全組合連續(xù)梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

吳志勇

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200431）

鋼混組合梁在服役過(guò)程中其負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板在拉應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生裂縫，后期維護(hù)費(fèi)用較高，這個(gè)問(wèn)題一直困擾著國(guó)內(nèi)外橋梁工程界。目前設(shè)計(jì)主要依靠在負(fù)彎矩區(qū)施加預(yù)應(yīng)力或采用預(yù)加荷載法、支點(diǎn)位移法等予以緩解，但成橋狀態(tài)的內(nèi)力仍主要取決于施工階段的控制水平，對(duì)施工技術(shù)要求較高，且造價(jià)較高。歐美、日本等在鋼混組合連續(xù)梁工程實(shí)踐中也普遍出現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題。另外，常規(guī)鋼混組合梁的單位用鋼量一般在220 kg/m2以上，且施工混凝土橋面板時(shí)需設(shè)臨時(shí)支撐，大大增加了施工成本，沒(méi)有發(fā)揮組合梁的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)上述2 個(gè)問(wèn)題，本文提出全組合連續(xù)梁的概念，并通過(guò)預(yù)制裝配式工藝將傳統(tǒng)的“兩階段受力”［1-2］工況調(diào)整為“一階段受力”工況進(jìn)行施工，為解決負(fù)彎矩區(qū)混凝土受拉開(kāi)裂和用鋼量較大的問(wèn)題提供一種新方案。

1 全組合連續(xù)梁的特點(diǎn)

鋼混組合連續(xù)梁是將上層連續(xù)的混凝土橋面板通過(guò)剪力釘和鋼梁聯(lián)結(jié)在一起形成組合截面共同受力，負(fù)彎矩區(qū)不僅承受自重、活載的作用，還承受溫度、混凝土收縮徐變產(chǎn)生的次內(nèi)力作用，受力較為復(fù)雜。負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板在拉應(yīng)力作用下開(kāi)裂后，正負(fù)彎矩區(qū)的剛度會(huì)產(chǎn)生較大差異，并導(dǎo)致內(nèi)力和變形的計(jì)算誤差過(guò)大，同時(shí)會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性［3］。另外，為了加強(qiáng)負(fù)彎矩區(qū)受壓鋼梁底板的局部穩(wěn)定性，常采用“雙結(jié)合”技術(shù)在鋼梁底板鋪設(shè)一層無(wú)收縮混凝土。

連續(xù)組合梁相對(duì)于簡(jiǎn)支組合梁，具有以下優(yōu)點(diǎn)［4］：

1）減少了支座和伸縮縫的數(shù)量，避免了伸縮縫處鋼梁銹蝕，降低了養(yǎng)護(hù)成本；

2）具有更大的超載能力，內(nèi)力重分配作用明顯；

3）剛度較大，高跨比較??；

4）跨徑超過(guò)15 m 后，單位用鋼量較小，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

隨著橋梁工業(yè)化建造技術(shù)的推進(jìn)，預(yù)制裝配式理念也在不斷沖擊鋼混組合梁的應(yīng)用市場(chǎng)，“兩階段受力”現(xiàn)澆橋面板組合梁的優(yōu)勢(shì)日益不明顯。業(yè)內(nèi)在鋼混組合梁快速化、標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化方面也有了一些探索和嘗試，如長(zhǎng)沙湘府路3×30 m鋼板組合連續(xù)梁采用疊合橋面板，但沒(méi)有解決負(fù)彎矩區(qū)的問(wèn)題。

不同于傳統(tǒng)的鋼混組合連續(xù)梁，全組合連續(xù)梁是在正彎矩區(qū)采用混凝土頂板和鋼梁通過(guò)剪力釘結(jié)合形成正組合截面，在負(fù)彎矩區(qū)采用鋼梁頂板和通過(guò)剪力釘結(jié)合的鋼混組合底板形成負(fù)組合截面，在零彎矩點(diǎn)附近將混凝土頂板和鋼梁通過(guò)PBL 剪力鍵、剪力釘與預(yù)應(yīng)力筋等連接構(gòu)造形成混合橋面板，并保證鋼梁受力是連續(xù)的。為了減小用鋼量，鋼梁可優(yōu)先采用鋼板梁，必要時(shí)可采用開(kāi)口鋼箱梁，其腹板采用波形鋼腹板，跨中設(shè)置1道橫隔板。

