組合梁斜拉橋橋面板抗裂性研究與工藝控制

蘇 海 成

(寧夏公路工程監(jiān)理咨詢公司，寧夏 銀川 750002)

組合梁斜拉橋橋面板抗裂性研究與工藝控制

蘇 海 成

(寧夏公路工程監(jiān)理咨詢公司，寧夏 銀川 750002)

總結(jié)了組合梁斜拉橋混凝土橋面板裂縫的類型及成因,從鋼主梁和鋼橫梁的連接程度來(lái)研究它們對(duì)橋面板抗裂性的影響,提出了三種濕接縫鋼筋可行的連接形式，通過(guò)試驗(yàn)探索組合梁斜拉橋混凝土橋面板濕接縫處裂縫的產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)一步優(yōu)化濕接縫鋼筋的合理構(gòu)造設(shè)計(jì)。

組合梁斜拉橋，橋面板，裂縫分析

近些年，隨著高強(qiáng)材料和施工工藝的發(fā)展，斜拉橋在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。如何提高組合梁斜拉橋的橋面板抗裂性是廣大學(xué)者、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)。為了掌握裂縫的分布規(guī)律，總結(jié)了混凝土橋面板裂縫的類型、開(kāi)裂原因，并從組合梁斜拉橋鋼主梁和鋼橫梁的連接程度來(lái)研究它們對(duì)橋面板抗裂性的影響，同時(shí)給出了相關(guān)的施工工藝控制。

為了進(jìn)一步研究組合梁斜拉橋混凝土橋面板濕接縫位置處的裂縫產(chǎn)生機(jī)理，提出了有效的裂縫控制措施，亦進(jìn)行詳細(xì)的混凝土濕接縫鋼筋的合理構(gòu)造形式試驗(yàn)研究。提出了三種可行的濕接縫鋼筋連接形式，擬通過(guò)試驗(yàn)探索組合梁斜拉橋混凝土橋面板濕接縫位置處裂縫的產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)一步優(yōu)化濕接縫位置鋼筋的合理構(gòu)造設(shè)計(jì)。

1 混凝土橋面板裂縫類型

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)綜合分析，將組合梁斜拉橋所出現(xiàn)的裂縫主要分為以下四種：

1)與順橋方向相互垂直的裂縫，橫貫橋面。裂縫發(fā)生在大橋主跨中部100 m左右及邊跨尾端附近的范圍內(nèi)。這種裂縫是由于跨中和尾端部位軸向壓力較小，在活載的反復(fù)作用下，或者有較大的局部活載彎矩時(shí)，使橫梁兩側(cè)的混凝土受拉開(kāi)裂，施工中會(huì)在該處設(shè)置縱向、橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋來(lái)防止混凝土橋面板的開(kāi)裂。

2)在斜拉索與橋面交接點(diǎn)處，與大橋軸線呈45°方向的裂縫。裂縫長(zhǎng)度2 m左右，大多出現(xiàn)在奇數(shù)拉索與橋面交接處。這種裂縫主要是主梁、橫梁鋼框格自重引起主梁懸臂根部負(fù)彎矩過(guò)大，使剛完成的現(xiàn)澆橋面板混凝土縫在拉索錨固處呈45°拉裂。施工中在永久性斜拉索尚未安裝之前，先用臨時(shí)三角形吊架拉索吊住主梁，通過(guò)臨時(shí)索塔千斤頂調(diào)節(jié)臨時(shí)索的拉力，使鋼框架引起的彎矩為零，待鋼架形成，即可安裝永久斜拉索，松去臨時(shí)拉索，防止了現(xiàn)澆混凝土橋面開(kāi)裂。

3)在拉索錨固點(diǎn)上部的現(xiàn)澆混凝土表面上。由于斜拉索的錨固力集中作用在鋼主梁上，然后才會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)斷面上，造成靠近錨固點(diǎn)的斷面附近應(yīng)力橫向分布很不均勻，此種裂縫分布在錨固點(diǎn)周圍，且呈放射形。這種裂縫是由于拉索錨固處作用集中力，而錨固板又割斷了橋面板中的鋼筋，雖然設(shè)計(jì)在此處做了加強(qiáng)處理，但是由于局部應(yīng)力過(guò)大，又受混凝土收縮、徐變的影響，使錨固板與混凝土變形不協(xié)調(diào)而開(kāi)裂。

