鋼-混凝土疊合梁橋成橋新方案

彭亞東 何維利 徐德標

（北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082）

引言

鋼-混凝土疊合梁是指通過在鋼梁和混凝土翼緣板之間設置剪力連接件（目前實際工程主要為栓釘），抵抗兩者在交界面處的掀起及相對滑移，使之成為一個整體而共同工作的主梁。鋼-混凝土疊合梁橋剛度更大，噪音較?。?］。同混凝土梁相比能夠有效降低梁高，減輕自重，提升跨越能力；同鋼梁相比能夠減少用鋼量，節(jié)約造價，增大剛度和穩(wěn)定性，且采用預應力混凝土橋面板比鋼橋面耐久性、耐疲勞性能更好。從施工上來說，鋼-混凝土疊合梁橋采用的是工廠預制和現(xiàn)場澆筑相結合，這樣能發(fā)揮預制與現(xiàn)澆各自的優(yōu)點。從造價上來看，鋼-混凝土疊合梁橋比鋼箱梁橋更加經濟合理。由于城市空間限制以及施工階段交通不中斷等要求，鋼-混凝土疊合梁橋無支架施工被廣泛應用［2］。

本文以海淀區(qū)上莊路跨京密引水渠橋為例，通過優(yōu)化鋼-混凝土疊合梁橋構造使其充分發(fā)揮鋼材和混凝土的材料性能，改善閉口封閉斷面的檢查維護困難問題，控制鋼-混凝土疊合梁橋橋面板預制時段和澆筑順序及鋼梁制作段安裝階段，并優(yōu)化橋面板鋼束布置方式，從而達到改善結構受力降低材料用量的目的。

1 工程概況

上莊路跨京密引水渠橋全長667m，橋寬27m，跨徑組合為2×（30+30+30）+（32+63+32）+4×（30+30+30）m，其中引橋為3×30m先簡支后連續(xù)小箱梁，主橋為（32+63+32）m鋼-混凝土疊合梁。圖1為京密引水渠主路橋布置示意。

主橋中跨跨越京密引水渠，邊跨跨越現(xiàn)況黑龍?zhí)堵?，受橋下凈空等邊界條件限制，主梁梁高為2.4m，主梁高跨比達到1/26.25。為盡可能降低橋梁施工對現(xiàn)況黑龍?zhí)堵方煌ê途┟芤踩挠绊?，主橋?混疊合梁中跨擬不設置臨時支墩，采用無支架工法施工。

2 方案設計

鋼-混凝土疊合梁的典型斷面為鋼梁在下混凝土橋面板在上，兩者通過剪力釘連接。由于鋼梁部分主要在截面中性軸以下，混凝土橋面板在截面中心軸以上，故當截面在承受正彎矩內力時（如荷載作用下的簡支梁中跨跨中和連續(xù)梁中跨跨中），下緣鋼材受拉、上緣混凝土受壓，這樣充分發(fā)揮了兩種材料的性能；但當截面在承受負彎矩內力時（如荷載作用下的連續(xù)梁中支點），上緣的橋面板承受較大的拉應力，同時考慮收縮徐變和溫度的作用，此處混凝土橋面板極易開裂，影響橋梁結構安全和耐久性。在實際工程中，為了使連續(xù)梁中支點上緣橋面板滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62-2004）抗裂要求，通常需要在此處設置大量頂板負彎矩鋼束。

以京密引水渠橋為例，常規(guī)疊合梁斷面如圖2所示。

為降低橋面板的厚度減輕自重，分離式鋼箱單箱寬度取1.8m，兩箱橫向間距1.3m，橋面板懸臂1.075m。

常規(guī)鋼-混疊合梁的施工方式為：搭設臨時支架→架設鋼梁制作段并連接成整體→澆筑橋面板混凝土→橋面板混凝土達到設計強度后張拉體外預應力、橋面板鋼束→拆除支架，施工橋面附屬。

當連續(xù)梁跨徑較大且梁高受限時，采用該方案施工，中支點負彎矩內力較大，橋面板需要配置較多負彎矩預應力短束，以滿足抗裂要求，而大量短束錨固會在橋面板內產生較大的拉應力，為了抵消此拉應力又需要設置通長頂板束，這樣既增加造價又提高了施工難度。本文提出以下幾種成橋施工方案，通過比較關鍵點處的計算指標，探索較優(yōu)方案。

為避免預應力鋼束布置對計算結果的影響，在荷載相同，不張拉預應力的前提下，比較各施工方案中墩墩頂、中跨跨中幾個關鍵點處混凝土橋面板和鋼梁的應力及主梁中跨跨中撓度值。

本文采用橋梁博士V3.6有限元程序建立平面桿系模型進行施工階段計算，主梁和墩柱采用梁單元模擬，中墩采用固定支座，邊墩采用板式橡膠支座，墩底固結。模型計算參數如下：

