鋼混結(jié)合梁梁板起頂結(jié)合技術(shù)

王世峰，黃海歐，陳超華，孫曉偉

（中交二航局第五工程分公司，湖北 武漢 430012）

0 引言

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁時，由于瀝青與鋼板結(jié)合差，橋面質(zhì)量問題頻現(xiàn)；采用混凝土主梁時，又因梁體自重大、施工速度慢等原因，較難在大跨度橋梁中應(yīng)用。鋼混結(jié)合梁較好地綜合了兩者的優(yōu)勢，充分發(fā)揮鋼材的抗拉、抗彎性能以及混凝土的抗壓性能，瀝青與混凝土橋面板結(jié)合好，保證了橋面系質(zhì)量。鋼混結(jié)合梁還具有抗震性能優(yōu)良、自重輕、施工快等特點，應(yīng)用日趨廣泛。

結(jié)合梁結(jié)構(gòu)受力性能直接取決于鋼主梁和預(yù)制橋面板的結(jié)合質(zhì)量，武漢二七長江大橋6×90 m連續(xù)梁橋在鋼槽梁與預(yù)制橋面板結(jié)合施工中采用一系列創(chuàng)新工藝，成橋線形、結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)，具有較好的推廣價值。

1 工程概況

武漢二七長江大橋是武漢市二環(huán)線控制工程之一，主橋采用三塔斜拉橋，主跨616 m，上部結(jié)構(gòu)采用結(jié)合梁，是世界最大跨度的三塔斜拉橋和世界最大跨度的結(jié)合梁橋[1]。漢口側(cè)非通航孔深水區(qū)采用6×90 m鋼混結(jié)合連續(xù)梁[2]，對應(yīng)墩號從漢口側(cè)至武昌側(cè)依次為N6～N1墩、1墩，見圖1。

主梁上、下游分幅布置，為單箱單室鋼-混結(jié)合梁結(jié)構(gòu)（如圖2），結(jié)合梁由下部鋼槽梁和上部混凝土面板通過剪力釘結(jié)合而成。鋼槽梁高3.55 m，采用頂推法架設(shè)，每跨中間設(shè)置1個臨時墩；橋面板厚28～45 cm，橋面板與鋼槽梁頂板接觸面鋪墊橡膠條、預(yù)埋壓漿管（如圖3）。

橡膠條斷面尺寸為20 mm×20 mm，抗壓強度＞1 MPa時壓縮量＜1 mm，使橋面板不與鋼槽梁直接接觸。壓漿管采用外徑18 mm無縫鋼管，通過灌漿對該部位鋼槽梁頂板進行了防腐封閉。

2 梁板結(jié)合方式選擇

鋼混結(jié)合梁的鋼主梁與橋面板結(jié)合方法主要有兩種，目前常用的工藝是在鋼主梁、橋面板安裝完后澆筑濕接縫混凝土。施工過程中橋面板處于無應(yīng)力狀態(tài)（不考慮自重影響），只有在二期恒載、后期荷載作用下橋面板才會與鋼梁共同受力，發(fā)揮結(jié)合梁作用。這種結(jié)合方式可稱為“被動結(jié)合”，廣泛應(yīng)用于斜拉橋、懸索橋、系桿拱橋等有索橋梁中。當(dāng)被動結(jié)合的結(jié)合梁在負(fù)彎矩作用下或在溫度變化、混凝土收縮徐變時，橋面板在拉應(yīng)力作用下易開裂，影響橋梁使用壽命。

鋼主梁與橋面板結(jié)合的另一種方法可稱為“主動結(jié)合”，其工藝為：在鋼主梁、橋面板安裝完成后，采取措施將連續(xù)梁支點處未結(jié)合的主梁起頂一定高度，相鄰支點處主梁鎖定，然后澆筑接縫混凝土，混凝土達(dá)到強度及一定的養(yǎng)護齡期后，再下落主梁。橋面板儲備了壓應(yīng)力，在結(jié)合梁承受外界荷載之前鋼主梁與橋面板主動結(jié)合在一起共同受力。主動結(jié)合更加充分地發(fā)揮了鋼材的抗彎、抗拉性能以及混凝土的抗壓性能，并通過對橋面板的壓應(yīng)力儲備使結(jié)合梁橋面板的拉應(yīng)力有效減小或抵消，減少橋面開裂，延長橋梁使用壽命。

