润扬大桥南接线工程丹徒互通主线桥大跨径钢--混凝土组合梁的设计与施工
  
摘要：钢—混凝土组合梁具有良好的受力性能和较好的综合经济效益，应用前景广泛。纵向主要受力构件为钢箱梁，采用工厂预制现场拼接的施工工艺可以缩短工期，简化工地现场的施工工程量；横向由预应力混凝土构成桥面板及悬臂，有利于桥面沥青混凝土的铺装，为较新颖的桥型。文中通过润扬大桥南接线工程丹徒互通主线桥钢—混凝土组合梁对设计与施工作一些简要介绍。
关键词：钢-混凝土组合梁  设计  施工


近年来，随着对组合结构的深入研究，组合梁或组合结构良好的受力性能和较好的综合经济效益以及作为一种环保型桥梁，将展示其美好的应用前景，在跨越地物的施工条件受到严格限制的桥梁中更有其独特的生命力。纵向主要受力构件为钢箱梁，采用工厂预制现场拼接的施工工艺可以缩短工期，简化工地现场的施工工程量；横向由预应力混凝土构成桥面板及悬臂，有利于桥面沥青混凝土的铺装。
1 设计概述
1．1润扬大桥南接线工程丹徒互通主线桥跨越沪宁高速公路，设计桥下净空按八车道高速公路预留，采用钢—混凝土组合梁一跨跨越，跨沪宁路一联的跨径布置为左半幅26+56+34m，右半幅30+56+30m，一联全长116m，与沪宁路成103°交角。每幅桥采用两个宽3m的开口钢箱，并通过横向联系形成整体，中跨跨中梁高1.5m，墩顶梁高2.7m，箱梁底按二次抛物线布置，桥面板悬臂长2.5m，板内设置纵向预应力钢束，混凝土桥面板与钢箱梁间设置剪力钉抗剪。施工工艺采用工厂化预制，现场搭设临时墩进行拼接组装，成桥后在38＃和39＃墩对上部结构向下施加10cm强迫位移。总体布置见图1。 


图1

1．2技术标准
（1）设计荷载：汽车-超20级，挂车-120；
（2）地震基本烈度：7度，按8度设防；
(3) 桥面净宽：2×（0.5+12.0+1.0）=13.5。
1．3主要材料
（1）混凝土
    桥面板采用50号钢纤维混凝土，墩身采用40号混凝土，承台采用30号混凝土，桩基采用25号混凝土，桥面调平层采用40号聚丙烯纤维网混凝土。
（2）普通钢筋
采用Ⅰ、Ⅱ级钢筋，其技术标准应符合国家标准（GB1499-91）、（GB13013-91）的有关规定。
（3）预应力钢绞线
预应力钢绞线采用按ASTM A416-97标准生产的低松弛270级钢绞线，公称直径фj15.24（ф0.6″），公称破断标准强度为1860Mpa，弹性模量为1.95×105Mpa。
（4）钢材
主体结构板材及型钢采用16Mn低合金钢。
（5）高强螺栓
高强螺栓用20MnTiB钢制成，直径22mm和24mm，预应力分别为190KN和225KN，接触面的磨擦系数f=0.4。
（6）剪力钉
剪力钉采用ф22园柱焊钉，其材质为ML15钢，性能须满足GB10433-89的要求。
1．    4结构设计
（1）主线桥上部结构钢—混凝土组合梁每幅桥由两个3.0m的钢箱通过横系梁和桥面板联成整体，桥面板内配制预应力钢束，混凝土桥面板与钢箱连接处设置剪力钉抗剪，以便桥面板与钢箱梁协调变形，共同受力。
（2）每个钢箱通过在底板上焊接三块腹板将单箱分为双室箱，腹板上间隔80cm进行竖向加劲，墩顶部位适当加密。底、腹板通过纵向肋加劲，每块腹板顶焊接70cm宽的翼板，翼板上设置剪力钉抗剪。全箱室纵向每隔3.5m设置横隔板，墩顶部位适当加密，横隔板中设ф60cm圆孔。以B制作段为例，具体见钢箱梁B制作段构造图2。 

图2
    
（3）桥面板为预应力钢纤维混凝土，通过剪力钉与钢箱梁连成整体，桥面板悬臂长2.5m，悬臂根部厚41cm。桥面板配置纵向预应力束，一类为通长束，两端张拉；另一类为短束，布置于墩顶位置，一端固定另一端张拉。见桥面板预应力钢束布置图3。 
图3

