窄箱型主梁鋼－混組合結(jié)構(gòu)橋梁研究

張坤　張浩

摘 要：合理選用窄箱型主梁鋼-混組合結(jié)構(gòu)進行橋梁的建設(shè)，能夠提升交通設(shè)施建設(shè)水平?；诖?，本文詳細研究了窄箱型主梁鋼-混組合橋的主梁、面板、墩柱結(jié)構(gòu)，及其施工工藝與具體應(yīng)用情況，實現(xiàn)了對此類橋梁的探討，希望能夠為道橋交通建設(shè)事業(yè)的發(fā)展提供助力。

關(guān)鍵詞：鋼混結(jié)構(gòu);窄箱橋梁;組合橋梁

中圖分類號：U445.583 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

本文所研究的橋梁結(jié)構(gòu)具有鋼材利用率高、品質(zhì)高等優(yōu)勢，按照此結(jié)構(gòu)開展橋梁建設(shè)，能夠更好地響應(yīng)國家的去鋼材產(chǎn)能號召，提升道橋建設(shè)水平，因此，需對此結(jié)構(gòu)橋梁進行深入研究，以具體的了解此結(jié)構(gòu)橋梁的優(yōu)勢、實用性、建設(shè)方法、力學(xué)性能，由此更好地發(fā)揮此類橋梁的優(yōu)勢，推動道橋工程領(lǐng)域的發(fā)展。

1 研究背景

在2019年以前，鋼材漲跌幅已經(jīng)達到了7%～12.7%，鋼材產(chǎn)能過剩已經(jīng)成為了制約鋼材產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素，此后，經(jīng)過三年的供給側(cè)改革、去產(chǎn)能工作，我國提前兩年完成了1.5億噸的去產(chǎn)能目標(biāo)，而2020年受益于此，鋼材市場的秩序得到了規(guī)范化的發(fā)展，產(chǎn)能利用率也在不斷增長。在此背景下，為了持續(xù)推進去產(chǎn)能政策，人們開始從鋼材消耗量較高的橋梁工程上入手，并準(zhǔn)備通過運用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁，來提高橋梁工程對過剩產(chǎn)能的消化能力，由此增強橋梁工程建設(shè)工作效用。

2 窄箱型主梁鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁研究

2.1 橋的主梁研結(jié)構(gòu)研究

鋼混組合橋的主梁有兩種，即工字鋼、箱型鋼。其中，工字鋼主梁的制作、安裝比較簡單，但此種結(jié)構(gòu)的抗扭力學(xué)性能較弱，使得運用此種主梁的鋼混組合橋跨度不得大于40 m，這在一定程度上增加了橋墩的數(shù)量，提高了此主梁的應(yīng)用成本。而箱型鋼主梁則具有更好的抗扭力學(xué)性能。一般來說，在運用箱型主梁時，若橋面較窄，那么即可將箱型鋼主梁，制作成為開口槽形，并通過在槽內(nèi)空間中設(shè)置橫系梁，構(gòu)建出窄箱型主梁，使其具有優(yōu)于工字鋼梁的抗扭性能，可以讓鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能得到充分地發(fā)揮，因此，在鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)中，運用窄箱型主梁，顯然是改善橋梁力學(xué)性能、經(jīng)濟性的有效途徑。在此背景下，目前常用的窄箱主梁以雙窄幅箱型梁為主，此類主梁為對稱結(jié)構(gòu)，用料不多，且使用便捷，但腹板設(shè)置要比傳統(tǒng)的窄箱梁更密集。通常來說，如果將此窄箱梁的跨度設(shè)置為60～80 m，基本就可以達到最優(yōu)的經(jīng)濟效果。但在此過程中，窄箱型主梁與混凝土結(jié)構(gòu)之間是以預(yù)應(yīng)力筋作為連接結(jié)構(gòu)，而預(yù)應(yīng)力筋將混凝土結(jié)構(gòu)所承載的應(yīng)力傳遞給主梁時，會造成一部分預(yù)應(yīng)力的損失，使得預(yù)應(yīng)力僅有43.65%轉(zhuǎn)移到了主梁上，導(dǎo)致主梁的抗扭等力學(xué)性能優(yōu)勢無法被充分利用，因此，在現(xiàn)階段的窄箱型主梁建設(shè)中，人們通常會將預(yù)制板設(shè)置在梁上后，先進行橋面板的張拉、壓漿，使各塊預(yù)制板連接成為一個整體，然后再將預(yù)制板整體與窄箱梁相連接，這樣即可讓65.6%的預(yù)應(yīng)力得以被轉(zhuǎn)移到主梁上，由此更好地發(fā)揮窄箱梁的力學(xué)性能優(yōu)勢，減少應(yīng)力對混凝土結(jié)構(gòu)的損壞，增強橋梁整體的使用性能。

