鋼-混連續(xù)疊合梁中墩負(fù)彎矩處理方法研究

馬宇平

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司）

0 概述

鋼-混組合梁是將鋼材和鋼筋混凝土板以抗剪力連接件連接起來形成整體而共同工作的受彎構(gòu)件，它能較大程度地發(fā)揮鋼材抗拉和混凝土抗壓的材料性能[1]。具有結(jié)構(gòu)高度小、剛度大、抗震性能好、噪聲小、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)。從上個(gè)世紀(jì)70 年代開始，在我國得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。隨著橋梁向輕型化和大跨度方向的發(fā)展，鋼混組合梁也由簡支結(jié)構(gòu)向多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)發(fā)展[2]。連續(xù)組合梁較簡支組合梁具有結(jié)構(gòu)跨度大、截面高度低、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)。但其支點(diǎn)負(fù)彎矩導(dǎo)致鋼梁受壓、混凝土受拉的不利情況。為了抵抗負(fù)彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力，常用的措施有預(yù)加荷載法、調(diào)整支點(diǎn)標(biāo)高法、預(yù)應(yīng)力法、限制混凝土裂縫寬度方法或部分結(jié)合梁方法[1]。

1 負(fù)彎矩區(qū)處理方法

1.1 預(yù)加荷載法

鋼梁施工完畢后，首先在正彎矩區(qū)段澆筑混凝土和施加一定的臨時(shí)荷載，使支點(diǎn)附近鋼梁負(fù)彎矩段產(chǎn)生足夠的預(yù)應(yīng)力，然后在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下澆筑負(fù)彎矩段混凝土，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，撤去臨時(shí)荷載。由于正彎矩區(qū)段臨時(shí)荷載的卸載，支點(diǎn)附近產(chǎn)生一個(gè)反向的正彎矩，使得結(jié)合梁混凝土板產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力[1]。

預(yù)加荷載法必須將臨時(shí)的靜荷載加在橋面板上，并需要實(shí)時(shí)監(jiān)控壓重狀況，造成施工不便，工作量大，此法在施工中已經(jīng)很少采用[3]。

1.2 調(diào)整支點(diǎn)標(biāo)高法

在鋼梁架設(shè)后，將中間支點(diǎn)抬高，接著澆注混凝土橋面板，待其硬化后，下降中間支點(diǎn)至設(shè)計(jì)高度[1]。

調(diào)整支點(diǎn)標(biāo)高法因施工方便、效果明顯，在施工中被大量應(yīng)用。

1.3 張拉預(yù)應(yīng)力鋼束

在中間支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)的混凝土橋面板中設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束，待鋼束張拉后再將鋼梁與混凝土橋面板組合。鋼梁上翼緣采用焊釘群釘構(gòu)造，并在混凝土預(yù)制板相應(yīng)位置處留有預(yù)留孔或后澆接縫，待預(yù)制板安裝后，在預(yù)留孔或后澆接縫處灌注高強(qiáng)砂漿使鋼梁與混凝土預(yù)制板組合[3]。

該法可以有效地對(duì)負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板施加預(yù)應(yīng)力，但施工工序較為復(fù)雜。

1.4 配筋限制混凝土裂縫寬度法

在負(fù)彎矩區(qū)混凝土板中配置足夠的鋼筋可以將混凝土板的裂縫寬度限制在容許值以內(nèi)。

1.5 部分結(jié)合梁方法

在支點(diǎn)附近負(fù)彎矩區(qū)段不設(shè)置剪力連接件，做成部分結(jié)合梁法。該法可以減小裂縫，但需增加鋼梁截面，且在不設(shè)剪力連接件的交界處內(nèi)力變化很大，為克服這個(gè)弱點(diǎn)，可使橋面板的縱向鋼筋連續(xù)通過，并適當(dāng)加強(qiáng)，也可在鋼梁上焊接適當(dāng)?shù)腻^固鋼筋，起到彈性剪力連接件的作用，達(dá)到過渡的效果[1]。

在工程實(shí)踐中，往往根據(jù)項(xiàng)目的具體情況，采用一種或多種方法為負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板施加預(yù)壓應(yīng)力，以達(dá)到控制裂縫寬度、防止鋼梁失穩(wěn)的作用[2]。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

