小半径“V”形深沟桥跨结构方案研究

中交基础设施养护集团宁夏工程有限公司，宁夏 银川 750000

随着钢-混组合梁研究及应用的完善，管翼缘组合梁的概念首次在直梁应用中被提出来，吴建伟等[1]研究发现直管翼缘梁具有较大的局部屈曲抗力，较强的扭转刚度和减小的长细比；Kim[2]研究了以圆管内填混凝土作为受压翼缘，以平板作为受拉翼缘的直管翼缘梁抗弯强度和稳定性。经过国内外对管翼缘组合梁多年的研究及应用，表明带内填混凝土的管翼缘钢梁具有较好的延性，较高的强度，其中，钢管与内填混凝土的套箍作用增大的构件的抗弯刚度，桥梁的横向框架体系使管翼缘梁拥有较大扭转刚度[3-6]。在已有的结构理论和工程实例基础上，文章综合现场建设条件和地方技术经济条件，通过建模和计算，提出管翼缘组合梁跨越国省道路中路线平曲线半径较小且处于“V”形深沟的可行性及合理性，旨在推动钢-混组合梁桥在地方山区国省道路中的应用。

1 建设条件

某大桥位于天然林保护区，桥位跨越一“V”形深沟，沟深45.7m，桥跨处沟宽180m左右，沟两侧有岩石外露，为砂岩，表面看比较破碎，地形非常复杂，大桩号侧山坡陡峭，平均坡度达到64%，此段设计路线平面半径为200m，纵坡2.8%。为减少开挖，减少对山体扰动，减少防护工程，保护景区植被，确保工程施工及运营安全，桥梁基础主要受两岸陡崖地形控制，综合考虑桥台易设在易施工的稳定岸坡上，桥位于“V”形深沟，地势起伏较大，交通条件较差。施工设备和材料的运输以及施工场地的布置均是桥型方案选择中必须考虑的因素，应将运输的构件重量、尺寸尽量控制在公路能承受的范围内。

2 方案比选

2.1 桥型方案总体构思

兼顾地形、地质，考虑运输条件、施工场地布置与施工方法的适应性、桥梁结构成桥与施工状态的抗风稳定性、桥型与环境的配合协调性等因素的要求来选取桥型方案，并将桥梁全长选定在200m左右。

2.2 主梁形式的比选

预制预应力混凝土结构具有结构简单、受力明确、节省材料、架设安装方便，可大量节省模板，桥梁的上、下部可平行施工，使工期显著缩短。但该地区为山区且桥梁位于圆曲线和缓和曲线上，预制结构横向稳定性不易保证，线形不易控制，预制场地空间有限，运输不方便，吊装重量较大。

现浇预应力混凝土结构是按一定的施工程序完成混凝土的就地浇筑，现浇混凝土施工需要搭设临时支架，适合场地比较平整的施工平台。此桥位处于小半径平曲线内，现浇预应力混凝土结构的跨径不宜过大，小跨径结构会造成下部墩柱增多，并且跨高比与桥位处自然环境不协调，影响成桥美观。

管翼缘组合梁是将传统钢+混凝土组合梁中工字钢梁的平钢板翼缘用钢管混凝土替代的新型组合结构。管翼缘组合梁管翼缘的竖向高度减小了腹板的高度，从而避免了腹板长细比过大在设计中引起的问题，提高了组合梁的刚度和稳定性。内填C50自密实混凝土，套箍效应能显著提高混凝土强度，从而提高构件承载力。管翼缘组合梁的施工简单方便，吊装重量较轻，施工周期短，经济合理。

由于该桥位于超高段，因此主梁形式的选择非常重要。从结构稳定性、施工难易性和施工周期等多个方面对比分析上述三种主梁形式各自的优缺点，可以得出管翼缘组合梁各方面指标均优于其他几种主梁形式，其施工简单方便，吊装重量较轻，施工周期短，经济合理，是比较理想的主梁形式。

2.3 跨径比选

结合桥位处的地形地质初步拟定的结构形式为管翼缘组合连续梁。针对管翼缘组合连续梁拟定了40m、45m、50m、48m四种不同跨径桥跨形式，各跨径截面形式如图1所示。

图1 各跨径主梁截面形式（单位：mm）

采用Midas Civil 2012软件分别建立该桥上部结构的有限元模型，上部结构中采用梁格法建模，主梁和混凝土板均离散为梁单元，管翼缘钢梁和管内混凝土为组合截面，顶板混凝土根据规范计算得有效计算宽度为2.7m，同时，设置混凝土板虚拟横梁，虚拟横梁纵向间距为2.5m，混凝土板与管翼缘组合梁之间对应节点采用刚性连接。上部结构变形计算结果如表1所示，主梁应力汇总表如表2所示。

