大跨度連續(xù)鋼桁結(jié)合梁設(shè)計(jì)研究

焦亞萌 金 令

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

鋼桁結(jié)合梁是指由混凝土(常用作橋面板)和鋼桁架通過剪力連接鍵組合成截面共同受力、協(xié)調(diào)變形的一種復(fù)合梁式。該結(jié)構(gòu)形式在簡支梁型上應(yīng)用較多，而在連續(xù)梁型上應(yīng)用則相對較少。肖海珠等對鄭州黃河公鐵兩用橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，但未涉及施工步驟等相關(guān)問題的研究[1-3]。胡輝躍等介紹了三門峽黃河公鐵兩用大橋主橋鋼桁結(jié)合梁設(shè)計(jì)，采取了頂落梁等措施，以改善混凝土板的受力狀態(tài)[4-5]。在前人研究的基礎(chǔ)上，依托鄭濟(jì)鐵路黃河橋跨北大堤連續(xù)鋼桁結(jié)合梁橋，對鋼桁結(jié)合梁設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題，如施工步驟、彈模比、預(yù)拱度等進(jìn)行深入研究。

1 工程概況

鄭濟(jì)鐵路黃河特大橋?yàn)楣F合建、上下雙層布置(六線公路在上，四線鐵路在下)。其中，跨北大堤采用(73+139+73) m連續(xù)鋼桁結(jié)合梁方案。橋式方案為三主桁華倫式平行弦方案，邊桁桁高15.0 m，中桁桁高15.24 m，桁寬(13.4+13.4) m。上層公路橋面板為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，總寬32.5 m，采用“預(yù)制板+濕接縫”的組合形式，橋面板內(nèi)設(shè)置縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力筋。

橋梁平面位于直線上，縱斷面位于平坡段。1/2立面布置見圖1，斷面布置見圖2，公路橋面板局部平面見圖3。

圖1 鄭濟(jì)(73+139+73) m連續(xù)鋼桁梁1/2立面布置(單位：mm)

圖2 斷面布置(單位：mm)

圖3 公路橋面板局部平面(單位：mm)

2 施工步驟

本橋?yàn)?跨連續(xù)鋼桁結(jié)合梁，下部為鋼桁梁，上部為混凝土橋面板(“預(yù)制+濕接縫”形式)，兩者間通過鋼桁梁上弦的剪力釘和后澆混凝土濕接縫(槽)連接成整體。

根據(jù)場地條件，鋼桁梁部分采用支架拼裝施工，全部拼裝完成后，再吊裝混凝土預(yù)制橋面板。

公路橋面板設(shè)置了縱向預(yù)應(yīng)力筋(橋梁全長285 m)，縱向預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)分步分批張拉，需要考慮縱向預(yù)應(yīng)力筋張拉與頂落梁步驟的結(jié)合。

本橋橋面板寬度達(dá)32.5 m，橫橋向分成兩塊且設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋。橫向預(yù)應(yīng)力筋采用兩種張拉方式，第1批采用先張法(與橋面板預(yù)制同步完成)，第2批采用后張法(與濕接縫形成整體時(shí)進(jìn)行張拉)。

縱向濕接縫，橫向濕接縫，預(yù)留剪力槽的澆筑應(yīng)結(jié)合頂落梁、縱向預(yù)應(yīng)力筋張拉、橫向預(yù)應(yīng)力筋張拉有序進(jìn)行。

不同的施工方案會(huì)影響到各部分構(gòu)件的內(nèi)力分配，應(yīng)確定合理的施工順序(主要考慮頂落梁、縱向預(yù)應(yīng)力筋、橫向預(yù)應(yīng)力筋、濕接縫、預(yù)留剪力槽這幾部分的施工順序)。通過試算，最終確定本橋主要施工步驟如下(見圖4)。

(1)橋面板預(yù)制，張拉第1批先張預(yù)應(yīng)力筋，澆筑橋面板，待混凝土強(qiáng)度和彈模均達(dá)到設(shè)計(jì)值后，釋放先張預(yù)應(yīng)力。

(2)支架拼裝，無應(yīng)力合龍。拼裝時(shí)，中墩頂面和中跨臨時(shí)墩頂高程應(yīng)高于鋼梁底設(shè)計(jì)高程20 cm。

圖4 全橋施工布置示意(單位：mm)

(3)在中墩頂和中跨臨時(shí)墩頂安置千斤頂，同步起頂10 cm，并安放臨時(shí)支撐。

(4)對所有預(yù)制公路橋面板進(jìn)行吊裝，將橋面板內(nèi)的縱向鋼束穿束就位。

(5)澆筑跨中83.3 m范圍內(nèi)的縱縫及橫縫內(nèi)的自密實(shí)混凝土(預(yù)留橫縫內(nèi)對應(yīng)的邊桁上方剪力槽不澆筑)，張拉第一部分橋面板內(nèi)的第2批橫向預(yù)應(yīng)力筋(后張法)。