本文首次將混合橋面板應(yīng)用于鋼混組合連續(xù)梁，全組合連續(xù)梁具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）充分發(fā)揮了鋼材受拉和混凝土受壓強(qiáng)度高的特性，從根本上解決了鋼混組合連續(xù)梁長(zhǎng)期沒(méi)有解決負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板受拉開(kāi)裂的問(wèn)題，也避免了設(shè)置預(yù)加力的繁瑣工藝。

2）減小了混凝土橋面板收縮徐變的次內(nèi)力和剪力釘?shù)氖芰Α?/p>

3）解決了橋面連續(xù)處橋面鋪裝易破壞的問(wèn)題。

4）多主梁可采用工廠化分片預(yù)制，可將鋼梁與混凝土橋面板在工廠內(nèi)結(jié)合，分片吊裝，形成“一階段受力”，提高了預(yù)制裝配化水平，大大減小了下部結(jié)構(gòu)的規(guī)模。

5）施工簡(jiǎn)單，縮短了施工周期。

6）相鄰2 片組合梁間少橫隔梁或無(wú)橫梁，采用波形鋼腹板可提高抗剪扭性能，節(jié)省用鋼量。

圖1 全組合連續(xù)梁構(gòu)造設(shè)計(jì)（單位：cm）

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以橋?qū)?5.7m、一聯(lián)3×30 m 鋼混連續(xù)組合梁為研究對(duì)象，將混合橋面板應(yīng)用于鋼混組合連續(xù)梁，其構(gòu)造設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。連續(xù)梁梁高1.4 m，鋼梁高1.1 m，橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度為20 cm，承托處厚度為30 cm；相鄰2片組合梁通過(guò)現(xiàn)澆濕接縫或疊合濕接縫連接。零彎矩點(diǎn)附近距離中支點(diǎn)5.75 m 處在正彎矩區(qū)設(shè)置混合橋面板混合段連接構(gòu)造，包括PBL 剪力鍵和承壓板上剪力釘，并采用預(yù)應(yīng)力筋施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行錨固。相鄰混合點(diǎn)之間負(fù)彎矩區(qū)上層為鋼橋面板，鋼梁底板通過(guò)剪力釘與20 cm 厚鋼筋混凝土進(jìn)行疊合，從而形成負(fù)組合截面；正彎矩區(qū)鋼梁上翼緣板應(yīng)通長(zhǎng)設(shè)置。中間支座處設(shè)置3 道中支點(diǎn)橫隔板，并采用折線分段線對(duì)鋼梁進(jìn)行分段，以便后期對(duì)接施焊。一聯(lián)鋼混連續(xù)組合梁?jiǎn)挝挥娩摿考s170 kg/m2。

施工時(shí)采用工廠化分片預(yù)制架設(shè)，中支點(diǎn)永久支座直接安裝于中跨梁端牛腿底部，鋼梁對(duì)接施焊后，再澆筑負(fù)組合截面的下部底板疊合混凝土。鋼橋面板頂部與現(xiàn)澆整平層平齊。

2.2 受力機(jī)理

由于鋼主梁是連續(xù)的，車輪荷載作用于混合橋面板上第一體系主梁的傳力路徑并沒(méi)有發(fā)生改變；第二體系正彎矩區(qū)混凝土橋面板應(yīng)按單向板傳力路徑分析，負(fù)彎矩區(qū)鋼橋面板應(yīng)按正交異性橋面板傳力路徑分析。傳力路徑的變化主要發(fā)生在第一體系主梁的上層縱向纖維上，即由常規(guī)的上層混凝土橋面板轉(zhuǎn)變?yōu)樯蠈踊旌蠘蛎姘?，上層縱向纖維傳力變化位置在混合段。

