复合桥在埃尔布拉格——VFT-WIB建造方式的进一步发展

复合桥在埃尔布拉格

VFT-WIB建造方式的进一步发展

VFT建造方式与混凝土中的轧制梁（VFT-WIB）的构造原 理在欧洲，尤其是在德国和波兰被广泛应用。位于波兰埃尔布拉格市西南部的新桥进一步延续了这一构造原理。轧制梁的切割方式选择使得在跨中和支点有不同的钢梁高度。这个想法在静力结构上具有优势，可以有效地承载梁中的剪力和弯矩。

该项目将以埃尔布拉格桥为例，阐述其进一步发展，探讨结构细节，并讨论建造方式的经济性。

埃尔布拉格附近的复合桥——Preco-Beam建造方法的增强 。 Preco-Beam建造方法使用轧制截面的设计原则在欧洲 ，特别是在德国和波兰，已得到充分使用。位于波兰埃 尔布拉格市西南部的桥梁重建增强了该建造方法。 轧制 截面的切割线实现了钢腹板在跨中和支点附近的高度变化。剪力和弯矩在梁中有效传递。通过埃尔布拉格高架桥的手段， 展示了 施工细节 。同时，经济方面也进行了讨论。

1 引言

埃尔布拉格市（Elbing）拥有约120,000名居民，位于丹齐格东南方向。通往华沙的S7快速公路已扩建为四车道，几乎已完工。它构成了埃尔布拉格周边道路环线的南部部分。

DK 22国道将埃尔布拉格市与马尔博克（Marienburg）连接，并进一步作为S22快速公路通往波兰与俄罗斯的边界， 在交通网络中具有重要意义。现有的预应力混凝土预制桥已达到其使用寿命的末期，亟需进行更新。由于地质条件复杂，招标了一座采用复合预制件的复合桥。与建筑公司 共同制定了一个替代方案，由于其经济优势而得以实施 。

2 设计理念与构造原则

采用复合预制梁（VFT）与混凝土中的轧制梁（WIB）[1] 的建造方式是一种易于制造的钢结构组件与混凝土预制件的组合。其特点是良好的质量和短的施工时间，这得益于高程度的预制。  

在一个项目中，使用VFT-WIB梁时，发现由于在低温下混凝土的养护不足，导致混凝土梁出现裂缝，裂缝宽度达到0.2mm。改善建造方式的目标是用钢梁替换混凝土梁。

埃尔布拉格桥的设计是VFT-WIB建造方式的延续（[2]，[3]）。 该结构的截面明显更好地适应桥梁的力流，而不像等高的混凝土梁截面。力流在上部结构中通过梁变高度在构造中得到了清晰的体现。  

钢梁和混凝土梁的高度也会随着梁的长度而变化。在支点上方，混凝土梁高度延伸到下缘，以承受来自混凝土梁负力矩的压力。 钢型材作为外部加固。向跨中移动时，压力作用于上缘，钢梁位于受拉区。 为了承受钢梁中的拉应力，钢梁高度延伸至预制件的上缘。 因此形成了一种梁，其钢下缘与上缘平行，但钢梁高度是变化的，如图1a 和图2所示。在大跨度和相应的梁高度下，优点在于混凝土中不会产生拉应力，从而导致裂缝。 同时，梁的重量显著减少。建造方式的应用领域显著扩大，因为相同的起重设备能够吊装更长的主梁。当跨度增大时，支座附近的区域需要设置一个拱形结构。 这可以通过边支点变高来简单实现（图1b）。

图 1. VFT-WIB 梁的构造类型，变高钢梁，a) 等高度梁，b) 变高度梁

图 2. 具有可变钢梁高度的 VFT-WIB 梁的标准化截面；截面 a) 在支点，b) 在四分之一点，c) 跨中

图 3. VFT-WIB梁的钢梁切割原理，具有两种钢梁高度 P?cking 复合材料桥梁[4]是第一座采用这种方法的桥梁。

图 3 显示了切割原理的进一步发展，它产生了两种不同的腹板高度。如果使用的是轧制梁，腹板高度的偏移必须位于四分之一处，这样两半梁在分离后可以再次焊接在一起，形成 T 型轮廓。高度的变化，即梁上光滑的对角线切口，必须以 α ≤ 30° 的角度进行。 这样，剪力就可以通过箍筋轻松地从钢腹板传递到混凝土腹板。此外，混凝土腹板中的压缩支柱也能以这个角度理想地支撑在钢下缘上。例如，α ≤ 30°的角度比 45° 的陡角看起来更加和谐。剪力通过剪力箍筋从钢腹板传递到混凝土腹板（图 4）。