（1）一期恒載包括主梁材料重，預應力混凝土容重取26kN/m3；

（2）二期恒載包括鋼梁橫向加勁肋、橋面鋪裝、防撞護欄等；

（3）鋼梁橫向加勁肋：荷載4kN/m；

（4）鋼模板、橫向聯(lián)系：荷載2kN/m；

（5）橋面鋪裝：瀝青混凝土鋪裝厚11cm，容重25kN/m3；

（6）鋼筋混凝土鋪裝厚：10cm，容重25kN/m3；

（7）防撞護欄：單側荷載9kN/m；

（8）收縮徐變時間取10年，即3600天；

（9）汽車荷載等級：城市A級；

（10）橫向偏載增大系數：1.20；

（11）車道折減系數：按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）要求取值；

（12）沖擊系數：程序自動計算；

（14）局部溫差：按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中第4.3.10條計算；

（15）各基礎不均勻沉降均按5mm計算，程序自動按最不利進行組合。

各方案施工順序及計算結果見第3節(jié)。

3 成橋方案對比

常規(guī)方案一（以下簡稱方案一）步驟如圖3所示，具體施工順序如下：

圖3 方案一步驟Fig.3 The steps of the first plan

（1）架設臨時支墩，架設邊跨鋼梁，施工邊跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖3a；

（2）架設中跨鋼梁，鋼梁縱向連接成整體，施工中跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖3b；

（3）施工支點橫梁，橋面板鋼模板，見圖3c；

（4）澆筑全橋橋面板，見圖3d；

夸德曼給出的這個紳士定義，明顯體現(xiàn)了“帝國的懷舊”情結。在一個鐵路和汽船已成為主要交通工具的時代，這位老獵手和爵士懷念的是“廣闊的大海和上帝的狂風”，盡管此次出門旅行并非海上冒險，但徒步穿越浩瀚的非洲沙漠和示巴女王的雪山，追尋所羅門國王遺留的寶藏，也足以激發(fā)一個“真正的紳士”的探險激情和男子勇氣了。

（5）橋面板混凝土達到強度參與結構受力，拆除臨時支架，見圖3e；

（6）進行橋面鋪裝等附屬結構施工，見圖3e。

方案一計算結果見表1，表中成橋狀態(tài)為不配置預應力，短效組合為配置相同預應力，其余表相同。

表1 方案一計算結果Tab.1 The Result of the first plan

常規(guī)方案二（以下簡稱方案二）步驟如圖4所示，具體施工順序如下：

（1）架設臨時支墩，架設邊跨鋼梁，進行邊跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖4a；

（2）吊裝中跨鋼梁，與邊跨鋼梁連接成整體，進行中跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖4b；

（3）施工支點橫梁以及橋面板鋼模板，見圖4c；

（4）拆除所有臨時支架，見圖4c；

（5）澆筑全橋橋面板，見圖4d；

（6）橋面板混凝土達到強度參與結構受力，見圖4d；

（7）進行橋面鋪裝等附屬結構施工，見圖4d。

方案二計算結果見表2。

表2 方案二計算結果Tab.2 The Result of the second plan

圖4 方案二步驟Fig.4 The steps of the second plan

由表1、表2可知，方案二較方案一中墩墩頂橋面板拉應力降低近40%，這樣能節(jié)約大量中墩墩頂橋面板短束。但由于短束錨固、混凝土收縮和溫度梯度的共同作用，使得短效組合中跨跨中橋面板混凝土上緣產生較大的拉應力（約-4.8MPa），要滿足規(guī)范B類預應力構件抗裂要求，仍需配置一定量的負彎矩短束［3］。經橋梁博士V3.6有限元程序計算，需要在中墩墩頂橋面板配置24根15-10預應力鋼束，此時中墩墩頂橋面板拉應力為-1.37MPa。

如要消除這部分拉應力，目前常規(guī)做法是增加橋面板通長鋼束，但這樣會導致預應力鋼束用量大幅提高。為了解決這一問題，我們研究提出了一種成橋新方案，即中跨采用吊裝疊合梁，橋面板為部分預制加現(xiàn)澆濕接縫的形式，利用先期疊合梁自重產生的橋面板壓應力來抵消這部分拉應力。具體斷面如圖5所示。

圖5 成橋新方案中跨采用預制橋面板斷面Fig.5 The steel-concrete beam with Prefabricated bridge deck diagram

成橋新方案（以下簡稱新方案）步驟如圖6所示，具體施工順序如下：

（1）架設臨時支墩，架設邊跨鋼梁，進行邊跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖6a；

（2）施工支點橫梁、橋面板鋼模板，見圖6b；

（3）吊裝中跨疊合梁（采用無支架工法），鋼梁連接成整體，進行中跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖6c；

（4）拆除所有邊跨臨時支架，見圖6d；

（5）澆筑剩余邊跨橋面板、中墩墩頂負彎矩區(qū)橋面板，見圖6d；

（6）橋面板混凝土達到強度參與結構受力，見圖6d；

（7）進行橋面鋪裝等附屬結構施工，見圖6d。

新方案計算結果見表3。

表3 新方案計算結果Tab.3 The result of new plan

圖6 新方案步驟Fig.6 The steps of new plan

由表3可知，在不配置預應力的情況下，成橋時新方案中跨跨中橋面板上緣產生3.35MPa的壓應力，該壓應力能有效抵消橋面板由于短束錨固、混凝土收縮和溫度梯度產生的拉應力，且新方案為疊合梁吊裝，故中跨跨中撓度也較方案二顯著降低，同時新方案取消了中跨臨時支架，既方便施工，又避免了施工臨時支架對京密引水渠的污染。

