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【技術(shù)先行】德國(guó)鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)與施工

來源:http://csbdjy.com日期:2020-04-08 發(fā)布人:admin

  摘要:簡(jiǎn)述鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁和德國(guó)路橋的發(fā)展與現(xiàn)狀,介紹了鋼-混組合橋梁的分類、施工方案;詳細(xì)介紹了德國(guó)有代表性的4座鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)施工方案,提出應(yīng)推廣應(yīng)用組合結(jié)構(gòu)橋梁。
  關(guān)鍵詞:德國(guó);組合結(jié)構(gòu);鋼-混組合梁;設(shè)計(jì);施工
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  金屬結(jié)構(gòu)橋梁的關(guān)鍵是橋面系。1900年開始采用鋼筋混凝土橋面板,1926年johnson在鋼梁上外包混凝土?xí)r嵌入剪力連接件,從而標(biāo)志著鋼-混組合橋梁的誕生。二次世界大戰(zhàn)以后,歐洲急需恢復(fù)戰(zhàn)爭(zhēng)破壞的房屋和橋梁,由于鋼材短缺大量采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)。鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁由于結(jié)構(gòu)高度小、自重輕、承載力高、剛度大、施工便捷、綜合效益好等顯著優(yōu)點(diǎn),自20世紀(jì)50年代之后得到了迅速發(fā)展,逐漸成為與鋼橋、混凝土橋并列的3大橋梁類型之一。近年來除常用的組合板梁橋和組合箱梁橋之外,相繼研發(fā)了波形鋼腹板組合梁橋、組合桁梁橋、組合剛構(gòu)橋等一系列新的結(jié)構(gòu)形式,拓寬了組合橋的應(yīng)用領(lǐng)域。
  德國(guó)國(guó)土面積35.69萬km2,1931-1942年建成世界上條高速公路(波恩科?。?。到1998年底已建成11427km高速公路、41387km聯(lián)邦公路;這些遠(yuǎn)程公路(高速公路+聯(lián)邦公路)上共有35272座橋梁、總長(zhǎng)1329km。這些橋梁中,鋼筋混凝土橋梁占53.8%,預(yù)應(yīng)力混凝土橋占37.8%;鋼橋占6.1%、鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁占2.3%(811座)。這些鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁主要是梁式橋,以及一些跨河、跨路的拱橋(采用組合梁橋面系)。2012年底,德國(guó)高速公路總長(zhǎng)12845km(其中六車道及以上高速公路長(zhǎng)3109km),聯(lián)邦公路長(zhǎng)39700km;高速公路總里程居世界前列。1998-2012年德國(guó)遠(yuǎn)程公路上的橋梁工程見表1。
 ?。ǎ保┯糜诳绺咚俟?、城市干道。
 ?。ǎ玻┯糜谏絽^(qū)跨越深谷的公路。
 ?。ǎ常┛缭捷^大河流。
  (4)舊橋改造、拓寬等。
 ?。病′摚旖M合結(jié)構(gòu)橋梁的分類及施工方案
 ?。玻薄′摚旖M合結(jié)構(gòu)橋梁的分類
