組合梁橋

指以梁式橋跨作為基本結構的組合結構橋，既兩種以上體系重疊後，整體結構的反力性質仍與以受彎作用負載的梁的特點相同。這類橋的特點主要表現在設計計算工作繁重，構造細節及內力複雜。採用群釘預製板連續組合梁橋可大幅降低由混凝土收縮徐變效應引起的結構次內力和混凝土拉應力；採用預應力預先導入預製混凝土板的方式可在負彎矩區混凝土板內建立較大壓應力準備，大幅提高負彎矩區混凝土防開裂能力。

基本介紹

• 中文名：組合梁橋
• 外文名：composite beam bridge
• 讀音：zhu he liang qiao
• 所屬類別：交通
• 定義：以組合梁作為基本結構的橋
• 特點：設計工作繁重，構造及內力複雜

組合梁橋施工關鍵技術

1 工程概況

港珠澳大橋淺水區非通航孔橋孔跨布置為5×85m+8×6×85m+6×85m+5×85m雙向6車道。橋樑下部結構基礎採用6根鋼管複合樁基礎₊埋置式承台，整體式布置。預製承台平面尺寸為15．6m×11．4m橫橋向×順橋向厚4．5m，四周倒圓角，採用C45混凝土，通過6個預留剪力槽採用 C45微膨脹鋼筋混凝土與樁基連線。墩身採用矩形空心墩，預製部分採用 C50混凝土，現澆濕接縫採用 _C50微膨脹混凝土。底節墩身和承台一起預製，墩身第一道濕接縫設定在高程+8m處，位於浪濺區以上。橋樑上部採用“開口鋼箱+C60混凝土橋面板”的組合結構，通過混凝土橋面板預留孔洞與鋼樑集束式剪力釘群進行組合。橋面總寬33．1m，分幅布置，兩幅主梁中心距16．8m，橋樑中心線處梁縫寬0．5m，單幅橋面寬16．30m，主梁中心處梁高4．3m，橋面橫坡2．5%。

施工區潮汐類型屬於不規則的半日潮混合潮型，呈往複流運動形式。潮差有由外海向珠江口內逐漸增大的趨勢。20年一遇極高潮位+2．97m，極低潮位－1．35m，屬於弱潮海灣。高潮時水深5．0_～7．0m，低潮時水深3．5～5．5m。海床面較平坦，高程一般在－3．0_～－6．2m。

2 總體施工方案

（1）為確保預製承台的預留孔與樁頂準確對接，要求複合樁插打軸線傾斜度偏差不大於1/250，樁頂中心水平偏差不大於50mm。利用“小天鵝” 號運架雙體船搭載整體導向架系統，通過船舶、導向架、調節器三次定位，實現複合樁基礎鋼管定位。

（2）承台+底節墩身鋼筋採用先模組化綁紮再組拼的技術施工，套用大剛度自動開合模板系統進行承台墩身整體一次性澆築。

（3）下部結構大體積海工混凝土預製構件採取超大保護層墊塊，浪濺區以下墩身外層採用不鏽鋼鋼筋、表面噴塗矽烷浸漬，承台側面安裝犧牲陽極保護等防護體系，以保障構件的120年設計壽命。

（4）利用整體安裝、可分塊拆卸式鎖口鋼套箱圍堰，封底、抽水、乾環境安裝承台+底節墩身，實現圍堰在62個墩位間重複周轉使用。

（5）承台+底節墩身選擇“小天鵝”號運架一體船運輸，利用複合樁基礎及樁頂三向調節裝置實現高精度安裝；墩身垂直度偏差不大於 H/3000，各截面中心位置與設計位置偏差不大於20mm。

（6）鋼樑在工廠加工成板單元後，船運至中山預製場進行整孔組拼、焊接、塗裝形成槽型結構；混凝土橋面板採取縱向分塊、橫向整幅預製；在組合台座上將槽型梁與預製橋面板進行結合形成組合梁。成品組合梁通過縱、橫滑道經碼頭滑移出海，由“天一號”運架一體船逐片進行吊裝，配切焊接連成整聯後，由中間向兩端逐墩頂、落梁，完成體系轉換。