(6)澆筑第一部分預(yù)制板剪力槽和橫縫預(yù)留的剪力槽，再張拉縱向N1鋼束。

(7)撤去中跨的臨時(shí)墩。

(8)澆筑兩側(cè)各68.45 m范圍內(nèi)的縱縫及橫縫內(nèi)自密實(shí)混凝土(預(yù)留橫縫內(nèi)對應(yīng)的邊桁上方剪力槽不澆筑)，張拉第二部分各板內(nèi)的第2批橫向預(yù)應(yīng)力筋(后張法)。

(9)澆筑第二部分預(yù)制板剪力槽和橫縫預(yù)留的剪力槽。

(10)中墩支點(diǎn)落梁30 cm。

(11)單端張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束N2。

(12)澆筑兩側(cè)各33.15 m范圍內(nèi)的縱縫及橫縫內(nèi)自密實(shí)混凝土(預(yù)留橫縫內(nèi)對應(yīng)的邊桁上方剪力槽不澆筑)，張拉第三部分各板內(nèi)的第2批橫向預(yù)應(yīng)力筋(后張法)。

(13)澆筑第三部分預(yù)制板剪力槽和橫縫預(yù)留剪力槽。張拉縱向N3、N4鋼束。

(14)上二期恒載，全橋施工完畢。

單桁模型施工過程的各主要構(gòu)件軸力見表1～表3，其中拉力為正，壓力為負(fù)。

表1 各階段主要上弦桿件軸力 kN

表2 各階段主要下弦桿件軸力 kN

表3 各階段主要公路橋面板軸力 kN

對本橋施工步驟及軸力的分析表明：

(1)落梁可增加公路橋面板的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，引起鋼桁梁支點(diǎn)下弦軸力的變化較大，上弦軸力的變化相對較小?？刹扇☆A(yù)先起頂鋼梁來補(bǔ)償鋼桁梁的軸力變化，但應(yīng)注意控制起頂高度，以防止邊墩出現(xiàn)負(fù)反力。本橋施工中，將鋼梁預(yù)先起頂10 cm，與混凝土橋面板結(jié)合后，再落梁30 cm。

(2)在中跨設(shè)置臨時(shí)墩、鋼梁預(yù)先起頂、與混凝土橋面結(jié)合后再撤去臨時(shí)墩等措施均可以改善跨中鋼梁內(nèi)力。本工程中，在主跨設(shè)置臨時(shí)支墩，并將臨時(shí)支墩和中墩一起預(yù)先起頂10 cm。

(3)橋面板與鋼桁結(jié)合施工時(shí)，應(yīng)先澆筑縱向和橫向濕接縫，再進(jìn)行橋面板橫向后張預(yù)應(yīng)力筋的張拉，之后再澆筑預(yù)留濕接縫和剪力槽。橫向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉時(shí)，橋面板與中桁固結(jié)，與邊桁未固結(jié)，可有效提高施加的預(yù)應(yīng)力作用。

(4)縱向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉應(yīng)結(jié)合橋面板的施工順序，并采用單端張拉方式，可避免鋸齒塊的設(shè)置，提高總體結(jié)構(gòu)景觀性和耐久性。

3 彈模比取值

鋼混結(jié)合梁設(shè)計(jì)中，常用鋼與混凝土的彈模比(n)來進(jìn)行截面換算[6]。目前，鐵路結(jié)合梁設(shè)計(jì)規(guī)定[7]中，計(jì)算混凝土收縮徐變時(shí)，n值取15；計(jì)算活載時(shí)，n值取10；計(jì)算溫度時(shí)，n值取6。新的鐵路極限狀態(tài)法中則規(guī)定了更為復(fù)雜的彈模比[8]，這使得結(jié)構(gòu)計(jì)算更加復(fù)雜。為了簡化計(jì)算，在施工過程、成橋狀態(tài)的計(jì)算中，均采用彈模比n=15，對鋼結(jié)構(gòu)來說相對安全。

本橋混凝土橋面板與鋼桁梁結(jié)合時(shí)，預(yù)制橋面板的澆筑時(shí)間已大于6個(gè)月，而濕接縫部分則剛具備7天左右齡期，兩者差別較大。設(shè)計(jì)中分別按n=15和n=6進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4(負(fù)值表示受壓)。

表4 不同彈模比下主要桿件軸力 kN

由表4可以看出，由于有預(yù)應(yīng)力筋的作用，公路橋面板均處于受壓狀態(tài)，n=6時(shí)，各個(gè)位置壓力均較大，而對鋼桁梁部分，由于預(yù)應(yīng)力筋的作用，其內(nèi)力已不具備規(guī)律性。因此，在具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況選用合適的彈模比，不應(yīng)再按n=15進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]本橋預(yù)制板占到總長80%，且結(jié)合時(shí)預(yù)制板已存放不少于6個(gè)月，故選用彈模比n=6進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 預(yù)拱度的設(shè)置