橋面板混合段位于全組合連續(xù)梁零彎矩點(diǎn)附近，靠近正彎矩區(qū)。橋面板受壓有利于混合段連接構(gòu)造不發(fā)生疲勞破壞。不同于正彎矩區(qū)正組合截面的受力行為，負(fù)彎矩區(qū)負(fù)組合截面上翼緣鋼橋面板受拉伸長(zhǎng)，下翼緣鋼混組合底板受壓變短，截面受力行為的分界點(diǎn)在零彎矩點(diǎn)附近。

從剪力釘受力情況來(lái)看，在傳統(tǒng)的“兩階段受力”工況下，鋼梁在混凝土濕重作用下發(fā)生下?lián)?，剪力釘并不承受混凝土橋面板自重產(chǎn)生的剪力；而“一階段受力”工況下組合梁下?lián)希袅︶斝璩惺茏灾刈饔孟陆Y(jié)合面處的剪力，但由于組合梁截面剛度較大，且橋面板不連續(xù)，剪力釘承受的剪力會(huì)有所抵消。

2.3 計(jì)算分析

采用MIDAS/Civil 2018對(duì)一聯(lián)3×30 m全組合連續(xù)梁和普通鋼混連續(xù)組合梁進(jìn)行了對(duì)比分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：一階段受力鋼梁的上下翼緣正應(yīng)力較二階段受力減小約100 MPa；靜活載跨中撓度與普通鋼混連續(xù)組合梁接近，撓跨比為1/1200，受力指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

3 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 混合橋面板

國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范關(guān)于混合橋面板連接構(gòu)造形式已有規(guī)定［5］?；旌蠘蛎姘宓脑O(shè)計(jì)關(guān)鍵在于混合段連接構(gòu)造，其主要包括承壓板、預(yù)應(yīng)力筋、過(guò)渡加勁板和抗剪連接件，見(jiàn)圖2。承壓板作為混凝土橋面板和鋼橋面板的分界，一方面要利用過(guò)渡加勁板傳力給鋼橋面板的加勁肋，另一方面要利用預(yù)應(yīng)力筋和抗剪連接件均勻傳力給混凝土橋面板。為了保證鋼梁的整體穩(wěn)定和剛度過(guò)渡，必須在承壓板處設(shè)置橫隔板，這是關(guān)鍵構(gòu)造。另外，為了保證混凝土橋面板在承壓板處的鋼筋受力連續(xù)，鋼筋應(yīng)焊接于承壓板上，并避開(kāi)抗剪連接件。

圖2 混合點(diǎn)連接構(gòu)造

3.2 工廠預(yù)制與架設(shè)

長(zhǎng)期以來(lái)，組合梁的預(yù)制裝配化沒(méi)有得到重視，原因是鋼結(jié)構(gòu)加工和混凝土澆筑分屬不同的工種，管理不協(xié)調(diào)。鋼梁分段加工、運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)就位于臨時(shí)支撐上拼裝，這個(gè)工藝在機(jī)械設(shè)備落后的情況下有其合理性。但是隨著機(jī)械設(shè)備的提升和EPC 總承包模式的推進(jìn)，鋼梁分段加工、運(yùn)輸至梁場(chǎng)拼裝，澆筑混凝土橋面板，整體吊裝或架設(shè)施工，符合快速化施工理念，已經(jīng)得到不斷推廣。全組合連續(xù)梁通過(guò)工廠預(yù)制、分片運(yùn)輸架設(shè)的工藝，可以大大提高預(yù)制裝配化水平。

“一階段受力”要求橋面板在工廠內(nèi)澆筑，在顯著提高施工質(zhì)量、保證預(yù)制精度的同時(shí)，單片組合梁的重量仍低于目前平均吊重，對(duì)于實(shí)現(xiàn)快速化、標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化和裝配化是有意義的。

工廠內(nèi)完成混合橋面板的混凝土澆筑和連接構(gòu)造是比較容易的，重點(diǎn)在于預(yù)制臺(tái)座。預(yù)制臺(tái)座的預(yù)拱度應(yīng)與組合梁截面的“一階段受力”預(yù)拱度一致，以保證在鋼梁上澆筑混凝土不能引起鋼梁的變形，否則就會(huì)出現(xiàn)“兩階段受力”問(wèn)題。

