港珠澳大橋鋼混組合梁設(shè)計(jì)與施工技術(shù)分析

吳澤生，黃宜龍 （港珠澳大橋管理局，廣東 珠海 519015）

0 前言

組合梁是由鋼梁和混凝土橋面板共同組成、共同參與結(jié)構(gòu)受力的組合結(jié)構(gòu)，其充分發(fā)揮了鋼材抗拉能力強(qiáng)、混凝土抗壓能力強(qiáng)這兩種不同材料的物理特性，組合梁橋具有結(jié)構(gòu)較輕、剛度較大和高跨比較小的特點(diǎn)，在工程上應(yīng)用非常廣泛。港珠澳大橋淺水區(qū)橋梁采用鋼-混組合箱梁設(shè)計(jì)及施工，在鋼-混結(jié)合面、連接方式、組合順序等設(shè)計(jì)及施工方面，有著自身的特點(diǎn)。

1 概述

港珠澳大橋連接香港大嶼山、澳門半島和廣東省珠海市，總長約55km，主體工程采用橋隧組合方案，其中淺水區(qū)組合梁橋長6.1km，深水區(qū)鋼箱梁橋長15.9 km。組合梁主梁采用“U型鋼梁+混凝土橋面板”的組合連續(xù)梁，鋼箱梁采用Q345qD和Q345C鋼材，混凝土橋面板采用C60混凝土。見圖1。

1.1 鋼主梁

鋼主梁設(shè)計(jì)成倒梯形結(jié)構(gòu)，頂面寬9.30m，底面寬6.70m，腹板斜置。鋼主梁組成由腹板、底腹式板、上翼緣板、橫隔板、橫肋板及加勁肋。除支點(diǎn)橫隔板外，其余橫隔板均采用桁架式構(gòu)造。為減小混凝土橋面板跨度，改善其受力性能，設(shè)一道小縱梁，支撐于橫隔板，小縱梁采用工字型斷面。翼緣板上布置焊釘剪力鍵與混凝土板相連。見圖2。

圖1 組合梁斷面布置圖

圖2 主梁斷面示意圖

圖3 混凝土橋面板布置圖

1.2 混凝土橋面板

混凝土橋面板寬16.3m，懸臂長3.50m，橫橋向跨中部分厚26cm，鋼梁腹板頂處厚50cm，懸臂板端部厚22cm，其間均以梗肋過渡，橋面板縱橋向分塊預(yù)制，橫向整塊預(yù)制，在鋼梁腹板頂間斷開孔，采用C60高強(qiáng)耐久海工混凝土；現(xiàn)澆濕接縫處采用C60微膨脹混凝土。見圖3。

2 鋼-混組合梁設(shè)計(jì)

2.1 組合梁結(jié)合面設(shè)計(jì)

鋼主梁與混凝土橋面板結(jié)合面處理是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，不僅關(guān)系到橋面板與鋼箱梁上翼緣是否能密貼，而且關(guān)系到箱梁內(nèi)部是否實(shí)現(xiàn)密封。主要考慮的關(guān)鍵因素如下。

2.1.1 預(yù)制板制造尺寸的誤差

在鋼箱梁安裝預(yù)制板時(shí)，預(yù)制板制造存在的尺寸誤差將直接影響預(yù)制混凝土板與鋼翼緣貼合面的平行性和預(yù)制板由兩片或兩片以上腹板的上翼緣支承時(shí)翼緣板間的相對(duì)標(biāo)高。

2.1.2 上翼緣橫坡的公差

對(duì)于工廠制作的箱梁，橫坡傾角的精確性一般都控制得很好，1/100的裝配精度很容易滿足。在可能的最差情況下，鋼上翼緣頂面與預(yù)制混凝土橋面板底面之間的平行性誤差達(dá)1/50，即500mm寬的上翼緣，存在最多10mm的間隙。

為解決上述各項(xiàng)尺寸公差問題，本項(xiàng)目采用將可壓縮防腐膠條粘貼在鋼梁上翼緣板邊緣順橋向兩側(cè)的設(shè)計(jì)方案，兩側(cè)橡膠條之間澆注環(huán)氧砂漿。膠條附近砂漿的高度與膠條的初始高度相同，中部微隆起，形成上拱的弧面。然后將混凝土橋面吊裝就位，在混凝土橋面自重作用下，橡膠條完全壓實(shí)密封，環(huán)氧砂漿與上下接觸面充分接觸，實(shí)現(xiàn)粘結(jié)面密封。見圖4。

