CN116607399A - 一种适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构及施工方法，涉及桥梁领域，包括：钢箱梁，沿桥梁纵向通长布置；混凝土梁，分布于桥梁的主墩顶负弯矩区，位于钢箱梁的下方并叠层结合；混凝土梁设有预埋件，预埋件于混凝土梁顶面固连钢箱梁底面，固连位置形成钢混结合面；针对目前预应力混凝土梁拉压异性、自重大、跨越能力不足，钢箱梁高腹板失稳、厚板焊接质量不易保证、造价较高、大节段吊装施工风险大的问题，在主墩顶负弯矩区采用上层钢箱梁和下层混凝土梁的叠层结合梁，其余梁段采用钢箱梁的结构体系，在满足受力需求的同时减小自重，提高结构整体刚度，增加跨越能力。

Description

一种适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构及施工方法

技术领域

本发明涉及桥梁领域，具体涉及一种适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构及施工方法。

背景技术

连续梁（刚构）桥主要承受弯剪作用，其弯矩及剪力分布规律明显。连续梁主跨跨中为正弯矩区，箱梁顶缘受压、底缘受拉；主墩顶区域为负弯矩区，箱梁顶缘受拉、底缘受压；为了减小梁体自重产生的弯矩值，大跨径连续梁（刚构）桥设计成变高度梁，跨中梁高一般取主跨跨径的~/>，主墩顶处梁高一般取主跨跨径的/>~/>，梁高变化采用折线形或抛物线形，其恒载弯矩值变化规律与梁高变化规律基本一致，跨中正弯矩较小，主墩顶负弯矩峰值大、范围广。

对于主跨小于150米的连续梁（刚构）桥主要采用预应力混凝土箱梁，行车平顺，采用悬臂浇注或悬臂拼装的工艺可以实现快速施工；其主梁截面整体性好，结构刚度大，抗扭能力强，造价低，具有很强的造价优势。然后，在大跨径预应力混凝土连续梁（刚构）桥运营过程中发现：预应力混凝土箱梁普遍存在梁体开裂，跨中下挠等问题，严重影响了桥梁耐久性，加上混凝土拉压异性，受拉强度远低于受压强度及混凝土自重大的限制，预应力混凝土连续梁（刚构）桥的跨越能力难以提升，限制了预应力混凝土连续梁桥在超过150米跨径桥梁中的应用。

钢箱梁具有高强、匀质、自重轻且跨越能力大、适用于工业化制造、施工速度快等优点，因此，对于主跨150~250米的连续梁（刚构）桥主要采用钢箱梁；但大跨径连续钢箱梁存在如下不足：钢箱梁用钢量大，建造成本高，经济性较差；钢箱梁为薄壁箱型结构，主梁刚度较小，活载作用下，挠度较大，影响行车舒适性；箱梁梁高较高，特别是主墩顶处钢箱梁存在高腹板稳定问题，腹板板厚及加劲肋尺寸通常为构造控制，实际应力较小，造成钢板利用率低下，增加造价；钢结构整段悬臂吊装对转运及吊装设备要求都很高，并且施工场地往往不具备大节段运输的条件，吊装风险极大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构及施工方法，在主墩顶负弯矩区采用上层钢箱梁和下层混凝土梁的叠层结合梁，其余梁段采用钢箱梁的结构体系，在满足受力需求的同时减小自重，提高整体结构刚度，增加结构跨越能力。

本发明的第一目的是提供一种适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构，采用以下方案：

包括：

钢箱梁，位于上方，沿桥梁纵向通长布置；

混凝土梁，布置于桥梁的主墩顶负弯矩区，位于钢箱梁的下方并叠层结合；

混凝土梁设有预埋件，预埋件于混凝土梁顶面固连钢箱梁底面，固连位置形成钢混结合面。

进一步的，所述混凝土梁采用变高度截面梁，沿桥梁纵向上，混凝土梁的梁高采用直线型、折线型或曲线型变化。

进一步的，所述混凝土梁与主桥墩之间固结或设置支座，钢箱梁与过渡墩之间设置支座。

进一步的，所述预埋件包括预埋钢板和剪力连接件，预埋钢板位于混凝土梁顶缘，并与钢箱梁的腹板焊接形成整体，剪力连接件埋设在混凝土梁内，预埋钢板作为剪力连接件的上翼缘。

进一步的，所述钢箱梁包括钢箱梁顶板、钢箱梁底板、钢箱梁腹板和钢箱梁横隔板，钢箱梁腹板、钢箱梁顶板和钢箱梁底板共同组成箱型结构，钢箱梁横隔板位于箱型结构内。

进一步的，所述混凝土梁内设有混凝土梁横隔板，混凝土梁横隔板与钢箱梁横隔板对应设置。

进一步的，所述钢箱梁顶板、钢箱梁底板、钢箱梁腹板和钢箱梁横隔板设置有对应的加劲板。

本发明的第二目的是提供一种如第一目的所述的适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构的施工方法，包括：

