橋梁鋼-混組合梁方案優(yōu)化分析

樓朝偉 鄭華凱

（1.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050；2.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004）

一、引言

鋼-混凝土組合梁具有工廠化生產(chǎn)、預(yù)制化架設(shè)、快速化施工、不中斷交通等突出優(yōu)點，在橋梁、大跨度房屋和建筑工程中應(yīng)用廣泛[1]。鋼-混凝土組合梁將鋼梁與混凝土橋面板通過抗剪連接件連接成整體，最大程度地發(fā)揮頂板混凝土受壓、底板鋼結(jié)構(gòu)受拉的受力性能，在承受正彎矩時可以發(fā)揮最大受力優(yōu)勢[2]。但鋼-混凝土組合梁支點負(fù)彎矩區(qū)頂板承受彎拉荷載，加之混凝土收縮徐變、溫度作用下鋼材與混凝土變形不協(xié)調(diào)，混凝土橋面板承受較大拉應(yīng)力，導(dǎo)致橋面板開裂。如何恰當(dāng)?shù)靥幚碇兄c負(fù)彎矩是鋼-混凝土組合梁設(shè)計的關(guān)鍵。本文以某長江大橋引橋4×50m組合梁優(yōu)化設(shè)計為例，探討鋼-混組合梁裂縫控制相關(guān)措施。

鋼-混凝土組合梁中支點區(qū)橋面板是典型的拉彎構(gòu)件，負(fù)彎矩區(qū)的混凝土橋面板會因拉應(yīng)力超限退出工作，成為帶裂縫構(gòu)件。裂縫較大時有害介質(zhì)會通過裂縫滲入到箱內(nèi)，影響結(jié)構(gòu)耐久性，增加后期維護(hù)難度。為提高結(jié)構(gòu)耐久性，避免水汽進(jìn)入鋼箱內(nèi)部，應(yīng)控制裂縫擴(kuò)展，目前常用措施主要有結(jié)構(gòu)措施、材料措施和防水措施。

二、結(jié)構(gòu)措施

結(jié)構(gòu)措施是鋼-混凝土組合梁橋面板裂縫控制的重要方法，可細(xì)分為：配筋控制裂縫寬度；優(yōu)化施工工序降低中支點負(fù)彎矩，降低橋面板收縮徐變的影響，如采用預(yù)制拼裝技術(shù)、跨中預(yù)加荷載法和支點頂落梁法；橋面板采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系。

（一）配筋控制裂縫寬度

某長江大橋為雙線六車道高速公路，左右分幅布置，單幅橋?qū)?6.3m，高墩區(qū)引橋采用50m連續(xù)組合梁，梁高2.66 m，單幅橋橫向由三片主梁構(gòu)成，橫向間距5.7m。主梁為鋼箱組合梁，頂板采用C50混凝土結(jié)構(gòu)，板厚25cm～26cm，腹板、底板采用Q345qD鋼板，腹板厚14mm～16mm，底板厚28mm～44mm，加勁肋均為板式。組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

圖1 中小跨鋼-混組合梁橫斷面（單位：mm）

裂縫寬度與配筋率呈負(fù)線性相關(guān)，配筋率越高，裂縫寬度約小。增加橋面板配筋率、采用直徑較小的螺紋鋼筋可降低橋面板應(yīng)力，控制裂縫寬度及分布[3-4]。為降低橋面板滲漏風(fēng)險，該工程橋面板裂縫寬度按0.15mm限值控制。組合梁橋面板厚25cm～26cm，縱橋向設(shè)置Φ22@100mm鋼筋，橫橋向Φ16@100mm鋼筋。中支點位置橋面板最大拉力4224.5kN，最大彎矩83.3kN·m，裂縫寬度0.125mm；跨中最大拉力958.1kN，彎矩98.8kN·m，裂縫寬度0.053mm。采用相對嚴(yán)苛的裂縫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，可大幅提高橋面板防滲性能，提高組合梁結(jié)構(gòu)耐久性。

采用0.15mm裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范0.2mm裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)相比，橋面板配筋率增加約30%，鋼-混組合梁上部結(jié)構(gòu)費用增加約2.4%，全橋費用增加約1.39%。采用更高的裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)雖然增加了少量造價，但提高了結(jié)構(gòu)耐久性，減少了后期維護(hù)費用。該工程北引橋施工圖預(yù)算對比如表1所示。

表1 北引橋鋼-混組合梁預(yù)算對比表

（二）預(yù)制橋面板降低收縮徐變效應(yīng)

以4×50m鋼-混組合梁為例，混凝土收縮徐變將對支點處橋面板產(chǎn)生3.74MPa的拉應(yīng)力。橋面板采用預(yù)制拼裝方案可大幅降低混凝土收縮徐變產(chǎn)生的拉應(yīng)力。除支點附近橋面板采用現(xiàn)澆外，其余橋面板均采用預(yù)制拼裝方案，預(yù)制橋面板存放齡期按不小于180天控制。有限元對比分析表明，跨中橋面板采用預(yù)制拼裝方案，收縮徐變引起的支點橋面板拉應(yīng)力降低近30%，支點附近橋面板待跨中橋面板施工完成后現(xiàn)澆施工，保證連接質(zhì)量。

