鋼混組合梁壓型鋼板組合橋面板設(shè)計(jì)探討

張玉生

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，廣東 佛山 528000]

0 引言

鋼混組合梁目前使用的橋面板中，混凝土橋面板因其整體性好、造價(jià)低在中小跨徑橋梁中得到廣泛使用?；炷翗蛎姘蹇刹捎矛F(xiàn)澆橋面板或預(yù)制橋面板。鋼混組合梁常用于跨高速或市政道路橋梁，施工期間橋下有行車需求，而現(xiàn)澆橋面板一般需要臨時(shí)支架和模板，對(duì)橋下行車有較大影響，即便構(gòu)造上滿足移動(dòng)模架或斜拉支架法施工，也顯得格外繁瑣且施工周期較長(zhǎng)；常規(guī)的預(yù)制橋面板方案則在吊裝時(shí)存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，特別是橋梁離地面高度較大時(shí)；另外，在橋面板分塊預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)的吊裝工作量較大，后澆濕接縫的力學(xué)性能也需要不斷探索和研究。

因此，不管是現(xiàn)澆還是預(yù)制混凝土橋面板，都存在一些無法回避的問題，而橋面系中采用組合結(jié)構(gòu)成為了近幾年工程界探索發(fā)展的一個(gè)重要方向。組合橋面板既能解決現(xiàn)澆時(shí)支架、模板問題，同時(shí)鋼板也能充當(dāng)橋面系受力的一部分，通過降低橋面板厚度來減低主體結(jié)構(gòu)用鋼指標(biāo)，提升橋梁整體經(jīng)濟(jì)性。近年來，組合橋面板因其自重輕、強(qiáng)度高在大跨度橋梁中應(yīng)用較多[1]，如佛山東平大橋、四川瀘州合江長(zhǎng)江一橋及上海金山區(qū)北環(huán)跨掘石港大橋等均采用鋼混疊合板組合橋面板；齊魯黃河大橋和鳳凰黃河大橋采用正交異性組合橋面板；洞庭湖二大橋和寧波中興大橋等采用UHPC- 鋼組合橋面板。對(duì)于中小跨徑橋梁，因組合橋面板的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不占優(yōu)所以應(yīng)用較少，但近年來壓型鋼板組合橋面板因經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)而在中小跨徑橋梁中的應(yīng)用逐漸增加。本文分析探討了壓型鋼板組合橋面板的設(shè)計(jì)，為該結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用提供參考。

1 壓型鋼板構(gòu)造

壓型鋼板最早作為樓面板應(yīng)用于高層建筑，近幾年逐步應(yīng)用于橋面板。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范、圖集均為建筑結(jié)構(gòu)方向。壓型鋼板從形狀上可分為閉口型和開口型2 種，其構(gòu)造尺寸見圖1。

圖1 壓型鋼板構(gòu)造尺寸（bw 為凸肋平均寬度）

閉口型鋼板剛度大，用鋼指標(biāo)相對(duì)較高；開口型鋼板剛度相對(duì)較小，用鋼指標(biāo)相對(duì)較低，且其轉(zhuǎn)角均為鈍角，方便混凝土澆筑和結(jié)合。目前，壓型鋼板在樓面板上應(yīng)用較多。文獻(xiàn)[2-3]指出，組合樓板的總厚度（板肋以上混凝土厚度hc+ 壓型鋼板高度） 應(yīng)不小于90 mm，其中hc應(yīng)不小于50 mm。

2 壓型鋼板在組合梁中的應(yīng)用

壓型鋼板組合樓板可分為非組合板及組合板[2-3]。

（1）非組合板：壓型鋼板僅作為永久性模板，在波槽內(nèi)另為混凝土配筋。

（2）組合板：透過壓型鋼板的特殊斷面及其表面與混凝土之間的機(jī)械咬合作用，使得壓型鋼板可以有效地與混凝土組合成一體，當(dāng)運(yùn)用于組合樓板時(shí)，可替代正彎矩鋼筋，樓板下層不需額外設(shè)置受拉鋼筋。

對(duì)于橋梁而言，因其長(zhǎng)期承受汽車動(dòng)荷載，壓型鋼板與混凝土的黏結(jié)在長(zhǎng)期汽車振動(dòng)下容易脫離，另外壓型板較薄，剛度貢獻(xiàn)有限，因此考慮僅在施工階段按組合板設(shè)計(jì)，正常使用階段按非組合板考慮。