施工桥梁下部结构、临时支架、临时墩；

先于临时支架上架设混凝土梁，并张拉相应预应力；

后于混凝土梁上以主桥墩为中心向外对称悬拼或顶推架设钢箱梁，相邻钢箱梁节段之间对接，钢箱梁与其下方的混凝土梁叠层结合，形成叠合梁整体断面；

拼装其余钢箱梁节段。

进一步的，在叠合梁上安装桥面吊机，对非叠层结合区域的钢箱梁进行拼装。

进一步的，先边跨合拢，再中跨合拢，完成主梁施工；最后施工附属工程。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

（1）针对目前预应力混凝土梁拉压异性、自重大、跨越能力不足，钢箱梁高腹板失稳、厚板焊接质量不易保证、造价较高、大节段吊装施工风险大的问题，在主墩顶负弯矩区采用上层钢箱梁和下层混凝土梁的叠层结合梁，其余梁段采用钢箱梁的结构体系，在满足受力需求的同时减小自重，提高结构整体刚度，增加跨越能力。

（2）充分利用了钢箱梁受拉性能优异的特点，避免混凝土因受拉性能差而设置大量预应力束；充分发挥混凝土受压性能好的特点，避免钢板受压失稳问题。

（3）钢箱梁腹板高度明显减小，可避免高腹板失稳问题，腹板厚度可满足构造要求的同时满足受力需要，有效提高钢材的利用率，减少钢材用量；有效减小钢梁高度，全桥钢材用量显著减小，经济优势明显。

（4）等高截面型式极大的提高钢箱梁制造、运输及施工便利性，且其架设工艺可多种选择，如顶推施工、悬臂拼装施工、支架节段拼装施工等。

（5）混凝土梁刚度大，与钢箱梁叠合可有效减小总梁高，优化纵断面设计，减少下部结构及引桥规模。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1和2中适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构的示意图。

图2为本发明实施例1和2中主跨跨中钢箱梁截面的示意图。

图3为本发明实施例1和2中钢箱梁和混凝土梁叠合截面的示意图。

图4为本发明实施例1和2中钢箱梁与混凝土梁剪力连接件构造示意图。

图5为本发明实施例1和2中适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构的施工流程示意图。

其中，1.钢箱梁，11.钢箱梁顶板，12.钢箱梁底板，13.钢箱梁腹板，14.钢箱梁横隔板，2.混凝土梁，21.混凝土主梁，22混凝土梁横隔板，23.预埋钢板，24剪力连接件，3.结合面，4.主桥墩，5.过渡墩，6.临时支架，7.临时墩。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1-图5所示，给出一种适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构。

目前的预应力混凝土箱梁存在拉压异性、自重大、跨越能力不足，钢箱梁1高腹板失稳、厚板焊接质量不易保证、大节段吊装施工风险大等问题。

基于此，本实施例在主墩顶负弯矩区采用上层钢箱梁1和下层混凝土梁2的叠层结合梁，其余梁段采用钢箱梁1的结构体系，在满足受力需求的同时减小自重，提高主墩顶处的稳定性，增加跨越能力。

下面，结合附图对适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构进行详细说明。

参见图1，适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构在主墩顶负弯矩区采用钢箱梁1和混凝土梁2进行叠层结合，其余梁段采用钢箱梁1，钢箱梁1位于上层、混凝土梁2位于下层，钢箱梁1可以采用等高梁或小幅度变高梁，单箱单室或单箱多室截面形式，主要承受跨中正弯矩区拉压应力、主墩顶负弯矩区拉应力；混凝土梁2采用变高度截面梁，梁高可以采用直线型、折线型或曲线型变化，混凝土梁2主要承受负弯矩区压应力。

对于钢箱梁1，主跨钢箱梁1采用正交异性钢桥面板以减小主梁内力，边跨钢箱梁1可以采用正交异性钢桥面结合配重或采用混凝土桥面，以优化主梁内力分布，减小主跨弯矩。

位于钢箱梁1下的混凝土梁2与上层钢箱梁1钢箱梁底板12等宽，钢箱梁1采用大悬臂箱型截面以减小钢箱梁底板12宽度，从而减小上层用钢量及混凝土土方量；钢混叠合范围钢箱梁1钢箱梁底板12受力较小，可以减小钢箱梁1的钢箱梁底板12厚度，或采用框架式、桁架平纵联式，也可以取消该区域钢箱梁1的钢箱梁底板12。