  鋼-混組合結(jié)構(gòu)按受力體系可分為梁式、拱式、斜拉橋和懸索橋4大類。除梁橋外,組合結(jié)構(gòu)還廣泛應(yīng)用于斜拉橋、拱橋與懸索橋等橋型中,如鋼管混凝土拱橋。
  (1)組合梁橋
  鋼-混組合梁是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型組合梁結(jié)構(gòu),通常由上部鋼筋混凝土板(或預(yù)應(yīng)力混凝土板)和下部的鋼梁組成,混凝土板和鋼梁之間通過剪力連接件進(jìn)行連接。梁式體系橋按照主梁橫截面構(gòu)造形式的不同,又可分為:鋼板梁橋(圖1)、鋼箱梁橋、鋼桁梁橋、鋼桁腹桿組合梁橋、波形鋼腹板箱梁橋等。
  圖1 A24高速公路漢堡東的跨線橋
 ?。ǎ玻┬崩瓨?、拱橋
  目前世界上已建成的采用組合結(jié)構(gòu)的橋梁有:上海楊浦大橋、蕪湖長(zhǎng)江大橋、南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、廣東佛山東平橋、四川波司登鋼管混凝土拱橋、德國(guó)德米茨(Doemitz)易北河橋(圖2)等,主要是用于橋面系結(jié)構(gòu)。
  圖2 德米茨易北河橋
 ?。玻病〗M合結(jié)構(gòu)橋梁的施工
  組合結(jié)構(gòu)橋梁主要包括以下施工步驟:分段制造、運(yùn)輸(車運(yùn)或船運(yùn))鋼結(jié)構(gòu);橋頭組拼成大節(jié)段;架設(shè)鋼梁;澆筑梁板混凝土;施工橋面系。
 ?。玻玻薄〖茉O(shè)鋼梁
 ?。ǎ保┢鹬剀嚮螨堥T吊吊裝德國(guó)科隆~多特蒙德的A1高速公路上的底樸曼(Diepmann)河谷橋(圖3):鋼梁體采用變截面槽形梁,汽車運(yùn)輸、吊車吊裝。
  圖3 底樸曼河谷橋
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  這是等截面梁橋常采用的施工方案,包含上承式拱橋上的行車道系。如德國(guó)A14 高速公路上的Schrote跨谷橋(圖4)主跨68m,每延米鋼箱梁自重僅3.4t。
  圖4 Schrote跨谷橋
 ?。ǎ常┐\(yùn)+同步提升
  當(dāng)橋跨徑較大、河面較寬時(shí),通常采用變截面鋼箱梁,當(dāng)河流中不能設(shè)輔助墩時(shí),可采用船運(yùn)+提升方案。如位于德國(guó)北威州明登附近的B61號(hào)聯(lián)邦公路上坡塔-威斯特法利卡(Porta Westflica?。┩ず訕颍▓D5),主跨120m。
  圖5 Porte Westflica威悉河橋
  (4)頂推+浮運(yùn)等
  如德米茨(Doemitz)易北河橋,前端用駁船托住、后端頂推就位。
 ?。玻玻病仓炷?/div>
 ?。ǎ保┰阡摿荷戏胖没炷令A(yù)制板作底模,澆筑橋面混凝土。
  德國(guó)柏林-德累斯頓的A13高速公路L55跨線橋:鋼梁體采用6根等高度工字鋼梁,在梁格上鋪設(shè)8cm厚預(yù)制板,在板上澆筑20cm厚的B45混凝土(即C45)形成行車道板。
 ?。ǎ玻┰阡摿荷嫌靡苿?dòng)模架澆筑混凝土。如底樸曼(Diepmann)河谷橋。
 ?。ǎ常┮凿摿簽橹渭埽瑧覓斓啄?,然后綁扎鋼筋、澆筑混凝土等。
 ?。场〗M合結(jié)構(gòu)橋梁在德國(guó)的應(yīng)用實(shí)例
 ?。常薄〉冉孛娼M合梁橋———瓦瑟堡(Wasserburg)因河橋
  該橋位于慕尼黑東邊約40km的瓦瑟堡,在慕尼黑~奧地利薩爾茨堡的B304聯(lián)邦公路上,跨越多瑙河的支流因河(Inn)。由于20世紀(jì)80年代的日交通量已達(dá)到18000輛/d,為保護(hù)瓦瑟堡舊城、減輕老城區(qū)交通壓力而改建。地勘表明橋址河底有幾米厚的淤泥,下臥軟弱砂層,因此要求橋梁上部采用輕盈的鋼-混組合梁。該橋跨徑布置為83+2×104.5+83=375m,橋面寬14.25m,兩車道,加上2.25m寬的非機(jī)動(dòng)車道,橋面橫坡3.5%。