3 橋樑下部結構施工關鍵技術

3．1 複合樁鋼管插打三次精確定位技術

在“小天鵝”號大型雙體船艙面甲板頂面設定專用滑道，安裝整體導向架。“小天鵝”號攜帶導向架行駛到墩位處進行拋錨初定位，誤差控制在±20cm內。套用海上RTK測量方法觀測並計算出導向架軸線上的平面測量控制點坐標，通過艙面甲板滑道進行導向架縱、橫移，實現二次定位，導向架平面位置誤差控制在±20mm內。導向架完成定位後，打設4根定位鋼管樁，通過定位樁樁頂提升裝置整體提升導向架脫離“小天鵝”號甲板50cm；調整導向架高程及水平度，將導向架固定在定位樁上，根據導向架控制點軸線與墩位理論的軸線差值，計算出橋墩各樁位理論的軸線位置，在導向裝置頂面放樣出各樁中心的縱、橫軸線；利用浮吊將複合樁鋼管穿入導向架孔位中，通過導向架上、下導向反覆調整鋼護筒平面位置及垂直度，使鋼管樁平面誤差精確至±5_mm內。

導向架由架體和上、下導向裝置組成。架體分為上、中、下3層，各層均由型鋼焊接而成；架體上、中2層4個角處設導向架套管，用於定位樁插打時導向；中層架體向外延伸出兩翼，可放置在“小天鵝”號甲板頂面的滑道樑上並滑動。架體上、下2層分別設定導向裝置，導向裝置由導環和液壓調節系統組成，與架體栓接；導環由鋼板焊接而成，液壓調節系統由4個液壓千斤頂及限位鋼結構組成。

3．2 承台+底節墩身整體預製快速施工技術

承台+底節墩身整體預製時，單個墩台鋼筋重約250t，澆築混凝土約900m，成品構件最大重量2350t，承台、墩身鋼筋在自動化鋼筋加工車間逐根製作，驗收合格後運輸至預製場內進行鋼筋綁紮。鋼筋綁紮分成承台4層底板鋼筋整體綁紮，承台剪力槽模板及剪力槽鋼筋整體綁紮，承台鋼筋組拼安裝，墩身鋼筋及內模整體綁紮等4個模組。承台鋼筋組拼安裝成整體後，通過橫移台車橫移至預製台座就位；利用墩身內模、勁性骨架、吊裝鋼筋作吊點，吊裝墩身鋼筋及內模綁紮模組，與承台鋼筋組成整體。完成承台+底節墩身鋼筋安裝後，外側模板合模，進行預製節段的整體澆築。預製區共設定承台+底節墩身預製台座2個，單個預製台座平均10d可以完成1個構件預製。

承台及底節墩身預製模板由底模、內模、外模及空間桁架、液壓系統、自走行機構等5個系統組成。底模在兩側滑道橫移台車移運位置處設定為活動模板；內模根據結構特點分層、分塊，採取散裝、散拆；外側模沿高度方向分為下部4．5m承台模板和上部12．9m墩身模板兩部分，承台側模採用“側包底”的方式與底模相連線，墩身外側模板採用不鏽鋼複合板，側模桁架分左右兩半，施工時採用 32mm精軋螺紋鋼連線成整體，模板由電機驅動，自行開合，操作方便。液壓系統由泵站動力系統、操作控制系統、液壓管道系統及液壓千斤頂系統組成。自走行機構由動力電機、主動輪及從動輪組成。

3．3 預製構件裂紋控制技術及防腐體系

承台及底節墩身整體預製節段屬於大體積海工混凝土結構，混凝土強度高，膠凝材料用量多，水化熱總量大，混凝土一次澆築方量大、澆築時間長。混凝土澆築過程中，嚴格控制入模溫度在5～28 ，當澆築至承台頂部時，根據實際情況停頓約2h，在承台頂面混凝土初凝前，繼續澆築墩身混凝土至標高。承台墩身交接位置處採用附著式平板振動器與插入式振動器振搗，以確保混凝土的密實性。混凝土初凝後，立即通冷卻水進行降溫，確保內外溫差小於25 ，混凝土的拉應力滿足要求，承台、墩身外露表面覆蓋土工布自動噴淋養護；模板拆除完畢後，在預製構件表面安裝塑膠布罩進行養護。

考慮海洋重腐蝕環境，採取的防腐措施包括：針對承台、墩身鋼筋淨保護層厚度分別為65mm、70mm，允許誤差為0～10mm的高要求，專門製作了2種帶凹槽、厚度不同的超大等強度混凝土保護層墊塊，每平方米布置不少於4個。墩身豎向主筋分2層布設，外側主筋在高程+8．0m以下採用32mm的不鏽鋼鋼筋，並採用不鏽鋼鋼筋連線器機械連線，接頭等級為 級；外側箍筋在高程+8．0m以下採用16mm的不鏽鋼鋼筋，並採用直徑1．2mm的柔軟鋼絲綁紮，其牌號與不鏽鋼鋼筋一致。混凝土構件外表面採用異丁基三乙氧基液體矽烷浸漬，矽烷噴塗2遍，2遍噴塗間隔不小於15min。承台側面安裝犧牲陽極法陰極保護系統，保障泥下區鋼管複合樁設計使用壽命。