壓型鋼板組合橋面板示意圖見圖2。

圖2 壓型鋼板組合橋面板示意圖

3 性能分析

3.1 設(shè)計(jì)原則及荷載取值

壓型鋼板組合橋面板施工階段和使用階段均需進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算，壓型鋼板構(gòu)造尺寸往往由施工階段荷載控制。

3.1.1 施工階段荷載計(jì)算取值

（1）對(duì)混凝土板底模的壓型鋼板按彈性方法進(jìn)行強(qiáng)度和變形驗(yàn)算。

（2）計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮臨時(shí)支撐的影響，但考慮到下料的不利情況，也可按2 跨連續(xù)板或單跨簡(jiǎn)支板進(jìn)行計(jì)算。

（3）混凝土濕重。

（4）施工荷載按2.5 kPa 取值，撓度驗(yàn)算時(shí)取1.0 kPa。壓型鋼板的撓度限值取L/180 或20 mm 的較小值。

3.1.2 正常使用階段驗(yàn)算取值

（1）非組合板按鋼筋混凝土板的計(jì)算方法。

（2）組合板應(yīng)驗(yàn)算正截面抗彎承載力、縱向抗剪承載力。

（3）正常使用階段裂縫驗(yàn)算時(shí)，按裂縫不大于0.15 mm 控制。

（4）使用階段撓度限值取L/360。

依托某項(xiàng)目跨線橋主橋（28 m+40 m +28 m 連續(xù)鋼混組合梁）做橋面板分析計(jì)算。橋面板縱向跨度8 m，壓型鋼板橫向跨度3.9 m，橋面板厚度280 mm，采用開口型壓型鋼板（Q355），橫向布置，橋面板為橫向單向受力板。

跨中斷面示意圖見圖3。

圖3 跨中斷面示意圖（單位：mm）

3.2 施工階段分析

壓型鋼板自身剛度有限，施工階段混凝土澆筑時(shí)鋼板的承載力和變形成為關(guān)鍵控制因素。選取最大型號(hào)壓型鋼板YXB76-305-915 （板厚1.5 mm）進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算。組合梁橫向跨度對(duì)鋼板承載力和變形影響較敏感，當(dāng)混凝土一次性澆筑時(shí)，僅由鋼板自身承擔(dān)荷載。

壓型鋼板應(yīng)力- 橫向跨度圖見圖4；壓型鋼板變形- 橫向跨度圖見圖5。

圖4 壓型鋼板應(yīng)力- 橫向跨度圖

圖5 壓型鋼板變形- 橫向跨度圖（單位:MP a）

由圖4、圖5 可知：混凝土豎向一次性澆筑時(shí)，鋼板自身承受較大荷載，承載力隨跨度變化基本呈線形分布，壓型鋼板橫向跨度為3.1 m 時(shí)為臨界點(diǎn)；變形隨跨度變化呈拋物線分布，壓型鋼板橫向跨度臨界點(diǎn)為2.9 m。因此，混凝土一次性澆筑時(shí)壓型鋼板橫向跨度一般需控制在2.9 m 之內(nèi)。

舉例計(jì)算的項(xiàng)目橫向跨度為3.9 m，需考慮設(shè)置臨時(shí)角鋼支撐或混凝土分2 次澆筑，以滿足壓型鋼板受力需求。若混凝土分2 次澆注，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，第1 次澆筑厚5 cm 混凝土，此時(shí)混凝土與鋼板共同抵抗第2 次澆筑的混凝土荷載，當(dāng)其強(qiáng)度和彈模達(dá)到設(shè)計(jì)值的70%時(shí)，澆筑第2 次混凝土。經(jīng)驗(yàn)算，能滿足要求。

3.3 使用階段分析

橋面板縱向跨度8 m，壓型鋼板橫向跨度3.9 m，考慮縱向整體受力需求，橋面板厚度取250 mm 或280 mm，進(jìn)行橫向驗(yàn)算分析。在使用階段，縱橫向受力體系無需疊加，不考慮壓型鋼板的組合作用。擬定4 個(gè)模型進(jìn)行驗(yàn)算分析，計(jì)算參數(shù)見表1，矩形板配筋示意圖見圖6，矮T 肋板配筋示意圖見圖7。

表1 計(jì)算參數(shù)表

圖6 矩形板配筋示意圖（單位:mm）

圖7 矮T 肋板配筋示意圖（單位:mm）

采用Midas/Civil 2019 建立板單元模型（見圖8），汽車荷載按車輛荷載加載，考慮超載30%，提取內(nèi)力進(jìn)行強(qiáng)度及裂縫驗(yàn)算。