4)與順橋方向平行的橋梁縱向的裂縫。這種裂縫主要是受汽車荷載振動(dòng)反拱的反復(fù)振動(dòng)導(dǎo)致該處混凝土開(kāi)裂。施工中采取在橫梁底部反頂從而使橋面板獲得壓應(yīng)力，同時(shí)，對(duì)上層鋼筋采取焊接，以增強(qiáng)接縫抗拉能力。

2 鋼主梁與鋼橫梁的連接程度分析

組合梁斜拉橋的混凝土橋面板支撐在由鋼主梁和鋼橫梁構(gòu)成的網(wǎng)格體系上，混凝土橋面板通過(guò)剪力連接件的作用而與鋼梁共同參與受力。對(duì)于鋼主梁與鋼橫梁的連接程度，這里主要從鋼橫梁的間距、剛度方面進(jìn)行研究，同時(shí)也簡(jiǎn)要介紹了鋼主梁和鋼橫梁的連接方式，指出了施工中需要注意的要點(diǎn)，擬通過(guò)試驗(yàn)探索鋼主梁與鋼橫梁的合理設(shè)計(jì)，達(dá)到避免橋面板開(kāi)裂的目的。

2.1鋼橫梁間距的影響

在不同的橫梁間距下，主梁塑性域的開(kāi)展存在一定的差別，橫梁間距的有效控制對(duì)防止主梁發(fā)生大規(guī)模的強(qiáng)度破壞是有一定幫助的。橫梁間距的差別也就意味著橫向剛度的強(qiáng)弱，當(dāng)橫梁間距大于某一限值，橫梁會(huì)先于主梁屈服，從而引起橫梁與主梁的內(nèi)力重分布，而且橫梁首先屈服，這將會(huì)影響全橋的受力性能。當(dāng)減小橫梁間距，不論成橋階段還是施工中懸臂階段，對(duì)于提高全橋的承載能力能起到一定的作用，但是一旦超過(guò)某個(gè)限值，減小橫梁間距使得橫梁數(shù)量增多導(dǎo)致恒載的增大，反而會(huì)使斜拉橋承受活載的能力減弱。

2.2鋼橫梁剛度的影響

就橫梁來(lái)說(shuō)，橫梁間距產(chǎn)生的影響比橫梁剛度產(chǎn)生的影響大，對(duì)于不同橫梁間距而橫梁剛度相同的斜拉橋，橫梁間距較大的橫梁承擔(dān)的軸力較大，而橫梁間距相同時(shí)，橫梁剛度越大它所承擔(dān)的軸力越小。在組合梁斜拉橋的施工中，對(duì)于懸臂階段，不論橫梁間距取多大，增加橫梁剛度對(duì)提高橋梁的承載力都有一個(gè)限值，若超過(guò)這一限值，如同橫梁間距的影響一樣，會(huì)適得其反。

2.3鋼主梁和鋼橫梁的連接方式

當(dāng)鋼主梁與鋼橫梁的相對(duì)剛度得到合理設(shè)計(jì)，施工中兩者的連接也需要得到重視。這里分別闡述了焊接連接和高強(qiáng)螺栓連接的施工工藝。

2.3.1焊接連接施工工藝與控制

焊接是鋼結(jié)構(gòu)連接中較為常見(jiàn)的一種連接形式。它具有不削弱構(gòu)架截面、剛性好、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工快捷、可移動(dòng)化操作等優(yōu)點(diǎn)，但是焊接會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力變形，并且連接處塑性和韌性較差。在構(gòu)造方面，在保證安全的前提下，盡量減少加勁肋的數(shù)量和避免焊縫的交叉和集中。同時(shí)，由于焊接產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象以及焊區(qū)的焊接應(yīng)力使得焊接疲勞強(qiáng)度下降，那么在承受動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)造上要采取一定的措施，比如構(gòu)件截面改變處采用適當(dāng)?shù)剡^(guò)渡區(qū)，盡量避免未焊透、凹角等缺陷。

2.3.2高強(qiáng)螺栓連接施工工藝與控制

高強(qiáng)螺栓主要是靠被連接構(gòu)件接觸面之間的摩擦力來(lái)傳遞剪力和拉力。高強(qiáng)螺栓連接又分為兩類：通過(guò)摩擦力傳力的摩擦型高強(qiáng)螺栓連接和除摩擦力還依靠自身的承壓和抗剪傳力的承壓型高強(qiáng)螺栓連接。前者抗疲勞能力強(qiáng)，適應(yīng)于承受動(dòng)力荷載及連接變形小的結(jié)構(gòu)，而后者適用于受靜力荷載并允許出現(xiàn)一定滑移的構(gòu)件連接。對(duì)于這種連接必須嚴(yán)格控制其相對(duì)滑移，避免影響整體的受力狀態(tài)。