3．4 埋置式預製承台安裝及精確定位技術

鋼管複合樁基礎施工完後，進行基坑開挖，做圍堰安裝準備。圍堰採用無內支撐結構的雙壁鋼套箱圍堰，壁倉厚0．75m，高23．2m，設計成可拆裝式結構，平面分為8塊，各分塊之間採用榫頭式鎖口與螺栓組合的連線方式連線。圍堰在工廠分塊加工，組拼成整體吊運至墩位處，起吊圍堰，通過複合樁鋼管上設定的固定雙層導向結構調節圍堰的平面位置與垂直度，利用自重+壓水下放圍堰至安裝高程。圍堰內吸泥至設計高程後，用挖泥船向圍堰內抓砂，水密實後，封底、抽水、樁頭處理，布置樁頂支撐系統，乾環境下安裝預製承台及底節墩身。

承台及底節墩身預製構件由“小天鵝”號利用4根角樁預留孔洞口的吊掛扁擔進行起吊運輸，構件吊運至墩位後，“小天鵝”號拋錨定位，精度控制在15cm以內後，下放構件進入圍堰內。在構件下放過程中，用RTK或全站儀實時測量墩頂平面位置，使吊掛系統基本對準支撐樁位上的控制線，通過承台預留洞口吊掛扁擔將構件落於複合樁樁頂千斤頂上（各複合樁樁頂支撐系統頂面標高根據預製場內吊掛系統扁擔安裝的實際情況進行反算，並提前調整到位，確保浮吊卸載時承台頂標高基本達到設計標高）；根據“小天鵝”號上的測力顯示器，承台4個角樁部位的千斤頂總受力在接近16000kN時，起頂中間部位的2台千斤頂，使每台千斤頂達到4000kN荷載，解除浮吊吊具，微調千斤頂油壓使6台千斤頂均勻受力；通過樁頂三向調整裝置調整構件水平位置、垂直度及標高，完成第一次體系轉換。澆築承台預留孔與樁間1．6m高的混凝土，待混凝土強度達到90%設計強度後，拆除千斤頂、鋼立柱及吊掛系統，構件支承於複合樁基礎上，完成第二次體系轉換；綁紮承台頂層接縫鋼筋，施工承台預留孔內剩餘2．9m高的混凝土，待混凝土強度滿足要求後，向圍堰內注入海水，利用圍堰內外水頭差使鎖口圍堰變形與封底混凝土脫離，整體拔出圍堰，周轉至下一墩位使用。全橋共投入9套圍堰。承台及底節墩身精確定位時，平面位置測量採用全站儀極坐標法進行控制，垂直度採用高差推算法與傾斜儀法共同控制，並以垂球法覆核，實現了海上大型預製構件高精度安裝：平面偏差在±10mm以內；豎向高差在±10mm以內。

3．5 墩帽安裝技術

採用“小天鵝”號運輸預製墩帽至墩位，與橋位軸線成30°夾角絞錨進入，利用吊裝扁擔旋轉30°就位。利用墩帽導向結構使墩帽平面初定位後，放至支撐鋼立柱上，通過三向千斤頂調整平面位置、垂直度及標高。滿足要求後安裝搭接環形主筋、箍筋、模板。澆築混凝土後，採用淡水養護14d。

4 橋樑上部結構施工關鍵技術

組合梁外形尺寸為85m×16．3m×4．3m最大自重約1900t，採取整孔製造、安裝。組合梁製造線形為“理論預拱度+成橋豎曲線”的疊加線形，以梁段中性軸處鋼樑節段的長度為理論長度，通過調節鋼樑節段頂板、底板伸縮量設定拱度。槽型鋼樑由總拼胎架出胎，到組合梁架設上橋完成體系轉換。為確保組合梁在簡支變連續過程中，梁長及梁端轉角滿足要求，採取鋼樑製造階段在梁端預留10cm的餘量，架設時進行實測配切；組合梁採取順序架設、順序配切焊接，實現了本孔組合梁誤差本孔消除，使每孔組合梁梁跨及支座偏移量符合要求。