經計算當新方案配置與方案二同樣的鋼束時，短效組合中墩墩頂橋面板拉應力相對于方案二降低了0.06MPa，中跨跨中上緣橋面板拉應力顯著降低了4.2MPa，節(jié)省了橋面板通長鋼束的設置，既節(jié)約造價又方便施工。

新方案第（3）步吊裝中跨疊合梁，目的是在中跨跨中上緣橋面板產生一定的壓應力儲備，抵消橋面板由于短束錨固、混凝土收縮和溫度梯度產生的拉應力。實際上如果條件允許，要達到此目的還可以采取在中跨跨中設置臨時支墩再澆筑中跨跨中橋面板，然后拆除中跨跨中臨時支架的方法。新方案的等效方案步驟如圖7所示，具體施工順序如下：

（1）在邊跨及中跨跨中設置臨時支墩，架設邊跨鋼梁，進行邊跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖7a；

（2）施工支點橫梁、橋面板鋼模板，見圖7b；

（3）吊裝中跨鋼梁（采用無支架工法），鋼梁連接成整體，進行中跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖7b；

（5）澆筑中跨跨中部分橋面板，見圖7c；

（6）中跨跨中橋面板混凝土達到強度參與結構受力，見圖7c；

（7）拆除臨時支墩，見圖7d；

（8）澆筑剩余部分橋面板混凝土，見圖7d；

（9）進行橋面鋪裝等附屬結構施工，見圖7d。

圖7 新方案的等效方案Fig.7 The steps of another new plan

4 截面優(yōu)化

根據4個方案比較可知，新方案不需要搭設中墩臨時支架，且新方案中跨跨中上緣橋面板有一定的壓應力儲備，不需要設置通長鋼束，既節(jié)省造價又方便施工。但4個方案有一個共同特點，即成橋狀態(tài)時，中跨跨中下緣鋼梁的拉應力不足70MPa，鋼材的受拉性能沒有充分發(fā)揮，故有必要研究是否可以取消跨中鋼箱底板。

因此提出鋼-混疊和梁截面優(yōu)化方案，即將跨中部分箱形斷面改為工字形斷面，優(yōu)化后的斷面見圖8。

按優(yōu)化后的斷面，利用橋梁博士V3.6有限元程序建立模型，按新方案施工順序進行縱向整體計算。計算結果見表4。

表4 截面優(yōu)化方案計算結果Tab.4 The result of plan with optimized section

在不配置預應力的情況下，成橋時截面優(yōu)化方案較新方案中跨跨中鋼梁下緣拉應力增大26MPa，撓度稍微增大12mm。當與新方案配置同樣鋼束時，截面優(yōu)化方案相對于新方案短效組合中墩墩頂橋面板拉應力又降低了0.54MPa，中跨跨中上緣橋面板拉應力顯著降低了0.4MPa。

圖8 中跨跨中斷面（隔板處）Fig.8 The cross section at middle span

截面優(yōu)化方案由于將箱形斷面改為工字形斷面，取消了鋼箱底板，材料用量大幅降低，且便于鋼梁的后期維護［4］。

5 綜合對比

綜合各方案計算結果見表5。

表5 各方案對比結果Tab.5 The results of different plans

由表5可知截面優(yōu)化方案應力情況最好，且其材料用量指標也較低，新方案與截面優(yōu)化方案的主要材料用量指標對比見表6。

表6 材料用量指標Tab.6 The material consumption index of different plans

6 結語

鋼-混疊合梁的成橋狀態(tài)與施工方案息息相關，合理的施工方案既方便了施工，又能充分發(fā)揮材料性能。本文通過對以上三種施工方案的整體數據對比可以得出如下結論：①先吊裝中跨疊合梁（或在中跨跨中設置臨時支墩，澆筑中跨跨中橋面板）→②拆除臨時支架→③最后澆筑中支點橋面板，該施工方案能夠有效降低橋面板的成橋拉應力。吊裝中跨疊合梁（或在中跨跨中設置臨時支墩）能夠在中跨跨中儲備一定的壓應力，抵消橋面板由于短束錨固、混凝土收縮和溫度梯度產生的拉應力，避免設置通長預應力鋼束，既節(jié)省材料又方便施工。先澆筑中跨跨中橋面板，然后拆除臨時支架再澆筑中支點橋面板，能夠有效降低中墩墩頂橋面板負彎矩產生的拉應力，從而減少負彎矩鋼束用量。而采用工字型鋼梁截面可以充分發(fā)揮鋼材受拉的性能，減少鋼材用量，降低后期維護難度。希望該工程實踐能夠給類似工程設計提供借鑒。

致謝

本文在撰寫過程中得到了院專業(yè)副總工何維利教授、室主任徐德標教授的無私指導，在此表示衷心的感謝。