（三）跨中預(yù)加荷載法

預(yù)加荷載法利用跨中橋面板自重及壓重對中支點鋼梁施加預(yù)壓力，消除了跨中橋面板對中支點的負(fù)彎矩效應(yīng)，壓重荷載的卸載將在支點產(chǎn)生正彎矩，使支點橋面板產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，類似在橋面板上施加了預(yù)應(yīng)力，可大幅降低裂縫寬度[5]。

鋼梁施工完成后，先架設(shè)跨中正彎矩區(qū)橋面板（根據(jù)需要可增加壓重），然后施工中支點負(fù)彎矩區(qū)橋面板，中支點橋面板混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，除去臨時預(yù)加荷載，施工步驟如圖2所示。

圖2 預(yù)加荷載法施工步驟圖

（四）中支點頂落梁法

中支點落梁法，即采用中間支點升降的方法，在組合梁混凝土橋面板內(nèi)預(yù)施壓應(yīng)力[6]。以某長江大橋4×50m鋼-混組合梁為例，施工步驟為：頂升中墩鋼梁20cm→施工中墩上方橋面板→回落中墩鋼梁至設(shè)計標(biāo)高→頂升次邊墩鋼梁10cm→施工次邊墩上方橋面板→回落次邊墩鋼梁至設(shè)計標(biāo)高，施工步驟如圖3所示。

圖3 支點頂落梁法施工步驟圖

由計算結(jié)果可知，未采用支點頂落梁工藝支點負(fù)彎矩區(qū)橋面板上緣最大拉應(yīng)力7.06MPa，下緣最大拉應(yīng)力3.285MPa，混凝土板上下緣應(yīng)力包絡(luò)圖如圖4所示；采取頂落梁工藝后橋面板上緣最大拉應(yīng)力降低至3.815MPa，下緣最大拉應(yīng)力降低至0.95MPa，降幅46%，混凝土板上下緣應(yīng)力包絡(luò)圖如圖5所示。

圖4 未采取頂落梁工藝混凝土板上下緣應(yīng)力

圖5 中支點采用頂落梁工藝后混凝土板上下緣應(yīng)力

（五）預(yù)應(yīng)力筋法

預(yù)應(yīng)力筋法是在連續(xù)組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土板內(nèi)配置預(yù)應(yīng)力筋，控制混凝土橋面板拉應(yīng)力，提高組合梁橋耐久性。以50m鋼-混組合梁為例，需要增加25束7-7Φ5鋼絞線，每平米橋面板需增加預(yù)應(yīng)力筋約7.5kg，該工程南、北引橋組合梁總長3.3km，需要增加預(yù)應(yīng)力鋼筋約874t，費用約1137萬元。增設(shè)預(yù)應(yīng)力后混凝土板上下緣應(yīng)力如圖6所示。

圖6 中支點增設(shè)預(yù)應(yīng)力后混凝土板上下緣應(yīng)力

系桿有限元計算表明，增設(shè)預(yù)應(yīng)力可減少中支點拉應(yīng)力，但橋面板厚度較薄，預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量多，橋面板開槽數(shù)量大，橋面板穿孔預(yù)制和張拉難度大，槽口封堵不良易漏水。同時，混凝土收縮徐變使組合梁截面應(yīng)力重分布，導(dǎo)致混凝土卸載而鋼結(jié)構(gòu)加載，大部分預(yù)應(yīng)力將轉(zhuǎn)加到鋼梁上[7]，在中小跨度鋼-混組合梁中，預(yù)應(yīng)力效率將打折扣，目前國內(nèi)在大跨度鋼-混組合梁有少量應(yīng)用實例。

三、材料措施

工程中可采用UPHC（Ultra High Performance Concrete）橋面板，混凝土橋面板摻入纖維等措施提高橋面板抗裂性能，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性。

（一）橋面板采用抗裂混凝土

UPHC也稱作活性粉末混凝土RPC (Reactive Powder Concrete)，抗折強(qiáng)度30MPa～60MPa，為普通混凝土的10倍；抗壓強(qiáng)度170MPa～230MPa，為普通混凝土的4倍。采用該類改性UHPC材料作為結(jié)構(gòu)層能大幅降低結(jié)構(gòu)層厚度和自重，顯著提高組合梁橋面板耐久性[8]。

UHPC理論上可保證橋面板不開裂，但成本較高，每立方米UHPC費用要超過1萬元。該工程如南、北引橋改用UHPC橋面板，UHPC用量將達(dá)到1.6萬m3，費用約1.6億元，投入較大。

（二）采用纖維混凝土

混凝土極限拉伸率較低，一般為0.01%～0.20%，摻入纖維可提高混凝土抗裂性能，如鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土等。聚丙烯纖維拉伸率高達(dá)15%～18%，均勻散布于混凝土中的聚丙烯單絲纖維，不僅阻止了骨料下沉，改善和易性及泌水性、減少離析，也能有效承擔(dān)混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)變，延緩或阻止混凝土內(nèi)部微裂縫及表面宏觀裂縫的發(fā)生擴(kuò)展，提高混凝土抗?jié)B性、抗沖擊性、抗凍性、抗碳化性能等[9]。