表1 上部结构变形计算结果 单位：mm

表2 主梁应力汇总表 单位：mm

由于桥位跨越一“V”形深沟，沟深45.7m，桥跨处沟宽约180m，地形非常复杂，大桩号侧山坡陡峭，平均坡度达到64%，综合考虑施工难易性和经济合理性最终选择4×48m的桥跨结构形式。

在此种跨径结构形式下，主梁在汽车荷载作用下（不计冲击）最大竖向挠度为25mm＜L/500=100mm，满足设计规范要求；主梁在荷载组合1的最大应力为228MPa＜270MPa，满足设计规范要求。

3 4×48m管翼缘组合连续梁桥

3.1 方案设计

（1）上部结构设计。跨径布置为4×48m，主桥采用5片焊接方管翼缘组合梁作为主梁，方管内填C50自密实混凝土。主梁中心间距为2.7m，主梁中心高度为2.3m（含25cm混凝土板和10cm沥青混凝土铺装），其中，钢梁部分高度为1.95m。桥台和墩顶处横向设置5个支座，均采用JPZ（Ⅱ）型盆式支座，两侧桥台处各设80型模数式伸缩缝。主梁由纵梁、横梁和桥面混凝土板组成，钢结构部分含主梁、横梁；除纵梁下翼缘采用Q500qDNH，其余均采用Q345qDNH钢材。主梁标准横断面如图2所示。

图2 主梁标准横断面（单位：mm）

桥位处于超高段，通过桥墩顶面高程和楔形体调整桥面横坡。同时，每隔1500mm布置一道竖向加劲肋，纵向加劲肋连续，竖向加劲肋在纵向加劲肋位置断开。

横梁分两大类，端横梁为空腹式，中间横梁为桁架式。混凝土板板厚250mm，为钢筋混凝土结构，通过栓钉与纵横梁连接为整体。主梁各个分段的钢管翼缘、腹板和下翼缘之间现场采用焊接连接。每根纵梁分为4段，纵梁通过焊接实现纵向钢管翼缘、腹板、下翼缘连接；横梁与纵梁之间仅腹板通过高强螺栓连接，上下翼缘不连接。

（2）下部结构设计。桥台采用扩大基础重力式桥台形式，桥墩采用薄壁空心墩的截面形式。

3.2 上部计算成果

（1）几何模型。采用Midas Civil 2012分别建立该桥上部结构的有限元模型，跨径布置为4×48m管翼缘组合连续梁桥，上部结构中采用梁格法建模，主梁和混凝土板均离散为梁单元，管翼缘钢梁和管内混凝土为组合截面，顶板混凝土根据规范计算得有效计算宽度为2.7m，同时，设置混凝土板虚拟横梁，虚拟横梁纵向间距为2.5m，混凝土板与管翼缘组合梁之间对应节点采用刚性连接，上部结构静力有限元模型如图3所示。

图3 上部结构有限元模型

（2）静力计算结果。上部结构变形计算结果如表3所示，主梁应力汇总表如表4所示。主梁在汽车荷载作用下（不计冲击）最大竖向挠度为25mm＜L/500=100mm，满足设计规范要求；混凝土顶板应力在汽车荷载作用下最大拉应力为3.1MPa，经抗裂性验算，满足规范要求；主梁在荷载组合1的最大应力为228MPa＜270MPa，满足设计规范要求。

表3 上部结构变形计算结果 单位：mm

表4 主梁应力汇总表 单位：mm

4 结束语

文章中的工程项目地区为山区，桥梁位于圆曲线和缓和曲线上，地形复杂，桥梁跨越“V”形深沟，预制结构横向稳定性不易保证，线形不易控制，预制场地空间有限，运输不方便，吊装重量较大。在此项目背景下，从结构稳定性、施工难易性和施工周期等多个方面对比分析预制结构、现浇混凝土箱梁及管翼缘三种主梁形式各自的优缺点，可以得出管翼缘组合梁各方面指标均优于其他几种主梁形式，其施工简单方便，吊装重量较轻，施工周期短，经济合理，是比较理想的主梁形式，符合绿色发展理念，可有效提升公路桥梁的建设品质，发挥钢结构桥梁性能优势。