為了便于鋼桁梁的制作與安裝，對于下承式鋼桁梁，應(yīng)使縱梁和下弦桿件保持長度不變，調(diào)整上弦桿的理論長度。而對于上承式鋼桁梁，則保持縱梁和上弦桿長度不變，調(diào)整下弦桿的理論長度。另外，還要考慮工程的實(shí)施方便，桿件長度調(diào)整應(yīng)為整數(shù)[3]。

預(yù)拱度設(shè)置時(shí)，一般節(jié)點(diǎn)按鉸接考慮。對于簡支梁等簡單的桁架結(jié)構(gòu)，可以采用幾何法[9-10]，通過幾何規(guī)律直接求得桿件伸長量；對于復(fù)雜的連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)，可以采用位移荷載起拱法[11]、升降溫法[12-14]等；但對于連續(xù)梁等超靜定結(jié)構(gòu)，這兩種方法都容易產(chǎn)生較大的附加反力和起拱應(yīng)力，且直接求得的桿件調(diào)整值非整數(shù)，不便于工程實(shí)施。

本橋設(shè)計(jì)時(shí)，采用了如下的方法求解預(yù)拱度的上弦桿調(diào)整量，即取消中支點(diǎn)的兩個(gè)約束，建立單片簡支靜定鉸接桁架模型。

[Δki]=[Fji]·Δ[lj]

(1)

其中：[Δki]表示節(jié)點(diǎn)i預(yù)拱度值。

[Fji]表示在節(jié)點(diǎn)i施加單位荷載所引起桿件j的內(nèi)力值。

[Δlj]表示桿件j的長度變化值。

依據(jù)以上虛功原理，編制了鋼桁梁預(yù)拱度計(jì)算程序trusscamber，可限定各桿件的調(diào)整范圍，自動(dòng)依次帶入每組的桿件調(diào)整值，求解對應(yīng)的預(yù)拱度值，最后按照與理論預(yù)拱度差值的平方和最小進(jìn)行排序，輸出若干組結(jié)果供選擇。

采用該方法計(jì)算鋼桁梁預(yù)拱度時(shí)需注意以下幾點(diǎn)。

(1)trusscamber程序采用枚舉法進(jìn)行計(jì)算求解，當(dāng)桁梁規(guī)模較大時(shí)，計(jì)算量將非常龐大。應(yīng)結(jié)合桿件關(guān)系，盡量減少調(diào)整桿件的數(shù)量，以減少枚舉值數(shù)組的個(gè)數(shù)。本橋采用華倫式桁架，梁端上弦桿調(diào)整值對預(yù)拱度無影響，其伸長值為0，不計(jì)入程序計(jì)算；上弦T形節(jié)點(diǎn)兩側(cè)桿件的調(diào)整值之和不變，其對應(yīng)預(yù)拱度值也不變，故定義兩側(cè)桿件調(diào)整值相同(可調(diào)桿件數(shù)量減半)，可大大減少程序計(jì)算的數(shù)組個(gè)數(shù)。

(2)可以將有限元模型中需調(diào)整桿件的剛度減小(變?yōu)槿嵝詶U)，并將各節(jié)點(diǎn)拱度值作為伸長值范圍的中值，在中值上、下取若干值作為伸長值的枚舉范圍。

(3)選取最優(yōu)結(jié)果時(shí)，應(yīng)注意邊界限制條件，連續(xù)梁中支點(diǎn)下落值應(yīng)與實(shí)際值一致。本橋施工過程中，先起頂10 cm再下落30 cm，中支點(diǎn)預(yù)拱度值為20 cm，故最終選擇時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證支點(diǎn)位置的起拱數(shù)值接近20 cm。

本橋最終確定的上弦桿件調(diào)整值、理論上拱度和實(shí)設(shè)桿件調(diào)整值的廠設(shè)上拱度值見圖5。經(jīng)本方法計(jì)算選定的上弦桿調(diào)整值、中支點(diǎn)處的理論預(yù)拱度和實(shí)設(shè)預(yù)拱度均為200.0 mm，其余點(diǎn)差值最大為9 mm，精度滿足要求。

圖5 1/2跨桿件調(diào)整與預(yù)拱度(單位：mm)

5 結(jié)論與建議

(1)連續(xù)鋼桁梁的施工順序?qū)B續(xù)鋼桁梁各桿件的內(nèi)力影響較大，設(shè)計(jì)中應(yīng)予以充分考慮，應(yīng)將頂落梁、橋面板與鋼桁梁結(jié)合、縱橫向預(yù)應(yīng)力張拉等工序進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，保證連續(xù)鋼桁梁的各構(gòu)件受力達(dá)到最優(yōu)化。

(2)應(yīng)結(jié)合施工步驟、混凝土板上橋時(shí)間等綜合確定鋼混彈模比。

(3)根據(jù)虛功原理結(jié)合自編程序，可以解決連續(xù)鋼桁梁預(yù)拱度的設(shè)置問題，提高工作效率。