圖4 預(yù)制橋面板簡圖

圖5 剪力釘布置示意圖

2.2 組合連接方式設(shè)計(jì)

組合梁是通過剪力鍵連接件把鋼梁與混凝土橋面板接合成一體承擔(dān)外力的構(gòu)件，為了確保兩者之間不發(fā)生相對(duì)滑移，選用合理的剪力鍵形式是關(guān)鍵。常用的剪力鍵有型鋼、圓柱形焊釘、PBL剪力鍵等，而圓柱頭焊釘具有剛度適中，施工方便，維護(hù)方便的特點(diǎn)。因此，圓柱形頭部用作剪力連接。

鋼-混連接件的布置區(qū)域和間距等布置方式的不同，將對(duì)結(jié)合梁的結(jié)構(gòu)應(yīng)力將產(chǎn)生一定的影響，而且對(duì)混凝土橋面板的分塊也有著影響。組合梁常常在鋼梁頂板上翼緣均勻密布剪力釘，在鋼梁頂板設(shè)置通長縱縫，混凝土橋面板通常在鋼梁頂板處斷開，橫向分為多塊，這樣不利于保持橋面板的整體性、橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋以及普通鋼筋的通長布置，也不利于簡化橋面板的施工工序，降低混凝土現(xiàn)澆工作量，減小混凝土收縮徐變。為了實(shí)現(xiàn)橋面板的橫向作為一個(gè)整體，本項(xiàng)目采用了一種新的剪力釘布置方式-集束式布置，這樣橋面板橫向無需分塊，只需在有集束式剪力處開槽。見圖5。

為了驗(yàn)證這種剪力釘布置方式組合梁的受力性能，通過有限元軟件模擬了單跨組合箱梁分別采用這兩種不同的剪力釘布置方式下的受力情況。

分析結(jié)果表明，在荷載作用下，雖然剪力釘采用集束式布置會(huì)使剪力釘?shù)膬?nèi)力增大，橋面的局部應(yīng)力略有改善。與均勻分布相比，組合梁的豎向垂直位移略微增加約0.5%，但剪力釘和橋面板的應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)，剪力釘?shù)睦寐矢哂诰际健９始郊袅︶斖耆軌驖M足結(jié)構(gòu)受力和使用的需要。

橋面板縱向應(yīng)力圖采用剪力釘集束式布置，可橫向整體預(yù)制混凝土橋面板，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

①橋面板整體性好；

②橫向采用全預(yù)應(yīng)力體系，布置通長鋼束，方便快捷；

③預(yù)應(yīng)力管道壓漿采用真空壓漿工藝，日后養(yǎng)護(hù)中也可采用X光技術(shù)檢查預(yù)應(yīng)力鋼絞線銹蝕狀況；

④簡化了橋面施工工藝，減少了混凝土現(xiàn)澆工作量，節(jié)約了橋面安裝所需的施工支架；

⑤它為以后更換橋面提供了可能性和方便，是真正可修可換的。

本工程采用集束式釘群布置縱橋向，焊釘剪力鍵縱向間距126mm，橫向間距125mm，橫向布置2×9根；單個(gè)釘群縱向布置為4排；釘群中心線之間的縱向距離為1000mm。

2.3 負(fù)彎矩區(qū)混凝土板受力分析及設(shè)計(jì)

鋼箱組合連續(xù)梁橋，跨中為正彎矩，混凝土板受壓；中墩頂處為負(fù)彎矩，混凝土板受拉，由于混凝土為抗壓能力強(qiáng)抗拉能力差的材料特性，所以墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土板容易開裂，如若混凝土板裂縫寬度過大，這不僅影響混凝土板內(nèi)鋼筋的耐久性，還影響與之結(jié)合的鋼梁耐久性，以及結(jié)構(gòu)剛度和內(nèi)力分布。

目前國內(nèi)較大規(guī)模的組合連續(xù)梁橋，有鄭州黃河公鐵兩用橋、蕪湖公鐵兩用橋、武漢二七路長江大橋、上海長江大橋等，這些橋在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的受力性能都進(jìn)行了認(rèn)真研究，并采取了一定措施。處理組合梁中混凝土的開裂有兩類方法可以采用：一是預(yù)防開裂，二是容許裂縫出現(xiàn)但限制其寬度。解決負(fù)彎矩區(qū)混凝土板開裂問題的方法有施加縱向預(yù)應(yīng)力法、鋼梁支點(diǎn)升降法、壓重法、縱向普通鋼筋高配筋率法等。