2  钢箱梁制作及运输
钢箱梁采用工厂化制作、现场组装的施工方法。每榀钢箱设计分为六个制作段，分别为A、B、C、A′B′C′六种型号，全桥共24段，单榀最大外形尺寸为2.48m×3.68m×23.98m，最大重量为65吨。制作现场设置了可供4段同时施工的刚性胎架及其配套设施，进行六批次流水作业。焊接和装配采用正立工况，全过程不需要侧、翻身，避免因侧、翻身可能引起的变形。整个钢箱通过结点板支撑在胎架上，结点板顶点包络线与底板曲线相吻合。
2．1材料的选用和验收
主材：
钢箱材料按设计要求为16Mn（Q345）板材，为尽量减少对接接头的数量，可结合钢箱分段尺寸选用特定规格的材料。
材料的化学成份及机械性能按国家标准GB／T1591-94的规定执行，对每批进场的材料进行复检，复检的主要内容有：材料炉号、批号、型号、化学成份、机械性能等，按同一炉批、板厚每10个炉（批）号抽检一组试样。
合理安排场地，进行临时防护，减少板材的锈蚀。
焊接材料：
钢箱梁的焊接采用埋弧自动焊、二氧化碳气体保护焊和手弧焊三种焊接方式。埋弧自动焊用于对接焊缝和平角焊，对接焊缝采用陶瓷衬垫单面焊双面成型的新工艺；二氧化碳气体保护焊和手弧焊用于全位置焊接。
一般选用抗拉强度等级比母材相同或稍高的焊接材料。埋弧自动焊焊剂和焊丝及二氧化碳气体保护焊焊丝的试样制取和试验方法按国家标准GB12470-90及GB／T8110-95执行。
2．2制作工艺流程
（1）放样
    放样时应预留焊接收缩量，先做不同厚度钢板各类焊缝的工艺试验，确定收缩量。本次预留原则是：每道焊缝每米预留1mm焊接收缩量。
    翼板的上下缘为曲线，下缘曲线是抛物线与预拱曲线的叠加，上缘曲线是预拱曲线。以折线法绘制曲线样线，折线的节点间距不应大于腹板竖向加劲肋的间距。
（2）切割
钢板厚度小于是12mm（含12mm）时，用剪板机剪切；厚度大于12mm时用自动或半自动切割机切割；切割腹板上下缘曲线时，将切割机轨道预制成相应曲线形状，以确保切割尺寸。
（3）矫正和弯曲
热矫温度应控制在600~800℃，矫正后钢板温度应缓慢冷却，降至室温以前不得钟击钢板或用水急冷。主要受力构件作弯曲时，环境温度不宜低于-5℃，内侧弯曲半径不小于15倍板厚，冷作弯曲后零件边缘不得产生裂纹。
（4）坡口加工
所有坡口的加工均用半自动切割机切割，坡口尺寸及允许偏差应符合规范要求。
（5）制孔
钢梁两端的连接螺栓孔应在试拼装后进行；所有螺栓孔均采用带钻套的模板配钻，模板孔距应符合设计要求；钻孔前应对各接头进行编号，按编号逐个检查接头处的间隙及偏差，并做好记录，钻孔时将间隙及偏差均分在两个制作段上。
（6）组装
钢箱的装配：
将预制好的底板置于相应区域的结点板上，通过适当的外加力使底板与结点板帖紧，并将结点板与底板焊牢。
在底板上放出腹板的位置，检查腹板的下缘曲线，必要时对下缘曲线进行修正，合格后按样线装配到底板上。
在底板和腹板上进行二次放样，确定各横隔板和加劲肋的位置，检查各零件的尺寸，合格后按样线进行装配。
（7）焊接及焊缝检验
焊接前对主要焊接工艺进行评定，并制定焊接工艺规程，焊接操作应严格按照焊接工艺规程进行操作。
超声波探伤：按国家标准《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》（GB11345-89）的规定执行。
射线探伤按国家标准《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》（GB3323-87）的规定执行。
（8）植钉
采用螺栓焊机（植钉机）进行植钉，植钉时每只焊钉的焊接部位均用一只陶瓷护环加以保护。植钉按《圆柱头焊钉》（GB10433-89）的规定执行。
（9）试拼装
钢箱梁以一榀钢箱（六个制作段）为单位在试拼装胎架上进行试拼，胎架支点跨度分布与桥梁实际跨度相同，接头处用临时墩支撑，与钢箱梁现场安装时状态相同。