  箱梁等高度4.2m(含橋面板混凝土層),為雙向(頂面、底面)組合梁。鋼梁為開口箱斷面,梁底面水平,底寬4.5m、上口寬5.5m。鋼梁每隔3.73m設(shè)置一道剪刀撐。由于中墩承受負(fù)彎矩而下緣受壓,因此在中墩兩邊共40.76m 范圍內(nèi)的箱梁內(nèi)底面上澆筑了鋼筋混凝土,并與鋼梁底板結(jié)合。下緣受壓區(qū)混凝土在中墩附近等厚度為65cm,在兩端16.65m 范圍內(nèi)從65cm漸變到20cm厚。在3個(gè)中墩上的底板
  混凝土加厚到2m,形成橫隔梁。車道板混凝土材料為B45(即C45),并施加橫向預(yù)應(yīng)力。
  橋墩高29.5m,八角形斷面,墩身材料為B35混凝土。墩身縱向等厚度、橫向變寬,與箱梁的斜腹板相一致,顯得橋梁整個(gè)上下部更加協(xié)調(diào)、輕盈。
  箱梁在工廠組拼成15m 長(zhǎng)的節(jié)段,用重型運(yùn)梁車運(yùn)橋位,在橋臺(tái)后拼裝成75m長(zhǎng)的大節(jié)段。在4跨橋內(nèi)設(shè)置了4個(gè)輔助墩,用頂推工藝將鋼梁頂推就位后,澆筑中墩附近的底板混凝土;用整體模架按15或25m長(zhǎng)分段澆筑橋面板混凝土。在施工過程中采用了支座頂升工藝,以克服中墩支點(diǎn)處的拉應(yīng)力。
  鋼-混組合梁的鋼箱梁材料采用St52-3(相當(dāng)于的Q345),共用型鋼800t,混凝土2?。叮常埃恚?,鋼筋、鋼絞線213t。該橋于1984年開工,1987年建成。
  3.2 變截面組合梁橋———底樸曼(Diepmann)河谷橋
  該橋位于德國(guó)北威州雷姆沙伊德(Remscheid)附近,在科隆~多特蒙德的A1高速公路上。原橋型為12孔25m跨徑的拱橋,橋高32m,橋面寬21.8m,四車道;始建于1938年,由于二次世界大戰(zhàn)中斷,1954年續(xù)建。到20世紀(jì)80年代,由于日交通量(汽車)達(dá)到70?。埃埃拜v/d,原橋需要由四車道擴(kuò)寬到六車道。設(shè)計(jì)公司更終選用如下的加寬方案:
 ?。ǎ保┎捎帽容^輕薄的鋼-混組合梁。
  (2)對(duì)應(yīng)原2孔舊橋,設(shè)1孔新橋。
 ?。ǎ常┬聵虮扰f橋抬高2m、平面距離4m,以遮蔽舊橋。
 ?。ǎ矗蚨沼锰烊皇蔫偯妫蛊渫庥^與舊橋協(xié)調(diào)。
  新建加寬橋的橋跨布置為6×48.77m,總長(zhǎng)292.6m,18.75m 寬,三車道。新橋的鋼箱梁材料采用St52-3,以及Rst37-2(相當(dāng)于的Q235)。鋼梁體采用變截面槽形梁形成雙縱肋,肋寬2.25m、變高度,分段制造、汽車運(yùn)輸、吊車吊裝。車道板用B45混凝土,板厚45cm;組合梁總高1.75~3.5m。
  該橋組合梁共用型鋼1 110t、混凝土2?。埃福担恚?、鋼筋532t。新橋于1992年開工,1995年建成。
 ?。常场∠鲁惺浇M合拱橋———德米茨(Doemitz)易北河橋
  德米茨易北河橋位于德國(guó)梅克倫堡州,在漢堡港上游約85km處,與下薩克森州隔河相望,是兩岸城鄉(xiāng)居民的重要聯(lián)系通道。原橋建于1936年,毀于二次世界大戰(zhàn)。新橋處于B191聯(lián)邦公路(Uelzen—Lud-wigslust)上,在原址重建,原引橋橋墩裝飾后來被利用。兩岸引橋采用鋼-混組合梁,跨河主橋采用鋼拱橋+混凝土橋面板的組合結(jié)構(gòu)。由于河道中的舊橋墩費(fèi)用較高,經(jīng)比較后將河中主墩向?qū)Π兑苿?dòng)25m,錯(cuò)開舊橋基礎(chǔ),這樣主跨就加大到178m。