中支點(diǎn)鋼梁的分段切口應(yīng)充分考慮組合梁的預(yù)拱度，在組合梁支座就位后，切口應(yīng)滿足成橋線形要求。在組合梁吊裝前，應(yīng)通過(guò)模擬支座就位后的情況判斷鄰近鋼梁切口是否縱向匹配。如不匹配，應(yīng)在吊裝前進(jìn)行配切，以保證組合梁就位后的對(duì)接精度，從而保證順利對(duì)接拼焊［6-7］。

當(dāng)“一階段受力”施工確實(shí)困難時(shí)，可在鋼梁現(xiàn)場(chǎng)節(jié)段拼接后，采用集束式剪力釘?shù)念A(yù)制橋面板［8］進(jìn)行組合，以保證施工進(jìn)度。

3.3 疊合濕接縫

疊合濕接縫可以滿足全組合連續(xù)梁快速化施工的要求，并滿足受力要求。在混凝土橋面板工廠預(yù)制時(shí)，疊合濕接縫寬度采用30 cm窄濕接縫，預(yù)留7 cm的懸出小牛腿和1 cm 縱向梁縫，通過(guò)翼緣板和小牛腿伸出的鋼筋可實(shí)現(xiàn)濕接縫鋼筋的綁扎，并與整平層鋼筋網(wǎng)綁扎固定，再與整平層混凝土一同澆筑。先澆筑濕接縫處混凝土，再均勻澆筑橋面板處整平層，形成整體受力。疊合濕接縫構(gòu)造見(jiàn)圖3。需要強(qiáng)調(diào)的是，1 cm 縱向梁縫設(shè)計(jì)考慮的是混凝土施工誤差，而在施工過(guò)程中可按無(wú)梁縫進(jìn)行預(yù)制安裝，澆筑梁縫混凝土?xí)r可將梁縫填塞。

圖3 疊合濕接縫構(gòu)造（單位：cm）

3.4 橋面鋪裝

鋼橋面鋪裝的耐久性和開(kāi)裂問(wèn)題一直是困擾橋梁界的難題。全組合連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)也會(huì)有這個(gè)問(wèn)題，但是與常規(guī)鋼橋面鋪裝相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）鋼橋面板長(zhǎng)度約占1/4，鋼橋面鋪裝較為集中；

2）中支點(diǎn)區(qū)域橫隔板較多，剛度大，相對(duì)于跨中整體變形小；

3）整聯(lián)豎向剛度比鋼梁大，鋪裝層相對(duì)錯(cuò)動(dòng)較小。

綜上所述，全組合連續(xù)梁正彎矩區(qū)采用混凝土橋面板避免了鋼橋面鋪裝，負(fù)彎矩區(qū)鋼橋面受力性能較好，有利于提高鋼橋面鋪裝的連續(xù)性和耐久性。

需要指出，混合段承壓板是混凝土橋面板鋪裝和鋼橋面鋪裝的分界，可不進(jìn)行特殊處理，但是應(yīng)盡量通過(guò)過(guò)渡加勁板使鋼橋面板的局部剛度足夠大，以保證變形協(xié)調(diào)。

3.5 波形鋼腹板

波形鋼腹板是全組合連續(xù)梁的重要組成部分，其作用是為了控制單位用鋼量，改善鋼梁的抗扭性能和減小箱形截面橫向加勁肋的成本。在大跨度全組合連續(xù)梁中波形鋼腹板的優(yōu)勢(shì)更明顯。波形鋼腹板僅作為腹板設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)上翼緣板和剪力釘與混凝土橋面板聯(lián)結(jié)，必要時(shí)可設(shè)置橫隔板提高整體穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首次提出了“全組合”、“正組合截面”與“負(fù)組合截面”的概念，從根本上解決了組合連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板受拉開(kāi)裂的問(wèn)題。此外，提出了多片主梁“一階段受力”工況下分片預(yù)制架設(shè)工藝等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及構(gòu)造措施，可大大滿足施工快速化要求。這些對(duì)于連續(xù)組合梁的推廣應(yīng)用具有很大的參考價(jià)值和實(shí)踐意義。