聚丙烯纖維混凝土普遍用于橋面板、水庫大壩及港灣、渡槽等，其綜合性能如抗折、抗裂、抗疲勞、耐磨損性、耐海水侵蝕性等各項指標(biāo)均優(yōu)于普通混凝土；在交通量大、車輛通行頻繁的條件下，聚丙烯纖維的抗疲勞性能表現(xiàn)更為突出；在氣候變化劇烈、凍融頻繁的條件下，聚丙烯纖維混凝土的抗凍融性能更能得到充分體現(xiàn)。相關(guān)研究表明，混凝土摻入1%體積百分比的聚丙烯纖維后，劈裂抗拉強(qiáng)度可提升約2.1MPa，抗裂性顯著提高。另外，混凝土摻入玄武巖纖維、鋼纖維也有類似效果。

四、橋面防水層措施

鋼-混組合梁耐久性改善方案除結(jié)構(gòu)措施、材料措施外，在橋面防水層及其鋪裝設(shè)計上也應(yīng)有針對性措施。為降低鋼-混組合梁二期恒載，橋面鋪裝一般不設(shè)置鋼筋混凝土調(diào)平層。橋面鋪裝如有較大聯(lián)通空隙或者運營期開裂滲水現(xiàn)象，會直接影響組合梁耐久性，對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害影響。因此，采用一種高黏結(jié)、抗裂且具有結(jié)構(gòu)性防水性能的鋪裝體系，有利于提升鋼-混組合梁耐久性。

對江蘇跨江、跨湖大橋典型鋪裝結(jié)構(gòu)開展調(diào)研與比選，結(jié)合五峰山南北引橋、石臼湖、淮安大橋等瀝青鋪裝施工及服役狀況的長期觀測數(shù)據(jù)，推薦采用高模密水組合型鋪裝結(jié)構(gòu)體系。該體系防水粘結(jié)層采用滲透性樹脂封層（0.5 kg/m2～0.6 kg/m2）+二階環(huán)氧防水粘結(jié)層（0.5kg/m2～0.6kg/m2）。滲透性樹脂封層可封閉填充橋面板裂縫（如有），提高橋面板抗?jié)B性能；二階環(huán)氧防水粘結(jié)層具有高粘結(jié)、高強(qiáng)度、不透水特性，通過其一階常溫固化反應(yīng)，解決防水粘結(jié)層施工損傷問題，通過瀝青層鋪筑的高溫二次固化反應(yīng)提升鋪裝結(jié)構(gòu)與橋面板的粘結(jié)強(qiáng)度。橋面鋪裝下面層可選6.5cm高模密水瀝青混合料HMAC-13，其孔隙率可以控制為2%～3%（一般Sup-20為4%～5%），大幅減小聯(lián)通空隙。根據(jù)五峰山大橋使用效果，可實現(xiàn)橋面“零滲水”，且其高溫穩(wěn)定性達(dá)到10000次/mm以上，抗車轍能力提升一倍；上面層采用常規(guī)4cm改性瀝青SMA-13作為抗滑磨耗層。該橋面鋪裝結(jié)構(gòu)單價約390元/m2，如瀝青施工前橋面板沒有裂紋，可取消滲透性樹脂封層，橋面鋪裝費用可降低至315元/m2，與常規(guī)鋪裝方案差異不大。鋼-混組合梁橋面鋪裝參考方案如圖7所示。

表7 鋼-混組合梁橋面鋪裝參考方案

五、結(jié)語

本文以某長江大橋引橋鋼-混組合梁方案優(yōu)化為例，從結(jié)構(gòu)措施、材料措施和防水措施三個方面分析了鋼-混組合梁橋面板的抗裂性能，主要結(jié)論有：建議鋼箱組合梁橋面板裂縫寬度限值提高到0.15mm，雖增加了工程造價，但提高了結(jié)構(gòu)耐久性，減少了后期維護(hù)費用，全壽命周期成本更經(jīng)濟(jì)；采用預(yù)制拼裝技術(shù)，提高了鋼-混組合梁施工效率，降低混凝土收縮徐變的影響，對降低橋面板拉應(yīng)力、控制裂縫寬度有不錯效果；跨中預(yù)加荷載法、支點頂落梁法都是預(yù)壓支點橋面板，可大幅降低裂縫寬度，是鋼-混組合梁施工推薦必選工藝之一；摻入聚丙烯纖維、鋼纖維等材料可提升混凝土抗拉能力，同時加強(qiáng)橋面防水層、鋪裝層設(shè)計，多環(huán)節(jié)、多手段保證組合梁結(jié)構(gòu)耐久性；目前國內(nèi)有部分項目在組合梁負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)用了抗拔不抗剪剪力釘技術(shù)，防止剪力釘豎向分離但又不約束縱向滑移，減少了收縮徐變引起的裂縫，可作為鋼-混組合梁橋面板抗裂研究方向。