分割切割的原则可以进行调整。 这样就可以在钢梁上形成弧形切割线。图5中的切割原理仍符合无材料损耗地生产钢梁两半的要求。两半钢梁以弧形分开，并通过焊接接头在中间连接成单根钢梁。弧形切割线是实现力流的最佳方式 。然而，预制混凝土部分的成型需要很大的工作量（图 6）

图4. 梁的钢梁与混凝土梁之间的过渡区域

图5. VFT-WIB梁的钢梁的弯曲切割原理，配有调整后的钢梁高度

图 6. 弧形梁切割的预制复合构件的视图

对于图1b所示的梁类型，计算了25米到60米跨度的安装重量。 德国的复合榫头条的建筑监管批准[5]规定混凝土梁的最小宽度为0.25米。在埃尔布拉格桥的情况下，选择了 0.42米的梁宽，因为轧制梁的法兰宽度也是0.42米，从而减少了梁的模具工作量。 图7中展示了梁的安装重量与支撑跨度的关系。 明显的是，对于超过40米跨度，需要减少梁的宽度，以实现梁的重量低于80吨。

3 埃尔布拉格桥

3.1 设计描述

埃尔布拉格大桥的平面半径为 R = 750 米。复合预制梁采用多边形铺设，地面上的缝隙与外部预制构件的悬臂长度相等。标准横截面可容纳两条宽 3.50 米的车道和一条应急车道。埃尔布拉格方向设有一条 2.50 米宽的人行道和自行车道。栏杆之间的桥梁宽度为 14.60 米。招标设计设想采用复合预制梁桥（VFT）。横截面上规划了六根宽度为2.50 米的梁。边缘梁的悬臂长度平均为 1.30 米，以补偿从径向布线中产生的变化部分。

桥的计算跨度在五个跨中几乎相同，范围为37.85到38. 25米。 计算跨度的选择部分考虑了现有的直径为52厘米的Franki桩基础，以节省地基改良的成本。此外，布置钻孔桩 ?1.00米。

然而，在施工过程中发现，完全新的基础比将现有基础整合到新建筑中更为经济。

图 7. 不同混凝土梁宽度下，宽度为2.50米 的VFT-WIB梁的吊装重量，见图1b

图 8. 埃尔布拉格高架桥在4号桥行政批准设计标准横断面

图9. 埃尔布拉格桥的立面图行政批准设计和替代设计

图10.桥在跨中和支撑处的截面

表1. 埃尔布拉格高架桥信息表  

图 9 中的立面图显示了布墩情况。复合横截面的结构高度从现场的 1.15 米（见上图 10）到桥墩支点上方的 1.65 米（见下图  10）不等，非常细长，高跨比为 1/33 至 1/23 之间。表1汇总了结构数据。