2.3.1 影響負(fù)彎矩區(qū)混凝土板受力狀態(tài)的因素

本項(xiàng)目組合梁跨度較大，活載比公路I級(jí)活載大25%，而且身處海洋環(huán)境，設(shè)計(jì)壽命為120年，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性提出了更高的要求，故設(shè)計(jì)中雖可借鑒以往組合梁橋設(shè)計(jì)中的一些經(jīng)驗(yàn)，但由于本橋的特殊性，所以對(duì)負(fù)彎矩區(qū)混凝土板的受力狀態(tài)的控制，提出了更高的要求。經(jīng)對(duì)影響負(fù)彎矩區(qū)混凝土板受力狀態(tài)的綜合研究分析，主要結(jié)論如下。

①主梁剛度。主梁梁高越小，則主梁剛度迅速降低，墩頂區(qū)混凝土板的拉應(yīng)力則越大。混凝土板及鋼板厚度對(duì)主梁剛度有一定影響，通過增加墩頂區(qū)混凝土或鋼板厚度可使主梁剛度增加，從而適當(dāng)降低混凝土板的拉應(yīng)力，但幅度有限。

②施工方案。組合梁施工方法的不同，影響著鋼梁與混凝土板之間內(nèi)力的分配，采用整孔吊裝先簡支后連續(xù)的施工方法，跨中部分混凝土板與鋼梁先結(jié)合并一同吊裝，墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土板先不與鋼梁結(jié)合，鋼梁簡支變連續(xù)完成后，混凝土板再與之結(jié)合，這樣墩頂處混凝土板只承受二期恒載和活載，負(fù)彎矩減小，墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土板拉應(yīng)力可大大減低，相對(duì)一次成橋可降低約10MPa。

③縱向配筋。為減小墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的裂縫寬度，可在滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)造空間的前提下提高縱向鋼筋的配筋率，從而在一定程度上改善混凝土橋面板的受力性能。但此方法適用于拉應(yīng)力水平較低的情況下。

④張拉縱向預(yù)應(yīng)力。減小墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的拉應(yīng)力，可在混凝土板張拉縱向預(yù)應(yīng)力，但是縱向預(yù)應(yīng)力的根數(shù)一方面受混凝土板構(gòu)造空間的限制，另一方面，縱向預(yù)應(yīng)力有一部分傳給了鋼梁，效果受到一定限制，常常需要配置的數(shù)量較多。

⑤頂升支點(diǎn)。為了減少墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土板的拉應(yīng)力，在墩頂段混凝土現(xiàn)澆縫澆注之前（即墩頂混凝土未與鋼梁結(jié)合，參與受力之前），對(duì)支點(diǎn)處的鋼梁進(jìn)行頂升操作，支點(diǎn)頂升到設(shè)定高度之后澆注墩頂混凝土現(xiàn)澆縫，待墩頂混凝土與鋼梁結(jié)合，參與受力之后，將支點(diǎn)回落，通過這樣的施工順序，在墩頂區(qū)域的混凝土橋面板內(nèi)預(yù)先儲(chǔ)存了一定的壓應(yīng)力，從而改善了混凝土橋面板在后續(xù)施工階段和成橋使用階段的受力狀態(tài)。通過計(jì)算分析，采用頂升支點(diǎn)的方法，效果明顯，混凝土的拉應(yīng)力可大大降低，同時(shí)，不用額外增加鋼梁的材料用量，經(jīng)濟(jì)效果佳。

2.3.2 保證負(fù)彎矩區(qū)混凝土板的受力性能和耐久性的措施

港珠澳大橋需滿足120年設(shè)計(jì)壽命的要求，綜合以上分析，設(shè)計(jì)中為保證負(fù)彎矩區(qū)混凝土板的受力性能和耐久性，采取了一如下措施。

①針對(duì)負(fù)彎矩區(qū)橋面受力特性，參考國內(nèi)外同類橋梁的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范，負(fù)彎矩區(qū)域的橋面設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土構(gòu)件，允許負(fù)彎矩橋面開裂，但為保證結(jié)構(gòu)耐久性和承載力，嚴(yán)格控制裂縫寬度δ≤0.15mm；