  主橋更終采用下承式雙肋拱橋方案:拱橋計(jì)算跨徑178m,橋面寬15.35m;矢高約27m,矢跨比為1/6.6,拱肋內(nèi)傾11°。拱肋和橫系梁都是箱形截面,端橫梁約20m長(zhǎng);型鋼材質(zhì)均為St52-3。鋼吊桿為圓形,直徑120mm。為使吊桿與拱肋結(jié)合處更好傳力,在結(jié)合處焊接上加勁肋。
  組合梁橋面板厚32cm,材料為B45混凝土,全橋長(zhǎng)180m不設(shè)斷縫。
  鋼拱橋的部件在工廠制造后,車運(yùn)東岸橋頭鋼梁拼裝場(chǎng),焊接成整體。為了便于組拼,并確保頂推和浮運(yùn)過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,臨時(shí)增加了一些風(fēng)撐、拉桿等輔助構(gòu)件。頂推時(shí)在鋼拱橋前端的主河道上布置4個(gè)平板浮船,用來支撐剛拱橋的前支點(diǎn)。鋼拱橋就位后,全跨178m的橋面板混凝土分成6段,采用從跨中向兩端對(duì)稱澆筑的方式澆完。
  主橋(跨河橋)共用St52-3型鋼1?。福保埃?,混凝土950m3,鋼筋181.7t。該橋1991年開工,1992年建成。
 ?。常础∩铣惺浇M合拱橋———維爾德格拉(Wilde Gera)峽谷橋
  該橋位于德國(guó)圖林根州西南部森林地區(qū),在新建的A71高速公路(愛爾福特-施韋因富特)上,跨越Wilde Gera峽谷,橋面比地面高約110m。該橋平面位于R=7?。福埃埃韴A曲線、縱面位于i=2.56%的單向坡上,全長(zhǎng)552m、橋面梁寬26.5m(不含欄桿座寬),橋面面積14 628m2。主橋?yàn)榭鐝剑玻担玻淼匿摻罨炷料湫喂皹颉⒔M合梁橋面系,矢跨比1/3.75。
  主拱圈為箱形斷面,寬10.3m、高度從拱頂3.3m漸變到拱腳處5.5m;單箱雙室截面,壁厚0.3~0.4m。橋墩為矩形空心墩:拱座上3#、9#墩身截面尺寸3.5m×9m、其余引橋墩身為2.5m×9m,壁厚均為0.4m。為減輕拱上結(jié)構(gòu)的恒載,橋面行車道采用鋼-混組合梁。橋軸線處梁高3.74m(其中鋼梁高3.29m、混凝土橋面厚0.45m)。由于橋面板橫向懸臂達(dá)8.1m,組合梁每隔7m設(shè)置了一道斜撐桿。正是由于采用了輕型的拱上構(gòu)造,拱上的行車道梁跨徑才能做到42m。全橋橋面系共用型鋼2 500t、混凝土5000m3、鋼筋850t;折算每橋面系用型鋼170.9kg、混凝土0.34m3、鋼筋58kg,自重1 120kg/m2。
  該橋的混凝土主拱圈采用斜拉扣掛、懸臂分段澆筑法施工,半跨拱圈共分為24個(gè)澆筑段、每段長(zhǎng)6~7m。在14#橋臺(tái)后分段組拼拱上行車道系的鋼梁,用
  頂推施工工藝架設(shè)就位。
  該橋于2001年建成,橋梁與周邊森林環(huán)境協(xié)調(diào)一致。2006年維爾德格拉峽谷橋以其大跨徑、技術(shù)創(chuàng)新、造型優(yōu)美而獲得德國(guó)第16屆橋梁工程大獎(jiǎng)。
 ?。础〗Y(jié)語
  目前歐美等國(guó)跨徑在15m以下的小跨度橋梁多采用鋼筋混凝土梁橋,15~25m跨徑則用預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋,25~60m 跨徑往往采用鋼-混組合梁橋,更大跨徑橋梁則多采用鋼梁。既是橋梁大國(guó),又是鋼鐵大國(guó),應(yīng)適時(shí)發(fā)展的鋼結(jié)構(gòu)橋梁(含組合結(jié)構(gòu)),改變混凝土橋梁占多數(shù)的現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。