佛山市某跨江大橋引橋上部結(jié)構(gòu)為P.C. 小箱梁+鋼混組合梁+連續(xù)箱梁+連續(xù)剛構(gòu)。其中鋼-混組合梁橋跨徑為50+75+55m，采用雙主梁結(jié)構(gòu)，單幅橋面寬17.5m。

組合梁邊支點(diǎn)處梁高為2.5m，中支點(diǎn)處3.5m，變高段位2.5～3.5m，采用二次拋物線變化。

單幅橋設(shè)2 道槽型梁，主梁間距為4.5m。鋼主梁腹板采用中心對(duì)齊，頂?shù)装宀捎孟戮墝?duì)齊。邊支點(diǎn)鋼主梁等高段梁高為2.12m，中支點(diǎn)為3.12m，采用二次拋物線變化。橋面板厚280mm，梗腋處加厚至380mm。鋼主梁頂板寬600～1200mm。底板寬4.8m，底板設(shè)I 型縱向加勁肋。

邊支點(diǎn)處主梁箱間設(shè)置端橫梁，箱內(nèi)設(shè)置端橫隔板，端橫梁與端橫隔均為工字型斷面。中支點(diǎn)處設(shè)置中橫梁，箱內(nèi)設(shè)置中隔板。組合梁總體布置如圖1、圖2 所示。

圖1 立面布置圖/mm

圖2 單幅橋梁斷面圖/mm

2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

橋面板按B 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了改善結(jié)構(gòu)的受力及使用性能，采取先張拉預(yù)應(yīng)力鋼束、后澆筑負(fù)彎矩區(qū)橋面板剪力焊釘群釘預(yù)留孔和先頂升、后澆筑負(fù)彎矩區(qū)橋面板混凝土兩種方法對(duì)橋面板施加預(yù)壓應(yīng)力。

⑴方法一：張拉預(yù)應(yīng)力鋼束+配筋

①負(fù)彎矩區(qū)混凝土板布置頂?shù)變蓪应?2@100 HRB400 縱向鋼筋，使橋面板的裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

②負(fù)彎矩區(qū)混凝土每根主梁的橋面板內(nèi)配置12 束φ15.2-5 的預(yù)應(yīng)力鋼束，提高負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。

③預(yù)制橋面板施工采用先澆筑跨中、后支點(diǎn)的施工順序，減小橋面板恒載在支點(diǎn)處的拉應(yīng)力。

④鋼梁與負(fù)彎矩橋面板采用后結(jié)合的施工方法以提高預(yù)應(yīng)力鋼束的有效利用率。鋼梁上翼緣布置群釘，澆筑混凝土?xí)r預(yù)留剪力釘槽口，張拉預(yù)應(yīng)力后再澆筑剪力釘槽口，使混凝土板與鋼梁共同受力。

⑵方法二：調(diào)整支點(diǎn)標(biāo)高法+配筋

①負(fù)彎矩區(qū)混凝土板布置頂?shù)變蓪应?2@100 HRB400 縱向鋼筋，使橋面板的裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

②先澆筑兩邊跨正彎矩區(qū)和中跨正彎矩區(qū)橋面板混凝土，待其硬化后將中墩支點(diǎn)處梁體頂升400mm，再澆筑中間墩頂負(fù)彎矩橋面板混凝土，養(yǎng)生至設(shè)計(jì)強(qiáng)度后將中墩支點(diǎn)處梁體回落400mm。該法有效地對(duì)中墩橋面板混凝土施加預(yù)壓應(yīng)力，提高墩頂橋面板壓應(yīng)力儲(chǔ)備，改善橋面板受力性能。

2.3 建模計(jì)算

采用有限元軟件Midas 建立梁格模型。變高段截面按照二次拋物線變化。結(jié)構(gòu)按荷載組合梁分階段受力，即鋼梁承擔(dān)一期恒載，組合梁承擔(dān)二期恒載與活載。在支座位置的橫梁節(jié)點(diǎn)處設(shè)置約束。全橋在一中支點(diǎn)橋墩處設(shè)置縱向約束，在每個(gè)墩的一側(cè)支座設(shè)置橫向約束。

圖3 空間有限元模型

根據(jù)《鋼- 混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50917-2013）第4.2.3 條的規(guī)定，當(dāng)鋼-混凝土組合梁進(jìn)行鋼梁應(yīng)力計(jì)算時(shí)，作用的效應(yīng)組合應(yīng)采用現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)的基本組合；當(dāng)進(jìn)行抗裂計(jì)算時(shí)，作用的效應(yīng)組合應(yīng)采用頻遇組合。