②采用適量的縱向預(yù)應(yīng)力鋼梁，使橋面板在主荷載組合下不產(chǎn)生拉應(yīng)力，盡可能改善橋面板受力狀況，使橋面拉拔而不開裂；

③在負(fù)彎矩區(qū)域中通過頂升支座這一措施，將預(yù)應(yīng)力載荷施加到組合梁橋面板上，大大降低混凝土板拉應(yīng)力；

④負(fù)彎矩區(qū)混凝土板采用摻合物混凝土，從而提高混凝土的抗拉能力；

⑤橋面板預(yù)留預(yù)應(yīng)力孔道，為后期調(diào)整主梁內(nèi)力提供可實(shí)施條件。見圖6。

圖6 負(fù)彎矩區(qū)預(yù)制橋面板簡圖

3 鋼-混組合梁施工技術(shù)

3.1 組合順序及體系轉(zhuǎn)換方法

橋面板與鋼梁結(jié)合分兩次進(jìn)行，在拼裝場(chǎng)地內(nèi)采用門吊先鋪設(shè)中間段橋面板。橋面板鋪設(shè)完成后進(jìn)行濕接縫的施工，完成橋面板與鋼梁首次結(jié)合。墩頂負(fù)彎矩區(qū)段24.4m范圍內(nèi)橋面板（共6片），隨同鋼梁吊運(yùn)到橋址，主梁架設(shè)到位并完成鋼梁連接后，實(shí)現(xiàn)橋面板與鋼梁第二次結(jié)合，完成一聯(lián)的組合梁體系轉(zhuǎn)換。

本工程中采用較為特殊墩頂頂落梁工藝，即在連續(xù)梁墩頂部用千斤頂進(jìn)行支點(diǎn)頂升作業(yè)，目的是給支點(diǎn)墩頂處橋面板施加預(yù)應(yīng)力，從而改善梁體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。也就是說，在完成組合梁一聯(lián)架設(shè)，調(diào)梁和墩頂接頭的焊接后，先在中間墩墩頂起組合梁，后依次澆筑預(yù)留結(jié)合孔處混凝土及橋面板橫向濕接縫，其中離墩頂各約12m左右處橫橋向濕接縫暫不澆筑，直至混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開始張拉縱向預(yù)應(yīng)力，然后澆筑離墩頂各約12左右m處橫向濕接縫，直至混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度和相關(guān)要求后，張拉墩頂范圍內(nèi)橋面板剩余橫向預(yù)應(yīng)力，最后回落組合梁于永久支座上。重復(fù)以上步驟完成其它中間墩墩頂橋面板施工，最后澆注剩余的板側(cè)后澆帶。

由于在頂梁過程中組合梁尚未與墩頂部的橋面板相結(jié)合，在落梁過程中組合梁橋與面板已經(jīng)結(jié)合，因此頂升量和下降量在每個(gè)墩頂?shù)臄?shù)量是不同的。組合梁架設(shè)安裝時(shí)，梁的底部標(biāo)高不能一步到位，應(yīng)留有一定的富裕程度。組合梁架設(shè)安裝時(shí)，擱梁標(biāo)高應(yīng)低于成橋標(biāo)高。因此，需要實(shí)施頂落梁作業(yè)的墩支座在墩支座處的預(yù)留高差為負(fù)值，臨時(shí)支座標(biāo)高低于成橋標(biāo)高。

3.2 組合施工工藝

①橋面板與鋼主梁組合分組合場(chǎng)地內(nèi)組合與橋位處組合兩階段進(jìn)行。在組合場(chǎng)地內(nèi)采用門吊先鋪設(shè)中間段橋面板，進(jìn)行濕接縫的施工，完成鋼主梁與混凝土橋面板第一次組合，中間墩兩側(cè)各12米范圍內(nèi)橋面板暫時(shí)不組合，留待橋上施工。本工藝僅指組合梁組合場(chǎng)地內(nèi)組合。

②主要施工步驟：運(yùn)輸鋼主梁至組合臺(tái)座，就位→調(diào)整鋼主梁預(yù)拱度→橋面板存放6個(gè)月后，由平板車運(yùn)輸至組合梁組合區(qū)→鋼主梁上翼緣安裝橡膠條、涂抹環(huán)氧砂漿→由龍門吊配合安裝橋面板到槽型鋼主梁上→綁扎濕接縫鋼筋、安裝預(yù)埋件→安裝濕接縫模板→澆筑剪力釘群預(yù)留槽、濕接縫混凝土→組合梁橫移至存梁臺(tái)座→濕接縫橫向預(yù)應(yīng)力張拉→側(cè)向后澆段鋼筋、模板及混凝土施工。