如图3所示，钢箱梁1设置于混凝土梁2之上，通过钢混结合面3使钢箱梁1和混凝土梁2结合成整体，主桥墩4与混凝土梁2之间固结或设置支座，过渡墩5与钢箱梁1之间设置支座，实现连续梁桥或连续刚构桥桥型。

结合图2和图3，钢箱梁1由钢箱梁顶板11、钢箱梁底板12、钢箱梁腹板13和钢箱梁横隔板14组成，钢箱梁顶板11和钢箱梁底板12间隔布置，钢箱梁顶板11和钢箱梁底板12之间通过钢箱梁腹板13连接，钢箱梁腹板13、钢箱梁顶板11和钢箱梁底板12共同组成箱型结构，在箱型结构内还设置有钢箱梁横隔板14，钢箱梁横隔板14一端连接于钢箱梁顶板11，另一端连接于钢箱梁底板12和钢箱梁腹板13连接处。钢箱梁顶板11、钢箱梁底板12、钢箱梁腹板13和钢箱梁横隔板14上可以设置对应的加劲板，提高其强度增加稳定性。

钢箱梁横隔板14可以采用实腹式、框架式或桁架式；在钢箱梁顶板11延伸出钢箱梁腹板13外的悬臂较大时，如图2所示，可以设置钢梁斜撑，钢梁斜撑位于箱型结构外，一端连接钢箱梁底板12和钢箱梁腹板13的连接位置，另一端连接于钢箱梁顶板11的悬臂端部，对钢箱梁顶板11的悬臂进行加强。

主墩顶负弯矩区上层受拉区采用高强度钢箱梁1，充分利用了钢箱梁1受拉性能优异的特点，避免混凝土因受拉性能差而设置大量预应力束；钢箱梁1腹板高度明显减小，可避免高腹板失稳问题，腹板厚度可满足构造要求的同时满足受力需要，有效提高钢材的利用率，减少钢材用量；钢箱梁1底板位于叠合梁中性轴附近，受力小，避免底板承受高应力以及底板在压应力状态下的失稳问题，从而极大减少底板厚度，并提高结构可靠性；有效减小钢箱梁1高度，全桥钢材用量显著减小，经济优势明显；等高截面型式极大的提高钢箱梁1制造、运输及施工便利性，且其架设工艺可多种选择，如顶推施工、悬臂拼装施工、支架节段拼装施工等。

对于混凝土梁2，其梁高低于叠合梁中性轴，顺桥向设置范围在负弯矩区范围内，或混凝土梁2部分进入拉应力区，采用预应力体系确保混凝土梁2处于受压状态。可选的，混凝土梁2采用带顶板的箱型截面或不带顶板的槽型截面；混凝土梁2材质可以选择高性能混凝土或超高性能混凝土；混凝土梁2可以采用支架现浇施工、挂篮悬臂浇注施工及节段预制拼装施工等。

区别于现有技术里上层混凝土桥面板和下层钢梁的常规钢混组合梁，本实施例中适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构的上层为钢箱梁1，下层为混凝土梁2，并且，钢混连接方式也与常规钢混组合梁存在较大差异。本实施例中钢混结合面3位于钢箱梁1的下方，施工作业空间受限，钢混结合面3采用现浇混凝土与钢箱梁1相连接的工艺适应性较差，因此，在本实施例中，混凝土梁2设有预埋件，预埋件于混凝土梁2顶面固连钢箱梁1底面，固连位置形成钢混结合面3，预埋件包括剪力连接件24和预埋钢板23，通过剪力连接件24和预埋钢板23建立钢箱梁1和混凝土梁2的连接。

如图4所示，混凝土梁2顶缘设有预埋钢板23，预埋钢板23与钢箱梁1底缘的钢板现场焊接形成整体。

在混凝土梁2内预埋有剪力连接件24，预埋钢板23同时作为剪力连接件24的上翼缘，预埋钢板23与剪力连接件24焊接成整体。剪力连接件24采用的类型可以根据需求进行选择，比如双开孔钢板、栓钉、角钢、单开孔钢板结合栓钉、槽钢等类型。

如图3所示，混凝土梁2由混凝土主梁21及混凝土梁横隔板22组成，其中混凝土梁横隔板22与钢箱梁横隔板14对应设置。预埋钢板23可以与钢箱梁1的钢箱梁腹板13相连接，现场熔透焊形成钢混结合面3。

主墩顶负弯矩区下层受压区采用变高的混凝土梁2：充分发挥混凝土受压性能好的特点，避免钢板受压失稳问题；混凝土梁2刚度大，与钢箱梁1叠合可有效减小总梁高，优化纵断面设计，减少下部结构及引桥规模；混凝土梁2高及体量较小，其施工工艺有多种选择，如支架现浇施工、挂篮悬臂浇筑施工及节段预制拼装施工等。

