收后，已顺利通车运营5 a，本桥采用的固结体系运行良好，桥梁各处均未发现病害。

5 结论

针对小半径曲线钢箱梁桥，设计了一种梁墩固结构造和戴帽施工新方法，通过建模计算和实际运营情况的检验，可以得出如下结论：

a.纵向连续设置多个单支座独柱墩的钢箱梁容易发生支座脱空、梁体侧倾，在设计阶段应该避免这种情况出现。

b.纵向采用一个固结墩可以有效防止支座脱空、梁体侧倾问题的出现，且将固结墩设置于梁体温度零点附近不会对上部结构受力产生大的影响。

c.采用一个固结桥墩、其它桥墩采用活动支座的小半径曲线刚构体系桥，结构简单、施工方便，通过墩梁固结可彻底解决曲线梁平面内位移过大、支座脱空、伸缩缝损坏及箱梁侧倾问题，提高了桥梁结构的可靠性和安全性，特别是采用“戴帽法”预制吊装施工，能够大大缩短施工工期，可为同类小半径曲线梁桥的设计提供参考。