武漢二七長江大橋6×90 m連續(xù)梁橋結(jié)合梁剛度較小，墩頂橋面板承受拉應(yīng)力較大。若采用常規(guī)的被動結(jié)合方式，結(jié)合梁的使用性能將大打折扣，故本橋采用了梁板主動結(jié)合的施工方法。

3 梁板結(jié)合技術(shù)

3.1 施工順序

首先進行墩頂區(qū)橋面板與鋼槽梁結(jié)合（圖4），使其獲得較大壓應(yīng)力儲備，然后進行跨中區(qū)（臨時墩頂）橋面板與鋼槽梁結(jié)合。結(jié)合施工從N3號墩開始，向兩側(cè)對稱進行。結(jié)合順序依次為N3→N2、N4→N1、N5→L1、L6→L2、L5→L3→L4，直至完成所有梁板結(jié)合施工，進行落梁及受力體系轉(zhuǎn)換，將結(jié)合梁回落至永久墩支座上，完成結(jié)合梁主體結(jié)構(gòu)施工。

3.2 起頂理論計算

3.2.1 整體建模計算

采用結(jié)構(gòu)計算軟件Midas進行模擬計算，鋼槽梁采用梁單元建立，結(jié)合梁采用施工階段聯(lián)合截面建立，共劃分1 713個節(jié)點，1 712個梁單元。建模時所采用的坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系，X軸為橋的橫向，Z軸為橋的豎向，Y軸為橋的縱向。

有限元模型在各施工階段，起頂墩的起頂量采用強迫位移模擬，起頂墩相鄰兩側(cè)的主墩約束DZ、DX、RZ；其余各墩約束DZ，同時施加相應(yīng)“DX、DY”、“RX、RY、RZ”約束使結(jié)構(gòu)保持靜定。其中“DX、DY、DZ”分別表示節(jié)點平動自動度，“RX、RY、RZ”分別表示節(jié)點轉(zhuǎn)動自由度。

所施加荷載包括鋼槽梁自重、橫隔板重量、橋面板重量以及剪力釘重量等。

通過不同工況計算，得到使鋼梁獲得目標(biāo)應(yīng)力的預(yù)變形（起頂量）及所需的頂升力。

3.2.2 起頂量計算

各墩起頂量見表1。

3.2.3 起頂力計算

各墩起頂錨固力匯總見表2。

3.3 結(jié)合梁起頂結(jié)合施工

3.3.1 起頂千斤頂及鋼墊塊布置

梁板結(jié)合施工時，濕接縫混凝土養(yǎng)護周期為21 d，起頂點受力持續(xù)時間較長，墩頂起頂支墊布置時要考慮千斤頂與鋼墊塊之間的受力轉(zhuǎn)換問題，設(shè)置可拆卸的鋼墊塊支撐。

根據(jù)計算，單側(cè)支墊需承受1 100 t的壓力，每個受力點設(shè)置3個鋼支墩、2臺800 t千斤頂。千斤頂及鋼墊塊布置見圖5。

表1 橋面板結(jié)合起頂頂升量計算結(jié)果表

表2 各工況起頂力、錨固力表t

3.3.2 反拉錨點布置

墩頂起頂時以應(yīng)力控制為主。為使鋼槽梁獲得預(yù)期應(yīng)力的同時盡量減少起頂量，需在相鄰兩個墩頂對鋼槽梁進行反拉錨固。根據(jù)建模計算，在施工過程中錨固力最大約600 t。在結(jié)構(gòu)墩及臨時墩墩頂布置精軋螺紋鋼錨固裝置，來提供錨固力，并在每根精軋螺紋鋼上面安裝壓力傳感裝置（見圖6），實測受力情況，確保結(jié)構(gòu)安全。