在恒载及可变恒载组合作用下，主跨跨中钢梁承受正弯矩，与同等跨径连续钢箱梁1结构相比，采用本实施例中的适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构能够有效降低跨中弯矩值20%-40%，从而增大主跨跨越能力。

主墩顶附近上层钢箱梁1位于负弯矩受拉区，钢箱梁1受拉应力优势明显；混凝土梁2位于负弯矩受压区，充分发挥混凝土抗压优势；理论上可使连续梁（刚构）主跨跨径突破400米，混凝土梁2抗弯刚度大，与同等跨径连续钢梁结构相比，钢混叠合截面梁高可降低15%-30%，可有效减小工程规模。

实施例2

本发明的另一典型实施方式中，如图1-图5所示，给出一种适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构的施工方法。

包括：

施工桥梁下部结构、临时支架6、临时墩7；

先于临时支架6上架设混凝土梁2，并张拉相应预应力；

后于混凝土梁2上以主桥墩为中心向外对称悬拼或顶推架设钢箱梁1，相邻钢箱梁1节段之间对接，钢箱梁1与其下方的混凝土梁2叠层结合，形成叠合梁整体断面；

拼装其余钢箱梁1节段。

具体的，结合图1-图5和实施例1，适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构的施工方法具体包括：

S1：施工桥梁下部结构、临时支架6、临时墩7；

S2：中墩支架上架设混凝土梁2，并张拉相应预应力；

S3：混凝土梁2上由支点向外对称安装钢箱梁1，钢箱梁1节段之间对接熔透焊，钢箱梁1下伸腹板与混凝土梁2预埋翼缘钢板T型熔透焊，形成叠合梁整体断面；

S4：叠合梁上安装桥面吊机，准备其余段钢梁的悬臂拼装施工；

S5：通过龙门吊提梁至已安装桥面上，通过桥面吊机进行钢箱梁1悬臂施工，钢梁挠度及应力较大时通过临时墩7调节；

S6：先边跨合拢，再中跨合拢，完成主梁施工；

S7：施工附属工程，完成大跨径梁桥的叠层结合梁结构的施工。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构，其特征在于，包括：

钢箱梁，位于上方，沿桥梁纵向通长布置；

混凝土梁，布置于桥梁的主墩顶负弯矩区，位于钢箱梁的下方并叠层结合；

混凝土梁设有预埋件，预埋件于混凝土梁顶面固连钢箱梁底面，固连位置形成钢混结合面。

2.如权利要求1所述的适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构，其特征在于，所述混凝土梁采用变高度截面梁，沿桥梁纵向上，混凝土梁的梁高采用直线型、折线型或曲线型变化。

3.如权利要求2所述的适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构，其特征在于，所述混凝土梁与主桥墩之间固结或设置支座，钢箱梁与过渡墩之间设置支座。

4.如权利要求1所述的适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构，其特征在于，所述预埋件包括预埋钢板和剪力连接件，预埋钢板位于混凝土梁顶缘，并与钢箱梁的腹板焊接形成整体，剪力连接件埋设在混凝土梁内，预埋钢板作为剪力连接件的上翼缘。

5.如权利要求1所述的适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构，其特征在于，所述钢箱梁包括钢箱梁顶板、钢箱梁底板、钢箱梁腹板和钢箱梁横隔板，钢箱梁腹板、钢箱梁顶板和钢箱梁底板共同组成箱型结构，钢箱梁横隔板位于箱型结构内。

6.如权利要求5所述的适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构，其特征在于，所述混凝土梁内设有混凝土梁横隔板，混凝土梁横隔板与钢箱梁横隔板对应设置。

7.如权利要求5所述的适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构，其特征在于，所述钢箱梁顶板、钢箱梁底板、钢箱梁腹板和钢箱梁横隔板设置有对应的加劲板。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构的施工方法，其特征在于，包括：

施工桥梁下部结构、临时支架、临时墩；

先于临时支架上架设混凝土梁，并张拉相应预应力；

后于混凝土梁上以主桥墩为中心向外对称悬拼或顶推架设钢箱梁，相邻钢箱梁节段之间对接，钢箱梁与其下方的混凝土梁叠层结合，形成叠合梁整体断面；

拼装其余钢箱梁节段。

9.如权利要求8所述的适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构的施工方法，其特征在于，在叠合梁上安装桥面吊机，对非叠层结合区域的钢箱梁进行拼装。

10.如权利要求9所述的适用于大跨径梁桥的叠层结合梁结构的施工方法，其特征在于，先边跨合拢，再中跨合拢，完成主梁施工；最后施工附属工程。