2．3防腐涂装
（1）设计原则
本桥位于江苏省镇江地区，根据当地环境保护局的环境报告，桥梁钢结构的腐蚀应为较严重的工业大气腐蚀。涂装方案根据腐蚀特点进行设计，确保为桥梁钢结构能提供长期的防腐，保证桥梁的使用寿命。本方案按设计防腐15年进行设计。
（2）涂装方案
钢箱梁外表面
备注：锌加涂装采用刷涂方法，如果采用无气喷涂方法施工损耗系数是1.4，环氧云铁中层漆和丙烯酸聚氨酶面漆采用无气喷涂方法。
钢箱梁内表面
（3）涂装工艺流程
钢箱梁外表面
钢材切割→焊接组装成部件→喷砂除锈→焊缝预涂锌加→刷涂锌加→喷涂环氧云铁中层漆→喷涂第一道丙烯酸聚氨酶面漆装运大桥现场→焊接总装→电焊缝打磨处理→统喷第二道聚氨酶面漆→检查质量→修补→交验
钢箱梁内表面
钢材切割→焊接组装成部件→喷砂除锈→焊缝预涂锌加→刷涂锌加→喷涂第一道环氧面漆→装运大桥现场→焊接总装电焊缝打磨处理→统喷第二道环氧面漆→检查质量→修补→交验
2．4 验收
钢箱梁出厂时应提交下列资料：
（1）产品合格证；
（2）钢材和其它材料质量证明书或试验报告；
（3）施工图、拼装简图和设计变更文件；
（4）产品试样的试验报告；
（5）焊缝重大修补记录；
（6）工厂试拼装记录；
（7）构件发运和包装清单等。
2．5 运输
钢箱梁根据制作分段及吊装次序采用60吨平板挂车运至工地现场，为确保运输过程中不发生超过规范允许的变形，特采取以下措施：
（1）合理设置支点：前支点距前端0.1L，后支点距后端0.2L（L为制作段梁长）同时支点应尽量对准横隔板位置。
（2）在前后支点设立稳固的支撑架，限制钢箱梁在运输过程中前后左右滑移。
              方法
参数    空气喷涂    高压无气喷涂
喷漆压力MPa    0.3~0.4    8~12
喷嘴孔径mm    2.2~2.5    0.63
    稀释剂    锌加溶剂    锌加溶剂
稀释    %    5~7    3~10
              方法
参数    空气喷涂    高压无气喷涂
喷漆压力MPa    0.3~0.4    8~12
喷嘴孔径mm    2.2~2.5    0.63
    稀释剂    锌加溶剂    锌加溶剂
稀释    %    5~7    3~10
3  钢箱梁吊装及临时支撑墩
    本桥跨越沪宁高速公路，为减少对高速公路交通的影响，结合钢箱梁分段情况，决定采取双导梁安装方案。
3．1 钢箱梁吊装系统
（1）支撑墩及其基础
    支撑墩主要用于支撑纵向导梁，每个支撑墩用4根直径80cm厚10mm的钢板卷制的钢管桩组成，并通过型钢焊接成整体，以增加稳定性。支撑墩基础分两种：位于沪宁高速公路上以及两边跨的临时墩，采用钢筋砼扩大基础；位于沪宁高速公路路基边坡上的支撑墩采用打入桩基础。
（2）纵向承重导梁
纵向承重导梁是主要的受力构件，直接搁置在两侧支撑墩的顶部盖梁上，盖梁由安装在钢管柱顶部的工字钢组成，根据验算，纵向承重导梁采用不加强的双排单层装配
式公路钢桥钢桁架组拼而成。
（3）横梁
横梁由加强的三排单层贝雷钢桁架组拼，两端搁置在纵向导梁上，通过两台卷扬机牵引横梁在纵向导梁的轨道平车上沿纵向移动。
3．2钢箱梁的安装
钢箱梁安装总体方案采用双导梁吊装方案。为减少对沪宁高速公路交通的影响，从桥两端进行钢箱梁的吊装，即沪宁路中心线以北的钢箱梁由37号墩开始向前安装，钢箱梁经引桥由平板拖车运至36号、37号引桥的桥面上，将双导梁沿伸至36号、37号墩引桥上进行吊装；沪宁路中心线以南的钢箱梁运至39号、40号桥墩右侧，直接用双导梁起吊安装就位；沪宁路上面的8片钢箱梁安装时对交通产生影响，先安装沪宁路南幅上面的4片，车辆从北幅借道行驶，再安装北幅上面的4片，车辆从南幅借道行驶
具体安装见施工流程图4。 
图4