混凝土橋面板總計2526塊，採取縱向分塊、橫向整塊預製，利用預留孔洞與鋼主梁集束式剪力釘群澆築微膨脹混凝土進行組合的方式固結。為了確保施工精度，採用底模與5個桁片組拼成的鋼桁架一體化設計製造的整體底模系統，底模面板採用1mm+7mm不鏽鋼複合板，兩點支撐間距9．3m（預製混凝土板梗肋處）。側模系統採用雙層梳形模板，通過內層梳形模板、外層梳形模板兩者間的配合、互補實現混凝土板側面除環形鋼筋以外面積的封閉，同時方便模板拆除。剪力槽模板使用快易收口網，可免鑿毛處理。橋面板的後澆帶外露面需進行大量鑿毛處理：混凝土澆筑前，在側模的內層梳形板上塗刷緩凝劑，混凝土澆築10～13h後拆除側模板，採用0．4～0．6MPa的高壓水對橋面板側面進行水洗，洗至表面無浮漿、露出粗骨料後即停止。

組合梁鋼樑部分在鋼樑製造廠加工成板單元，船運至預製場，通過大型總拼胎架實施“底板單元組焊_→腹板單元組焊_→分段接長_→總拼裝”方案，實現了鋼主梁整孔製作；整孔組拼套用了腹板立位軌道式焊接機器人技術、無盲區自動小車焊接技術、無碼組焊技術、焊接數位化群控技術；整孔鋼主梁完成製作塗裝後，由輪胎式平板車運輸至組合區，落梁於8個臨時支墩上（鋼樑縱向成四點支承狀態）。根據監控指令調整支點間高差，將鋼樑拱度恢復到總拼廠設拱度值，實現與橋面板無應力狀態組合。橋面板梗肋與鋼主梁接觸處為橡膠條壓縮變形封堵密閉、環氧砂漿坐漿填充。橋面板安裝順序為自梁段中間兩支點分別向兩邊對稱安裝，安裝時嚴格控制橋面板中心線與鋼主梁中心線共線。

組合梁架設前，在墩頂上單幅布置8台600t豎向千斤頂，每台千斤頂下設滑移副，滑移副上設定50t縱橫向（薄型）水平千斤頂，利用水平千斤頂調整鋼樑平面位置，水平最大調節距離為_200mm。“天一號”運架一體船將組合梁運輸到橋位，通過絞錨將組合梁精度控制到200mm內後，緩緩將組合梁落在墩頂豎向千斤頂上，通過墩頂三向調節系統實現組合梁精確就位。組合梁架設完成後，根據監控數據從每聯起始端逐孔對相鄰2孔組合梁鋼主梁端頭配切並焊接；為避免組合梁負彎矩區橋面板在二期恆載和活載作用下而出現裂紋，1聯組合梁全部焊接完成後，從中間墩逐次向兩端對稱頂梁，完成組合梁負彎矩區6塊橋面板與鋼樑的組合，分2次澆築負彎矩區橋面板間濕接縫混凝土，首次澆築墩頂5條濕接縫混凝土，張拉縱橫向預應力，再澆築縱向預應力外側2條濕接縫，落梁，使組合梁負彎矩區橋面板產生正壓力，組合梁體系轉換完成。

5 結語

港珠澳大橋淺水區非通航孔橋下部結構採用“複合樁基礎+預製墩台”裝配化施工體系，為克服海洋惡劣的施工環境，通過套用複合樁基礎鋼管精確定位插打，承台+底節墩身整體預製快速施工，埋置式預製承台安裝及精確定位等技術，實現了海上橋樑下部結構快速施工。橋樑上部結構採用組合梁連續結構，通過鋼主梁無碼自動化焊接技術，超寬混凝土橋面板快速預製技術，無應力狀態組合施工工藝以及組合梁安裝與線形控制技術，有效降低了施工的難度，確保了施工質量。該橋自2012年6月28日開工，於2015年2月10日全橋貫通。

