大跨度連續鋼桁結合梁設計研究

焦亞萌 金 令

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

鋼桁結合梁是指由混凝土(常用作橋面板)和鋼桁架通過剪力連接鍵組合成截面共同受力、協調變形的一種復合梁式。該結構形式在簡支梁型上應用較多，而在連續梁型上應用則相對較少。肖海珠等對鄭州黃河公鐵兩用橋主橋結構設計等進行了詳細的介紹，但未涉及施工步驟等相關問題的研究[1-3]。胡輝躍等介紹了三門峽黃河公鐵兩用大橋主橋鋼桁結合梁設計，采取了頂落梁等措施，以改善混凝土板的受力狀態[4-5]。在前人研究的基礎上，依托鄭濟鐵路黃河橋跨北大堤連續鋼桁結合梁橋，對鋼桁結合梁設計中的幾個關鍵問題，如施工步驟、彈模比、預拱度等進行深入研究。

1 工程概況

鄭濟鐵路黃河特大橋為公鐵合建、上下雙層布置(六線公路在上，四線鐵路在下)。其中，跨北大堤采用(73+139+73) m連續鋼桁結合梁方案。橋式方案為三主桁華倫式平行弦方案，邊桁桁高15.0 m，中桁桁高15.24 m，桁寬(13.4+13.4) m。上層公路橋面板為預應力混凝土結構，總寬32.5 m，采用“預制板+濕接縫”的組合形式，橋面板內設置縱、橫雙向預應力筋。

橋梁平面位于直線上，縱斷面位于平坡段。1/2立面布置見圖1，斷面布置見圖2，公路橋面板局部平面見圖3。

圖1 鄭濟(73+139+73) m連續鋼桁梁1/2立面布置(單位：mm)

圖2 斷面布置(單位：mm)

圖3 公路橋面板局部平面(單位：mm)

2 施工步驟

本橋為3跨連續鋼桁結合梁，下部為鋼桁梁，上部為混凝土橋面板(“預制+濕接縫”形式)，兩者間通過鋼桁梁上弦的剪力釘和后澆混凝土濕接縫(槽)連接成整體。

根據場地條件，鋼桁梁部分采用支架拼裝施工，全部拼裝完成后，再吊裝混凝土預制橋面板。

公路橋面板設置了縱向預應力筋(橋梁全長285 m)，縱向預應力筋應分步分批張拉，需要考慮縱向預應力筋張拉與頂落梁步驟的結合。

本橋橋面板寬度達32.5 m，橫橋向分成兩塊且設置橫向預應力筋。橫向預應力筋采用兩種張拉方式，第1批采用先張法(與橋面板預制同步完成)，第2批采用后張法(與濕接縫形成整體時進行張拉)。

縱向濕接縫，橫向濕接縫，預留剪力槽的澆筑應結合頂落梁、縱向預應力筋張拉、橫向預應力筋張拉有序進行。

不同的施工方案會影響到各部分構件的內力分配，應確定合理的施工順序(主要考慮頂落梁、縱向預應力筋、橫向預應力筋、濕接縫、預留剪力槽這幾部分的施工順序)。通過試算，最終確定本橋主要施工步驟如下(見圖4)。

(1)橋面板預制，張拉第1批先張預應力筋，澆筑橋面板，待混凝土強度和彈模均達到設計值后，釋放先張預應力。

(2)支架拼裝，無應力合龍。拼裝時，中墩頂面和中跨臨時墩頂高程應高于鋼梁底設計高程20 cm。

圖4 全橋施工布置示意(單位：mm)

(3)在中墩頂和中跨臨時墩頂安置千斤頂，同步起頂10 cm，并安放臨時支撐。

(4)對所有預制公路橋面板進行吊裝，將橋面板內的縱向鋼束穿束就位。

(5)澆筑跨中83.3 m范圍內的縱縫及橫縫內的自密實混凝土(預留橫縫內對應的邊桁上方剪力槽不澆筑)，張拉第一部分橋面板內的第2批橫向預應力筋(后張法)。

(6)澆筑第一部分預制板剪力槽和橫縫預留的剪力槽，再張拉縱向N1鋼束。

(7)撤去中跨的臨時墩。

(8)澆筑兩側各68.45 m范圍內的縱縫及橫縫內自密實混凝土(預留橫縫內對應的邊桁上方剪力槽不澆筑)，張拉第二部分各板內的第2批橫向預應力筋(后張法)。

(9)澆筑第二部分預制板剪力槽和橫縫預留的剪力槽。

(10)中墩支點落梁30 cm。

(11)單端張拉縱向預應力鋼束N2。

(12)澆筑兩側各33.15 m范圍內的縱縫及橫縫內自密實混凝土(預留橫縫內對應的邊桁上方剪力槽不澆筑)，張拉第三部分各板內的第2批橫向預應力筋(后張法)。

(13)澆筑第三部分預制板剪力槽和橫縫預留剪力槽。張拉縱向N3、N4鋼束。

(14)上二期恒載，全橋施工完畢。

單桁模型施工過程的各主要構件軸力見表1～表3，其中拉力為正，壓力為負。

表1 各階段主要上弦桿件軸力 kN

表2 各階段主要下弦桿件軸力 kN

表3 各階段主要公路橋面板軸力 kN

對本橋施工步驟及軸力的分析表明：

(1)落梁可增加公路橋面板的壓應力儲備，引起鋼桁梁支點下弦軸力的變化較大，上弦軸力的變化相對較小。可采取預先起頂鋼梁來補償鋼桁梁的軸力變化，但應注意控制起頂高度，以防止邊墩出現負反力。本橋施工中，將鋼梁預先起頂10 cm，與混凝土橋面板結合后，再落梁30 cm。