2.4鋼主梁和鋼橫梁的相對(duì)剛度對(duì)橋面板抗裂性的影響試驗(yàn)方案

對(duì)于鋼主梁和鋼橫梁的連接程度對(duì)橋面板抗裂性的影響，擬定的試驗(yàn)方案主要是從橫梁設(shè)置的間距角度來(lái)考慮的，這里所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案為兩跨連續(xù)梁，在連續(xù)梁的三個(gè)支座位置處分別設(shè)置一道橫梁，在其中的一跨不設(shè)置中橫梁，而在另一跨的跨中設(shè)置一道中橫梁，通過(guò)兩跨橫梁間距的變化來(lái)對(duì)比分析混凝土橋面板裂縫的分布規(guī)律，進(jìn)而從橫梁間距的控制方面來(lái)優(yōu)化混凝土橋面板抗裂性能。試驗(yàn)梁的橫梁布置圖如圖1所示。

3 濕接縫中鋼筋構(gòu)造對(duì)橋面板抗裂性的影響試驗(yàn)方案

擬進(jìn)行如下三種形式的濕接縫鋼筋構(gòu)造形式裂縫產(chǎn)生機(jī)理試驗(yàn)研究：

1)半圓環(huán)搭接式構(gòu)造，如圖2所示。這種構(gòu)造形式施工方便，強(qiáng)度可靠而且整體性好，使用過(guò)程中也不易出現(xiàn)橫向裂縫。

2)扣環(huán)式構(gòu)造，如圖3,圖4所示。這種構(gòu)造中預(yù)制橋面板預(yù)埋的U型筋通過(guò)一個(gè)環(huán)形筋焊接成整體，也有利于分布鋼筋的固定，從而受力上整體性較好。施工中環(huán)形筋上口必須滿足搭接長(zhǎng)度且上口朝上安裝，與兩端預(yù)埋的U型筋連接時(shí)，要對(duì)稱安裝，整條縫內(nèi)環(huán)形筋應(yīng)盡可能在一條直線上。

3)直線式構(gòu)造，如圖5所示。這種構(gòu)造形式施工方便，且能較好地滿足濕接縫的受力和構(gòu)造要求，這是施工中推薦的一種較好的構(gòu)造形式。

總之，對(duì)于組合梁斜拉橋混凝土橋面板濕接縫的鋼筋構(gòu)造，隨著配筋率的增加，第一主應(yīng)力和橫向拉應(yīng)力的最大值逐漸減小，這有利于控制混凝土裂縫的出現(xiàn)，因此，應(yīng)適當(dāng)?shù)卦龃髽蛎姘鍧窠涌p構(gòu)造鋼筋的配筋率。

4 結(jié)語(yǔ)

在組合梁斜拉橋混凝土橋面板抗裂性的理論研究基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)研究分析濕接縫鋼筋構(gòu)造以及鋼主梁與鋼橫梁的連接程度對(duì)混凝土橋面板抗裂性的影響，在試驗(yàn)中運(yùn)用對(duì)比分析的方法研究在各個(gè)影響因素作用下橋面板裂縫的分布規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到避免橋面板開(kāi)裂的目的。

[1] 林元培.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社，1994.

[2] 嚴(yán)國(guó)敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，1996.

Studyoncrackresistanceofcompositebeamcable-stayedbridgedeckanditsprocesscontrol

SuHaicheng

(NingxiaHighwayEngineeringSupervisionConsultingCompany,Yinchuan750002,China)

It is summarized that the types and causes of the cracks in concrete bridge deck of composite beam. And the impact of steel girder and steel cross beams on crack resistance of bridge deck is studied from the connection degree of steel girder and steel cross beams. Three kinds of feasible forms of wet joint bar are proposed. And the mechanism of the crack at the wet-joint sition of the concrete bridge deck of the composite beam cable-stayed bridge is explored to further optimize the steel’s reasonable structural design of the wet-joint.

composite beam cable-stayed bridge, bridge deck, crack analysis

U448.27

A

1009-6825(2017)27-0146-02

2017-07-16

蘇海成(1984- )，男，工程師