2.2 橋的鋼混橋面板結(jié)構(gòu)研究

橋面是承載人、車通行的主要橋梁結(jié)構(gòu)，而從本質(zhì)上來說，橋面屬于一個承壓結(jié)構(gòu)，其負責(zé)承受上部荷載，并將上部荷載傳遞給位于其下方的窄箱型主梁，使主梁承受自重、上部荷載帶來的向下拉力，由此借助主梁優(yōu)質(zhì)的力學(xué)性能，保持橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對于窄箱型主梁鋼混組合橋來說，常用的兩種橋面包括，常規(guī)預(yù)制板鋼混橋面、超高強鋼筋砼橋面。其中，常規(guī)的預(yù)制板橋面，材質(zhì)通常為C55的微膨脹混凝土，制作方法為較為簡單、常規(guī)的分塊預(yù)制法，這使得該類型橋面在實際的建設(shè)應(yīng)用中，呈現(xiàn)出了制作簡單、施工成本低的優(yōu)勢，并借此在窄箱梁鋼混橋建設(shè)中得到了普及應(yīng)用。但在實際的橋梁建設(shè)中，這種預(yù)制板橋面很容易出現(xiàn)收縮情況，導(dǎo)致其施工效果不佳。為此，施工方通常會先將制作好的預(yù)制板存放6個月左右，待其狀態(tài)穩(wěn)定后，再投入使用，由此減輕預(yù)制板收縮問題，同時，預(yù)制板連接時，還要采用C55無收縮的微膨脹補償混凝土進行勾縫，以此進一步消除預(yù)制板收縮造成的影響，增強常規(guī)預(yù)制板橋面結(jié)構(gòu)的建設(shè)效果。

2.3 橋的超高強鋼筋砼面板結(jié)構(gòu)研究

除了常規(guī)預(yù)制板結(jié)構(gòu)以外，超高鋼筋砼結(jié)構(gòu)也是一種常用的窄箱主梁鋼混組合橋橋面結(jié)構(gòu)。此種橋面結(jié)構(gòu)通常用于橋梁負彎矩處。施工方通過用超強砼制作橋面板，結(jié)合對內(nèi)部配筋的調(diào)整，以及ECC材料的應(yīng)用，可以有效控制橋面結(jié)構(gòu)的裂縫寬度、抗拉性能，使其更好地抵御負彎矩位置的應(yīng)力作用，增強橋梁的使用性能。其中，ECC材料是指一種高延性纖維水泥基復(fù)合材料，其內(nèi)部所含的纖維，具有連接鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的能力，使得開裂寬度得到控制，而且當(dāng)出現(xiàn)開裂情況時，材料中纖維所具備的強大韌性，使其能夠穩(wěn)定地連接裂縫兩邊的基體，保持橋面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，由此延長負彎矩位置橋梁結(jié)構(gòu)的運行壽命。但由于該材料屬于新型材料，使用成本比較高，因此，在實際的橋梁建設(shè)中，通常與常規(guī)的預(yù)制板結(jié)構(gòu)聯(lián)合應(yīng)用，以保證窄箱主梁鋼混組合橋的經(jīng)濟性。此外，由于此類橋面具有優(yōu)秀的聯(lián)結(jié)性能、力學(xué)性能，因此，可以支持大跨度鋼混組合橋結(jié)構(gòu)的建設(shè)，弱化山區(qū)等地形復(fù)雜區(qū)域橋梁工程的建設(shè)難度。