3.3 組合施工方法

3.3.1 鋼梁就位、預(yù)供度調(diào)整

鋼主梁在拼裝車間內(nèi)完成拼裝、檢測(cè)、噴涂等作業(yè)工序后，由運(yùn)梁臺(tái)車轉(zhuǎn)運(yùn)至組合臺(tái)座，精準(zhǔn)對(duì)位后，將主梁落于活動(dòng)墊塊上。見圖7，8。

鋼主梁在組合臺(tái)座上由四斷面八點(diǎn)支撐，其間距布置為24m+20m+24m。鋼主梁就位后，按監(jiān)控指令調(diào)整預(yù)拱度。施加預(yù)拱度前，注意確定每孔梁的方向。預(yù)拱度通過起頂臺(tái)座4臺(tái)1000t豎向千斤頂進(jìn)行調(diào)整，線形滿足要求后，抄墊8個(gè)支撐點(diǎn)。見圖9。

3.3.2 橋面板與鋼主梁組合

①橡膠條粘貼。橡膠條分為兩種：一種斷面尺寸為55mm×35mm，順橋向通長布置；一種斷面尺寸為30mm×20mm，用于環(huán)氧砂漿填充區(qū)橫向封堵。采用環(huán)氧樹脂膠粘貼于鋼梁頂面。粘貼時(shí)，橡膠條兩端頭帶線進(jìn)行校核，以保證線型順直。見圖10。

圖7 鋼主梁就位示意圖

圖8 鋼主梁組合支點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置

圖9 鋼主梁起頂施加預(yù)拱度示意圖

圖10 鋼主梁橡膠條現(xiàn)場(chǎng)布置圖

②環(huán)氧砂漿涂抹。環(huán)氧砂漿采用JN建筑結(jié)構(gòu)膠（改性環(huán)氧樹脂類），僅涂抹橋面板底面與鋼梁頂面結(jié)合部位，涂抹厚度與通長橡膠條初始厚度相同。見圖11。

圖11 鋼主梁橡膠條現(xiàn)場(chǎng)布置圖

圖12 組合梁安裝完畢效果圖

③橋面板安裝。使用龍門吊機(jī)和專用吊具按設(shè)計(jì)要求自梁段中間兩支點(diǎn)處分別向兩邊對(duì)稱安裝橋面板，在板自重作用下，通長橡膠條與建筑結(jié)構(gòu)膠壓縮至20mm，多余的建筑結(jié)構(gòu)膠從順橋向縫隙中溢出。安裝過程中重點(diǎn)關(guān)注混凝土結(jié)合面處理、環(huán)氧砂漿飽滿度、橡膠條粘貼質(zhì)量。見圖12。

④濕接縫及側(cè)向后澆段施工。濕接縫及后澆段均采用環(huán)氧鋼筋，模板采用吊模結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。現(xiàn)澆濕接縫混凝土采用C60微膨脹混凝土（含增韌劑）；側(cè)向后澆段及防撞護(hù)欄底座采用C60海工耐久混凝土。

4 結(jié)語

①鋼主梁與混凝土橋面板結(jié)合面處理是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，采用將可壓縮的防腐橡膠條粘貼鋼梁上翼緣板兩側(cè)邊緣順橋向，兩側(cè)橡膠條之間澆注環(huán)氧砂漿的設(shè)計(jì)方案，可有效解決因預(yù)制板制造尺寸誤差、上翼緣橫坡公差造成的橋面板與鋼箱梁上翼緣密貼問題。

②選擇橋面板橫向整體預(yù)制，鋼主梁宜匹配布置集束式剪力釘，剪力釘利用率高，能夠滿足結(jié)構(gòu)受力和使用的需要。

③負(fù)彎矩區(qū)混凝土板的受力性能和耐久性能，可采取施加縱向預(yù)應(yīng)力鋼束、頂升施加預(yù)壓力、混凝土板采用摻合物等綜合措施，改善負(fù)彎矩區(qū)的受力狀況。

④混凝土結(jié)合面處理、環(huán)氧砂漿飽滿度、橡膠條粘貼質(zhì)量是施工控制的關(guān)鍵。