圖8 板單元模型

考慮汽車偏載作用，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，最大彎矩發(fā)生在懸臂根部，提取基本組合及頻遇組合數(shù)值進(jìn)行強(qiáng)度及裂縫驗(yàn)算。模型1 基本組合橫向彎矩見圖9，模型1 頻遇組合橫向彎矩見圖10，驗(yàn)算分析表見表2。

圖9 模型1 基本組合橫向彎矩（單位：kN·m）

圖10 模型1 頻遇組合橫向彎矩（單位：kN·m）

表2 驗(yàn)算分析表

由表2 可知：

（1）若按矩形板計(jì)算，需取板厚hc=280 mm，配筋按25＠150 mm 控制，配筋率為2.5%，承載力富余20%，裂縫寬度0.131 mm。

（2）若按矮T 肋板計(jì)算，可取板厚hc=250 mm，配筋按22＠150 mm 控制，配筋率為1.8%，承載力富余12%，裂縫寬度0.144 mm。

（3）按矮T 肋板計(jì)算較按矩形板計(jì)算的承載力提高約20%～30%，板厚越小提高幅度越大。

（4）按矮T 肋板配筋板厚取值及主筋配筋率有一定經(jīng)濟(jì)性，但其鋼筋布置較復(fù)雜，需在凹槽內(nèi)布置主筋及箍筋，鋼筋綁扎工作量大，混凝土需2 次澆筑，施工較麻煩。

3.4 構(gòu)造細(xì)節(jié)

（1）橋面板按矩形板配筋設(shè)計(jì)時(shí)，壓型鋼板凹槽區(qū)填筑的素混凝土增加了結(jié)構(gòu)的恒載負(fù)擔(dān)，可考慮在壓型鋼板上覆蓋鐵皮（見圖11） 或填筑輕質(zhì)材料（見圖12），無需填筑凹槽區(qū)混凝土，以減輕自重。

圖11 上貼鐵皮蓋板（單位：mm）

圖12 填筑輕質(zhì)材料（單位：mm）

（2）壓型鋼板橫向在主縱梁翼緣板處斷開，搭接5 cm，端部需封口處理以確保不漏漿不滲水。處理方法包括端頭泡棉收邊、端頭壓扁式收邊以及堵頭板收邊等方式，目前常用的為堵頭板收邊，施工方便且可靠度高。端頭收邊方式見圖13。

圖13 端頭收邊方式

（3）壓型鋼板搭設(shè)在翼緣上邊，混凝土澆筑時(shí)鋼板發(fā)生變形后端部會(huì)發(fā)生翹曲。為防止收邊處漏漿或滲水，需對(duì)鋼板搭設(shè)的四邊進(jìn)行點(diǎn)焊及涂刷密封膠。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）壓型鋼板自重輕，方便現(xiàn)場(chǎng)施工，施工速度快，無需吊裝機(jī)械，現(xiàn)場(chǎng)攤鋪成本低；壓型鋼板綜合單價(jià)費(fèi)用約180 元/m2，現(xiàn)澆混凝土無需設(shè)置支架及模板，經(jīng)濟(jì)性與常規(guī)施工方案相當(dāng)，橋面離地面高度較大時(shí)優(yōu)勢(shì)更加明顯。

（2）考慮混凝土澆筑速度及便利性，混凝土豎向盡量按1 次澆筑完成；組合梁壓型鋼板橫向跨度需控制在2.9 m 之內(nèi)，對(duì)于一般滿足單車道運(yùn)輸寬度的組合梁均能適用。若組合梁跨度超過3 m 時(shí)需設(shè)置臨時(shí)角鋼支撐或2 次澆筑混凝土來滿足壓型鋼板受力需求。

（3）橋面板按矮T 肋板配筋計(jì)算較按矩形板計(jì)算時(shí)，其承載力能提高20%～30%，提高幅度較大，但其鋼筋布置較復(fù)雜，需在凹槽內(nèi)布置主筋及箍筋，鋼筋綁扎工作量大，且混凝土需2 次澆筑，施工較麻煩。建議按矩形板布置，鋼板凹槽區(qū)采用覆蓋鐵皮或填筑輕質(zhì)材料方法來減輕自重。

（4）現(xiàn)澆橋面板對(duì)于橋面變厚、異性變寬等結(jié)構(gòu)適用性更強(qiáng)，鋼筋布置靈活，橋面板整體性較好。但現(xiàn)澆板收縮徐變產(chǎn)生的附加應(yīng)力較大，橋面板耐久性問題突顯，可考慮采用補(bǔ)償收縮纖維混凝土，以減少收縮影響。