为了最大限度地减少材料浪费，双数横梁对于经济地生产横梁很有意义。此外，五根 3.00 米长的横梁太重，不符合成本效益。

3.2 构造原理的实施

波兰Gdańsk的Europrojekt S.A.办公室的副设计采用了S460ML等级的HL 1000×539型轧制梁，该梁根据图1的切割原理进行分离。

之后，所有的梁部分将在四分点处进行焊接，焊接是在切割后进行的。

这一原则在结构上具有以下优点，如图11所示的例子所示：

①在跨中的正弯矩区域，钢材处于受拉区。

②在支点负弯矩区域，横截面为混凝土横截面，下面的外部钢筋以钢薄片的形式对其进行加固[6]。 混凝土腹板处于受压状态，因此即使在交通荷载作用下也不会开裂。

③通过复合构造传递剪力的位置始终位于支点和跨中的受压区，即横截面的非开裂区。

④在支点，通过选择上斜面的弯曲半径，几乎可以随意调整横截面高度。

⑤由于主梁腹板仅在受拉区由钢材制成，因此一般不会有屈曲的风险。

如果使用焊接钢板梁代替轧制梁，则在中间区域的构造高度可以任意设定，并且计算跨度可以超过40米。

与 VFT 施工方法不同的是，埃尔布拉格大桥取消了钢梁的上翼缘，以便在支点安装剪力螺栓榫和钢腹板。这意味着，如果在内侧跨中使用 HL1000 × 538 轧制型钢，在边缘跨中使用 HL1000 × 748 轧制型钢，则需要 125 公斤/平 方米的结构钢。由于四分之一处的两个接头只需少量焊接， 因此预制成本很低。

根据复合销钉的通用建筑规范[5]，需要对连接的混凝土和钢材承载性能进行各种验证。在Elblaug桥的情况下， 根据混凝土板下侧的破坏标准（见[7]和[8])，板的厚度必须从0.12米增加到0.25米，以便将复合销钉充分嵌入混凝土中 。

4 施工执行

施工于 2016 年初开始，由于威达格丁尼亚股份公司的二 次报价，使用了 S365 级焊接梁代替轧制梁。 该公司拥有自己的钢材车间，与轧制梁相比，焊接梁实现了更高的附加值。钢板厚度限制在 40 毫米，以利用材料 365 N/mm2 的抗拉强度。在 2016 年 2 月至 3 月的六周内完成了主梁的制造和防腐涂层。

图12.  中跨VFT-WIB梁桥

图13. 边跨VFT-WIB梁

图12展示了梁的材料分布情况。下翼缘的材料厚度被限制在40毫米，并且通过40毫米厚的钢板进行补充。

为了承受梁端部的高剪切力，边跨梁在支座区域通过增加一个额外的钢腹板进行了加固。在整个建筑中使用焊接钢板梁时，钢材消耗量为每平方米140公斤。这种相对较高的钢材消耗量是由于建筑的高细长比以及钢板允许的较低屈服强度（365 N/mm2)所致。边中跨比为1:1，这也反映在钢材需求上。在这些跨度比下，边跨出现较大的正弯矩，导致下翼缘需要更多的钢材。此外，为了分散边跨的剪切力，需要两个钢腹板。 由于 0.20 米的间隙是用混凝土填充的，因此在这一区域使用两个腹板就可以省去屈曲加强筋（图 13   )。

在波兰，预制组合梁不是在预制构件厂生产，而是在现场的临时工厂中并行制造。钢梁在完全防腐蚀处理后运输到施工现场。首先，对混凝土腹板进行钢筋安装，然后安装侧模（见图14）。在安装了腹板钢筋之后，将梁以翼缘对翼缘的方式，在相同的位置进行加固和浇筑混凝土（见 图15）

图 14. 混凝土梁在浇筑梁的模板之前的钢筋

图15. 预制复合梁的现场工厂

图 16. 成桥

使用一台600吨起重能力的汽车起重机将64吨重的VFT- WIB梁吊入桥中（图16）。 仅在支点进行连接。

其余的柱和支座通过支座承受上部结构的荷载。随后，所有轴的横梁将被混凝土浇筑，进行桥面板的施工。

5 结论

在Elblag桥首次实施了VFT-WIB梁的建造方法，该方法具有可变的混凝土-钢腹板高度。

整个规划和建设的短周期——总共一年——可以归因于简单、模块化的建造方式以及高度的预制程度。结构钢按照静力构造原则在截面中布置。梁的切割设计得如此巧妙， 以至于没有产生任何废料，并且只需要在四分点焊接两个接缝。由于结构钢的优化使用和高度的预制程度，形成了 一个非常经济的结构体系。

梁中的混凝土梁仅在结构的压缩区域内布置。 因此， 避免了因拉伸应力而导致的裂缝形成，并提高了建筑物的质量。