2.4 橋的墩柱結(jié)構(gòu)研究

從本質(zhì)上來說，墩柱在窄箱主梁鋼混組合橋結(jié)構(gòu)中，屬于壓彎構(gòu)件。通常來說，人們會出于對橋結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性、實用性等方面考慮，選用空心薄壁高墩結(jié)構(gòu)，作為橋墩結(jié)構(gòu)，同時，還要在此橋墩結(jié)構(gòu)中每隔20～30 m設(shè)置橫隔板，以抑制橋墩的橫向變形，提高墩柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但事實上，每次進行隔板施工時，施工方均需要進行內(nèi)膜拆除、隔板模支設(shè)、澆筑等隔板施工操作，并待此施工流程完畢后，才能繼續(xù)向上進行橋墩施工，導(dǎo)致連續(xù)性的施工中斷，拖慢施工進度。為此，人們開始尋求在保持墩柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，不設(shè)橫隔板的方法，由此簡化窄箱主梁鋼混橋的施工程序。在此過程中，有研究者發(fā)現(xiàn)，橫隔板的主要作用是抑制墩柱局部變形，而對于整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)影響不大，因此，如整體失穩(wěn)發(fā)生在局部失穩(wěn)之前，那么則可不設(shè)置橫隔板，保證墩柱結(jié)構(gòu)的工藝性能?；诖?，根據(jù)彈性屈曲理論可以得出，當(dāng)滿足條件，時，就無需設(shè)置墩柱隔板。其中，t為墩柱厚度、b為墩柱截面邊長，為局部屈服曲臨界應(yīng)力、fc為軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)強度，v為泊松比、E為彈性模量、為穩(wěn)定安全系數(shù)，而v、E、為固定值，因此，經(jīng)過整理后可以得到公式，，而參考常規(guī)的窄箱型主梁鋼混組合橋墩柱結(jié)構(gòu)的彈性模量、抗壓標(biāo)準(zhǔn)強度，可以得出的情況下，可無需為橋墩設(shè)置隔板，由此實現(xiàn)連續(xù)施工，提高工程建設(shè)效率[1]。

2.5 橋的施工工藝研究

一般來說，此類橋結(jié)構(gòu)的施工工藝以頂推工藝為主。施工方需要借助該工藝，將梁結(jié)構(gòu)送到設(shè)計位置，以完成橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)各構(gòu)件的組裝。就目前來看，在道橋工程領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展中，頂推工藝作為一項主要的橋梁施工工藝，受實際施工工況需求差異的影響，其逐步呈現(xiàn)出了多樣化的發(fā)展趨勢，而這種趨勢主要體現(xiàn)在頂推方式的多樣化?，F(xiàn)階段，適用于窄箱型主梁鋼混組合橋的頂推工藝類型包括，拖拉法工藝、步履式頂推工藝、無臨時墩長懸臂頂推工藝、鼻梁過墩頂推工藝等。其中，較為常用的頂推工藝為拖拉法工藝，此工藝的作用機理為，通過在各個臨時墩上，采取張拉設(shè)置法，連續(xù)設(shè)置千斤頂牽拉鋼絞線，使施工者得以利用該鋼絞線，拖動窄箱型梁在基于臨時墩設(shè)置的軌道上移動，直至其到達設(shè)計位置，實現(xiàn)梁的安裝就位，此方法操作簡單，但會對墩身產(chǎn)生一定的作用力，因此，在實際操作中，需要注意拖動作用力控制，以保證此項工藝的落實效果[2]。

2.6 橋的具體應(yīng)用研究

根據(jù)上述論述，可以看出，此結(jié)構(gòu)橋梁具有跨度大、經(jīng)濟的優(yōu)勢，因此，更適用于山區(qū)等地形較為復(fù)雜區(qū)域的道橋建設(shè)，這樣可以有效利用此橋梁結(jié)構(gòu)的大跨度優(yōu)勢，規(guī)避一些不良地形，使橋墩被盡量設(shè)置在地理條件較好的位置，降低山區(qū)土地高低不平、縱橫起伏現(xiàn)狀為橋梁工程建設(shè)帶來的困難。此外，也適用于跨水體、流域的道橋工程建設(shè)，由此減少水下橋墩建設(shè)數(shù)量，降低施工風(fēng)險。但在此橋梁的實際建設(shè)應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)注意，由于目前，國內(nèi)此橋梁的建設(shè)應(yīng)用案例較少，配套技術(shù)成熟水平有限，因此，還要加強對此類橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)應(yīng)用的探索，以推動配套技術(shù)的不斷成熟，推動道橋工程建設(shè)領(lǐng)域的持續(xù)優(yōu)化發(fā)展[3]。

3 結(jié)論

綜上所述，通過對組合結(jié)構(gòu)橋梁進行研究，可以獲得更多有價值的橋梁建設(shè)運用依據(jù)。在道橋工程建設(shè)中，借助組合結(jié)構(gòu)橋梁研究工作，加深對此類橋梁結(jié)構(gòu)的了解，可以明確橋梁的受力機理、厘清橋梁的施工工藝操作、找準(zhǔn)此結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用方向，從而為后續(xù)的道橋工程設(shè)計、規(guī)劃提供依據(jù)。

參考文獻：

[1]田濤.北京市公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁養(yǎng)護定額編制前期研究[J].公路，2021（7）：292-299.

[2]葉立，陳東方，廖原.鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接施工技術(shù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（22）：153-154.

[3]黃志剛，徐志華，鄧俊雙.鋼管混凝土系桿拱-連續(xù)梁組合橋拱腳結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].公路，2020（10）：187-191.

作者簡介：張坤（1986—），男，河南駐馬店人，研究生，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。