基本組合下，鋼梁應(yīng)力如圖4、圖5 所示。方法一工況下上翼緣最大拉應(yīng)力122MPa，最大壓應(yīng)力195MPa；下翼緣最大拉應(yīng)力127MPa，最大壓應(yīng)力155MPa；上下翼緣應(yīng)力均不超過強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270MPa。方法二工況下上翼緣最大拉應(yīng)力150MPa，最大壓應(yīng)力174MPa；下翼緣最大拉應(yīng)力153MPa，最大壓應(yīng)力1335MPa；鋼主梁應(yīng)力均滿足要求。

頻遇組合下，橋面板縱向應(yīng)力如圖6 所示。方法一工況下中墩橋面板砼最大拉應(yīng)力為5.2MPa；方法二工況下中墩橋面板砼最大拉應(yīng)力為6.2MPa。

圖4 方法一工況下鋼梁正應(yīng)力圖

圖5 方法二工況下鋼梁正應(yīng)力圖

表1 方法一工況下鋼梁正應(yīng)力結(jié)果

表2 方法二工況下鋼梁正應(yīng)力結(jié)果

圖6 頻遇組合下橋面板砼應(yīng)力

表3 方法一工況下橋面板抗裂結(jié)果

假設(shè)受拉區(qū)混凝土完全開裂，退出工作，橋面板內(nèi)力完全由鋼筋承擔(dān)。對(duì)于本橋，組合梁混凝土橋面板與鋼主梁結(jié)合之前的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，均由鋼主梁承擔(dān)，故鋼筋只承擔(dān)截面結(jié)合后的新增橋面板內(nèi)力。根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTG∕T D64-01-2015），由作用（或荷載）頻遇組合效應(yīng)引起的開裂截面縱向受拉鋼筋的應(yīng)力σss應(yīng)滿足下列要求：

表4 方法二工況下橋面板抗裂結(jié)果

鋼筋混凝土板應(yīng)按式⑴計(jì)算：

式⑴中，

Ms——形成組合作用之后，按作用（或荷載）頻遇組合效應(yīng)計(jì)算的組合梁截面彎矩值；

Icr——由縱向普通鋼筋與鋼梁形成的組合截面的慣性矩，即開裂截面慣性矩；

ys——鋼筋截面形心至鋼筋和鋼梁形成的組合截面中性軸的距離。

負(fù)彎矩區(qū)組合梁混凝土板工作性能接近于混凝土軸心受拉構(gòu)件，由上式計(jì)算得到組合梁混凝土板縱向鋼筋平均應(yīng)力，代替混凝土軸心受拉構(gòu)件鋼筋應(yīng)力值，按鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件計(jì)算負(fù)彎矩區(qū)組合梁混凝土板最大裂縫寬度。

由上述圖表得知：方法一和方法二工況下鋼梁上下緣應(yīng)力、橋面板混凝土裂縫均滿足規(guī)范要求，且可通過調(diào)節(jié)鋼束根數(shù)和支點(diǎn)升降值使兩者應(yīng)力接近。

3 結(jié)論

通過對(duì)多種鋼-混連續(xù)疊合梁負(fù)彎矩處理方法的介紹，結(jié)合工程實(shí)例，可以得出以下結(jié)論：

⑴張拉預(yù)應(yīng)力鋼束和調(diào)整支點(diǎn)標(biāo)高均能有效地對(duì)橋面板施加預(yù)壓應(yīng)力，減小橋面板混凝土拉應(yīng)力。

⑵按B 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)的橋面板，在負(fù)彎矩區(qū)混凝土板中配置適當(dāng)?shù)匿摻羁梢詫⒒炷涟宓牧芽p寬度限制在容許值以內(nèi)。

⑶考慮施工簡便，調(diào)整支點(diǎn)標(biāo)高法較張拉預(yù)應(yīng)力鋼束更廣泛運(yùn)用于工程實(shí)例中。

⑷當(dāng)單獨(dú)采用調(diào)整支點(diǎn)標(biāo)高法不能滿足要求時(shí)，可同時(shí)采用調(diào)整支點(diǎn)標(biāo)高法加張拉預(yù)應(yīng)力鋼束或其他方法來處理。