組合梁橋受力性能分析

眾所周知，鋼材抗拉強度高但易於失穩，混凝土抗壓性能好但易於開裂。在鋼－混凝土連續組合梁橋中，處於正彎矩區的組合梁恰好發揮了鋼材和混凝土優越的材料性能，很容易被廣大橋樑工程師接受和認可；但處於負彎矩區的組合梁則使鋼材處於受壓狀態和混凝土處於受拉狀態，恰好暴露了2種材料各自不利的材料行為。對於連續組合梁橋，混凝土板開裂將引起結構剛度下降、承載能力降低；外界環境中的水和有害物質侵入混凝土裂縫後，將加快混凝土板內鋼筋和鋼樑鏽蝕，造成結構耐久性顯著降低，因此，對於組合梁橋而言，混凝土板開裂是工程師們最不能接受的。因此，人們開始構想各種方法用於改善連續組合梁橋負彎矩的受力性能，尤其是控制負彎矩區混凝土板開裂的措施。隨著鋼－混凝土組合結構的套用和發展，組合梁橋的設計理念逐漸更新，從早期的不允許負彎矩區混凝土板開裂到允許混凝土板開裂但控制裂縫寬度；同時，連續組合梁橋的施工方法也出現了較大程度的革新，從傳統的一次落架施工方法到分階段施工方法。採用分階段施工方法對於改善連續組合梁橋負彎矩區受力性能的作用是顯而易見的。但是，傳統的分階段施工方法中，混凝土橋面板仍採用現場澆注的方法，一方面現場混凝土濕作業量大，不利於橋樑標準化施工；另一方面，由於混凝土養護齡期短，混凝土收縮徐變效應比較顯著。當橋面板採用預製混凝土板時，上述兩方面的問題可迎刃而解，但新的問題隨之而來，如何實現預製混凝土板和鋼樑的連線？本文主要介紹群釘預製板鋼－混凝土連續組合梁方案及其施工最佳化順序，以某連續組合梁橋工程為分析對象，通過與採用傳統分階段施工方法的連續組合梁受力性能進行對比分析，深入研究群釘預製板連續組合梁的受力特性，重點關注負彎矩區混凝土板的受力狀態。值得注意的是，組合梁橋作為一種特殊的結構形式，其受力性能與施工方法緊密相關，從開始架設到成橋，組合梁橋通常需要經歷多次結構體系變換，組合梁橋設計時必須對施工過程進行預演，因此本文建立連續組合梁橋有限元分析模型考慮橋樑施工全過程的影響。

1 群釘預製板連續組合梁橋

群釘預製板連續組合梁橋是在傳統鋼筋混凝土板鋼樑橋基礎上發展而來。早期的鋼結構橋樑，鋼筋混凝土橋面板或直接擱置在鋼樑上方。後來為避免行車制動力或地震偶然作用引起橋面板與鋼樑間發生過大相對位移，在鋼樑和混凝土板之間設定了少量螺栓或彎筋連線件。隨著組合梁橋良好的經濟效益逐漸顯現，工程師開始考慮將混凝土橋面板與鋼樑通過某種方式連線在一起，但同時又能保留預製板的施工便捷性，便誕生了群釘預製板組合梁橋，如圖1所示。群釘預製板組合梁橋比較普遍的做法是在鋼樑上

2 受力性能分析

2.1 有限元分析

採用橋樑專業化分析軟體 MIDAS建立連續組合梁橋有限元分析模型。實際橋樑中焊釘連線件的數量配置充分，不考慮混凝土板和鋼樑之間的滑移，採用雙層梁單元公用節點形式模擬鋼－混凝土組合梁。其中，鋼材採用 Q345等級，混凝土採用C50等級，，在此不再贅述。有限元分析考慮施工過程的影響，共分為6個施工步驟，前4個步驟如圖2所示，並增加了上二期恆載和收縮徐變10年2個分析步驟。施工過程中中支點兩側各8m範圍內的預製板後安裝。為比較採用群釘預製板技術對於連續組合梁橋負彎矩區受力性能的改善情況，對採用傳統分階段施工方法的連續組合梁橋的受力性能同時進行分析。傳統分階段施工方法與群釘預製板技術差別在於：

（1）混凝土板採用現澆；

（2）所有預應力在負彎矩區混凝土板硬化之後張拉。

2.2 負彎矩區組合梁應力分析

為便於比較分析，按照現行 《公路鋼結構及木結構橋涵設計方法》（JTJ025－86）的規定，採用荷載標準值組合工況對採用不同施工方法的連續組合梁橋受力性能進行比較。分別給出採用傳統施工方法和群釘預製板技術的連續組合梁橋荷載標準值組合工況下混凝土板上緣應力包絡圖。採用傳統施工方法連續組合梁橋混凝土板上緣在正常使用極限狀態下仍存在較大的拉應力，最大拉應力為2．57MPa，位於跨中區域混凝土板端部，主要由收縮徐變效應引起；群釘預製板連續組合梁橋混凝土板上緣拉應力則相對較小，最大僅為1．09MPa，位於跨中區域混凝土板端部，其中支點區域混凝土甚至不存在拉應力。採用不同施工方法的連續組合梁橋的關鍵控制截面在不同階段的應力計算結果。從表中可以看出，採用群釘預製板技術後，支點截面混凝土板在成橋階段儲存了較大的壓應力，足以抵消汽車荷載、溫度等造成的拉應力，大幅提高了支點區域混凝土抗裂性能。需要指出的是，採用群釘預製板技術，鋼樑在施工期間承受絕大部分的一期恆載，應力水平相對較高，在施工期間的穩定性應得到充分保證。