(2)在中跨設置臨時墩、鋼梁預先起頂、與混凝土橋面結合后再撤去臨時墩等措施均可以改善跨中鋼梁內力。本工程中，在主跨設置臨時支墩，并將臨時支墩和中墩一起預先起頂10 cm。

(3)橋面板與鋼桁結合施工時，應先澆筑縱向和橫向濕接縫，再進行橋面板橫向后張預應力筋的張拉，之后再澆筑預留濕接縫和剪力槽。橫向預應力鋼束張拉時，橋面板與中桁固結，與邊桁未固結，可有效提高施加的預應力作用。

(4)縱向預應力鋼束張拉應結合橋面板的施工順序，并采用單端張拉方式，可避免鋸齒塊的設置，提高總體結構景觀性和耐久性。

3 彈模比取值

鋼混結合梁設計中，常用鋼與混凝土的彈模比(n)來進行截面換算[6]。目前，鐵路結合梁設計規定[7]中，計算混凝土收縮徐變時，n值取15；計算活載時，n值取10；計算溫度時，n值取6。新的鐵路極限狀態法中則規定了更為復雜的彈模比[8]，這使得結構計算更加復雜。為了簡化計算，在施工過程、成橋狀態的計算中，均采用彈模比n=15，對鋼結構來說相對安全。

本橋混凝土橋面板與鋼桁梁結合時，預制橋面板的澆筑時間已大于6個月，而濕接縫部分則剛具備7天左右齡期，兩者差別較大。設計中分別按n=15和n=6進行計算，計算結果見表4(負值表示受壓)。

表4 不同彈模比下主要桿件軸力 kN

由表4可以看出，由于有預應力筋的作用，公路橋面板均處于受壓狀態，n=6時，各個位置壓力均較大，而對鋼桁梁部分，由于預應力筋的作用，其內力已不具備規律性。因此，在具體設計中，應結合實際情況選用合適的彈模比，不應再按n=15進行設計。考慮本橋預制板占到總長80%，且結合時預制板已存放不少于6個月，故選用彈模比n=6進行設計。

4 預拱度的設置

為了便于鋼桁梁的制作與安裝，對于下承式鋼桁梁，應使縱梁和下弦桿件保持長度不變，調整上弦桿的理論長度。而對于上承式鋼桁梁，則保持縱梁和上弦桿長度不變，調整下弦桿的理論長度。另外，還要考慮工程的實施方便，桿件長度調整應為整數[3]。

預拱度設置時，一般節點按鉸接考慮。對于簡支梁等簡單的桁架結構，可以采用幾何法[9-10]，通過幾何規律直接求得桿件伸長量；對于復雜的連續鋼桁梁結構，可以采用位移荷載起拱法[11]、升降溫法[12-14]等；但對于連續梁等超靜定結構，這兩種方法都容易產生較大的附加反力和起拱應力，且直接求得的桿件調整值非整數，不便于工程實施。

本橋設計時，采用了如下的方法求解預拱度的上弦桿調整量，即取消中支點的兩個約束，建立單片簡支靜定鉸接桁架模型。

[Δki]=[Fji]·Δ[lj]

(1)

其中：[Δki]表示節點i預拱度值。

[Fji]表示在節點i施加單位荷載所引起桿件j的內力值。

[Δlj]表示桿件j的長度變化值。

依據以上虛功原理，編制了鋼桁梁預拱度計算程序trusscamber，可限定各桿件的調整范圍，自動依次帶入每組的桿件調整值，求解對應的預拱度值，最后按照與理論預拱度差值的平方和最小進行排序，輸出若干組結果供選擇。

采用該方法計算鋼桁梁預拱度時需注意以下幾點。

(1)trusscamber程序采用枚舉法進行計算求解，當桁梁規模較大時，計算量將非常龐大。應結合桿件關系，盡量減少調整桿件的數量，以減少枚舉值數組的個數。本橋采用華倫式桁架，梁端上弦桿調整值對預拱度無影響，其伸長值為0，不計入程序計算；上弦T形節點兩側桿件的調整值之和不變，其對應預拱度值也不變，故定義兩側桿件調整值相同(可調桿件數量減半)，可大大減少程序計算的數組個數。

(2)可以將有限元模型中需調整桿件的剛度減小(變為柔性桿)，并將各節點拱度值作為伸長值范圍的中值，在中值上、下取若干值作為伸長值的枚舉范圍。

(3)選取最優結果時，應注意邊界限制條件，連續梁中支點下落值應與實際值一致。本橋施工過程中，先起頂10 cm再下落30 cm，中支點預拱度值為20 cm，故最終選擇時，應優先保證支點位置的起拱數值接近20 cm。

本橋最終確定的上弦桿件調整值、理論上拱度和實設桿件調整值的廠設上拱度值見圖5。經本方法計算選定的上弦桿調整值、中支點處的理論預拱度和實設預拱度均為200.0 mm，其余點差值最大為9 mm，精度滿足要求。

圖5 1/2跨桿件調整與預拱度(單位：mm)

5 結論與建議

(1)連續鋼桁梁的施工順序對連續鋼桁梁各桿件的內力影響較大，設計中應予以充分考慮，應將頂落梁、橋面板與鋼桁梁結合、縱橫向預應力張拉等工序進行統一協調，保證連續鋼桁梁的各構件受力達到最優化。

(2)應結合施工步驟、混凝土板上橋時間等綜合確定鋼混彈模比。

(3)根據虛功原理結合自編程序，可以解決連續鋼桁梁預拱度的設置問題，提高工作效率。