3.3.3 結(jié)合梁起頂結(jié)合

首先通過千斤頂將N3墩處鋼槽梁頂起30 cm（相鄰墩頂精軋螺紋鋼分批次錨固），監(jiān)測鋼槽梁頂、底板應(yīng)力，若與計算值相符則將鋼槽梁擱置在鋼墊塊上，澆筑接縫混凝土，結(jié)合N3墩頂區(qū)橋面板。待現(xiàn)澆混凝土達(dá)到設(shè)計強度90%后，張拉橋面板二期橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，然后將N3墩處鋼槽梁回落。按順序進行后續(xù)梁板結(jié)合施工。

3.4 后壓漿施工

完成所有梁板結(jié)合施工后，將結(jié)合梁回落至永久墩支座上。

將橋面板與鋼槽梁頂板間壓滿水泥漿，實現(xiàn)鋼槽梁頂板裸露部分封閉防腐。

4 梁板結(jié)合施工效果

在特征斷面鋼槽梁頂板、底板以及濕接縫預(yù)埋應(yīng)力元件，對梁板結(jié)合施工過程進行監(jiān)測。以N3墩處梁板結(jié)合為例進行比較。

在N3墩頂附近鋼槽梁的頂、底板上下側(cè)安裝點焊式應(yīng)變計，在N3墩頂正上方橋面板的兩側(cè)翼緣、中間位置預(yù)埋內(nèi)埋式應(yīng)變計，應(yīng)變計布置見圖7。

4.1 起頂力、反拉錨固力情況

N3墩處梁板結(jié)合起頂過程N3墩頂起頂力及相鄰墩錨固力實測值與理論計算值對照見表3。

通過對表3數(shù)據(jù)分析，N3墩起頂過程中起頂力、錨固力與理論計算數(shù)據(jù)基本吻合。最大差值出現(xiàn)在起頂至20 cm時的頂升力，最大偏差值為117 t，為理論計算值的6.27%。

表3 鋼槽梁底板應(yīng)力對照表

4.2 鋼槽梁應(yīng)力情況

N3墩處梁板結(jié)合起頂過程施工應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計算值對照見表4、表5。

表4 鋼槽梁底板應(yīng)力對照表

表5 各工況鋼槽梁頂板應(yīng)力增量表

通過對表4、表5數(shù)據(jù)分析，N3墩起頂過程中鋼槽梁頂板、底板的理論與實測應(yīng)力基本吻合。最大差值出現(xiàn)在起頂至30 cm時鋼槽梁頂板下側(cè)，最大偏差值為22.5 MPa，為理論計算值的12.7%。

4.3 橋面板應(yīng)力情況

N3墩處梁板結(jié)合完成落梁后，橋面板3個測點順橋向壓應(yīng)力為14 MPa、16 MPa、13.6 MPa，與理論計算橋面板14～18.5 MPa的壓應(yīng)力儲備值吻合。

通過對梁板結(jié)合施工過程進行理論計算和實測，結(jié)果表明：頂升力與錨固力均未超過設(shè)計范圍，錨固裝置受力滿足施工要求；頂升過程中鋼槽梁受力良好，理論與實測應(yīng)力偏差較小；結(jié)合梁結(jié)合后，負(fù)彎矩區(qū)橋面板順橋向壓應(yīng)力的理論與實測值基本吻合，壓應(yīng)力儲備為14～18.5 MPa。

5 結(jié)語

武漢二七長江大橋成功采用梁、板主動結(jié)合，較好地解決了結(jié)合梁橋面板在墩頂區(qū)受拉開裂問題，整個6×90 m結(jié)合梁橋面板沒有使用縱向預(yù)應(yīng)力體系。鋼混結(jié)合梁的兩種材料受力特性得到了充分發(fā)揮，有效推動了鋼混結(jié)合梁的應(yīng)用。

[1] 陳超華，徐斯林，穆清君.大型鋼吊箱拉靠墩系統(tǒng)精確定位施工技術(shù)[J].橋梁建設(shè)，2011（6）：71-75.

[2] 王世峰，陳超華，孫曉偉.多變豎曲線鋼槽梁拼裝及頂推施工技術(shù)[J].中外公路，2012（3）：237－241.