（1）临时墩
根据设计钢箱梁共分6段，需设置6组临时墩。临时墩的基础及其结构形式与钢箱梁吊装系统的支撑墩形式相同。
（2）吊装
在各临时墩上放出钢箱梁的中心线及各制作段接头位置并准确设置临时支座的高度，注意在38#、39#墩墩顶利用砂筒设置梁体向下10cm的强迫位移的预留量。用双导梁将钢箱梁起吊后，平板拖车开出施工现场，继续起吊钢箱梁主梁底稍高于临时墩帽顶时，停止提升，横移钢箱梁至桥孔就位于已安装好的永久支座及临时支座砂筒上。
（3）拼装
    钢箱梁就位后，各制作段采用高强螺栓连接成整体结构。为更好地进行各制作段的栓接工作，应准备好5~6只液压千斤顶对制作段进行调整。根据设计高强螺栓M22的紧固力为19KN，M24的紧固力为22.5KN，每道栓接缝应经过严格的检验，合格后方可进行下道工序的施工。
4 钢箱梁桥面板施工
混凝土桥面板通过剪力钉与钢箱梁形成组合结构，起着共同受力的作用，施工时必需高度重视。
（1）模板制立
模板分两种，一种为预制混凝土模板，用于钢箱梁箱室顶部，作为结构的一部分不拆除；另一种采用竹胶板，用于钢箱梁悬臂部分，作为现浇混凝土模板予以拆除。
（2）钢筋绑扎、预埋件安装
模板安装结束后，绑扎桥面板钢筋，安装波纹管、锚垫板及其它预埋件，钢绞线按要求穿入管道内，并设置P型固定锚。
（3）混凝土浇筑
混凝土桥面板设计为50#钢纤维混凝土，厚度为41cm，每幅分五次对称浇筑，采用插入式振动器和平板式振动器相结合的方式进行振捣。
（4）张拉、压浆
桥面板混凝土达到了100%设计强度后，按施工流程分批拆除施工模板，张拉预应力钢束，先对称交错张拉短束，再对称张拉长束，张拉时按设计和规范要求进行，采用引伸量和张拉力双控。压浆在张拉结束后尽快进行，压浆后用桥面板同标号的混凝土封锚。
5 临时墩拆除程序与方法
（1）拆除临时墩须遵循先支后拆、后支先拆的顺序，分几个循环卸完，卸落量开始宜小，以后逐渐增大。纵向应对称卸落，横向应同步卸落。
（2）本桥中孔跨径相对较大，边孔跨径相对较小，遵循先两边孔后中孔对称拆除的原则。由于边孔只有一个临时墩，只须横向同步拆除卸落设备。中孔有三组临时墩，由跨中向支座方向对称循环卸落。
（3）所有临时墩支点砂筒移去后，对半幅桥38#、39#两墩墩顶砂筒完成向下10cm的强迫位移，两墩须同步均匀一致，分4次降落到位，每次降落数不大于2.5cm。为精确控制每次向下2.5cm的位移量，可以采用8只千斤顶,每个砂筒处安一只，每个千斤顶的顶面与箱梁底面的空隙为2.5cm，当箱梁底落至千斤顶顶部时，停止砂筒的降落。
（4）待10cm强迫位移完成后，对临时墩支点处梁底标高进行测量，并与设计标高进行核对。
（5）卸落设备移去后，拆除各临时墩。
6 结语
钢—混凝土组合梁，与非组合梁结构相比，不仅节约钢材，降低造价，可极大地降低了上部结构的建筑高度，局部受压稳定性能良好，还能提高结构的承载能力，降低冲击影响，改善抗震与抗疲劳性能。
钢箱梁底板设计采用较厚的板材（30mm厚16Mn钢），容易在接头部位发生层壮撕裂，从整体受力上看，可适当加宽底板，采用较薄的钢板，方便焊接加工，增加结构耐久性。
两箱梁间用箱型横梁联结，不论从受力上还是从安装上都不如型钢可靠，从安全上考虑建议采用型钢构成格子架代替箱型横梁。
从施工实际情况来看，横桥向四个支座及纵桥向两个中支点同时、等量、分级下降10cm不易控制，施工难度较大。虽从理论上来讲，中支点下沉对支点截面受力有利，但随着桥面板混凝土收缩徐变的发展，将使得厚设计中的此项“免费预应力”有所降低，造成结构受力不利，建议调整支点附近截面中性轴位置来改善支点截面顶、底板的应力。
剪力钉为组合梁的重要构件，验算结果虽能满足受力要求，应通过相关科研来验证其受力状况。
参考文献:
［2］江苏省交通规划设计院：润扬长江公路大桥南接线工程施工图设计,2003年 
［2］《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）
［3］《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）
［4］《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ021-85）
［5］《钢结构设计规范》（GBJ17-88）
［6］AASHTO美国规范(参考)