鋼-混組合梁橋的設計優化及應用

周俊書　李兵　任亞

摘 要：近年來，鋼-混凝土組合梁橋因其施工快速及結構性能優越而越來越多地被應用于高速公路的建設中。以某高速公路互通主線的鋼-混組合連續梁橋為背景，介紹了該類型梁橋的基本結構形式，闡述了鋼-混組合連續梁橋設計過程中優化負彎矩區混凝土橋面板受力采取的措施，為類似橋梁設計優化提供思路。

關鍵詞：鋼-混組合梁;連接件;負彎矩區混凝土

中圖分類號：U448.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0130-02

1設計背景

隨著科學技術的進步，中國橋梁建設工作在近年來迅速發展，預應力混凝土箱梁由于施工工藝成熟，施工質量優異等優點而被廣泛應用。然而，隨著橋梁對大跨徑需求的增加，傳統的混凝土箱梁橋由于結構自重大、地震響應大、腹板后期開裂等問題日益突出，已逐漸滿足不了大跨徑橋梁建設的需求。大跨徑橋梁趨于選擇自重更輕、跨越能力更大的結構形式。鋼-混凝土組合梁橋相較于傳統的混凝土箱梁橋具有自重小、結構輕巧美觀、施工周期短、不中斷下穿公路的通行等優點，而越來越多地被應用于高速公路的建設中。

鋼-混凝土組合梁是由混凝土橋面板和鋼梁通過剪力連接件組合共同承受荷載的梁。在設計過程中，盡力讓混凝土橋面板承受壓應力，鋼梁承受拉應力，以此充分發揮各自材料特性來使結構的經濟效益最大化。然而在鋼-混組合連續梁的設計過程中，不可避免墩存在頂負彎矩區域的混凝土橋面板承受拉應力、鋼梁承受壓應力。此時需要采取措施控制混凝土橋面板開裂和鋼梁承壓局部失穩的問題。如根據路線設計要求，半徑較小的曲線組合梁橋還應考慮彎扭耦合效應[1]。即將通車的楊寨東互通主線橋主跨部分采用36m+60m+42m的組合結構，本文將介紹其設計優化過程中采取的相關措施。

2工程概況

楊寨東互通K0+412.5主線大橋位于武漢城市圈環線高速公路大隨至漢十段楊寨東互通內，為跨越麻竹高速而設。橋梁左幅橋寬8.25m，跨徑為11×20m+（36+60+42）m+4×20m的連續小箱梁和鋼-混凝土組合梁;橋梁右幅橋寬12.75m，跨徑為11×20m+（42+60+36）m+4×20m的連續小箱梁和鋼-混凝土組合梁。其中跨越麻竹高速主線按照8車道41m路幅預留，且建設期不中斷麻竹高速公路的交通通行，受制于上跨麻竹高速主線的凈空要求，預應力混凝土箱梁方案不再適用。在鋼-混凝土組合梁與鋼箱梁的方案選擇過程中，鋼筋混凝土橋面相較于鋼橋面板雖然自重更大，但經濟指標更好、整體性能好、受力可靠、鋪裝病害較少、易于后期養護。在滿足各指標的前提下，楊寨東互通K0+412.5主線大橋第三聯采用鋼-混組合梁整體跨越麻竹高速，麻竹高速中央分隔帶不設橋墩。

3結構設計優化

3.1鋼梁

鋼-混組合梁中鋼梁的截面形式由早先的鋼板梁發展到工字梁、鋼箱梁、槽形鋼梁、鋼桁梁等。由于本橋位于半徑為320m的圓曲線及緩和曲線上，超高變化較大，彎扭耦合效應較為突出，故采用了抗扭剛度較大的開口鋼箱作為鋼主梁的截面形式。考慮到左右幅截面形式的協調性，左、右幅橋鋼主梁橫橋向皆為雙箱單室組合箱梁結構，鋼梁高度2100mm，開口鋼箱之間采用1300mm高的聯系梁連接。左幅橋開口鋼箱每個腹板對應的上翼緣寬800mm，厚度為16mm、36mm;箱梁底板在正彎矩區厚度為18mm、20mm，在負彎矩區為24mm厚;兩道腹板厚度為14mm。腹板采取不等高設計，以滿足橋梁橫坡的要求，減弱彎扭耦合效應。右幅橋開口鋼箱每個腹板對應的上翼緣寬900mm，厚度為18mm、36mm、20mm;箱梁底板在正彎矩區厚度為18mm、22mm，在負彎矩區為28mm厚;兩道腹板厚度為18mm。雙幅橋縱向每4m設置一道橫隔板，支座附近適當加密。為提高開口鋼箱梁鋼板的局部穩定性，在中支座12m的范圍內每道底板加勁肋間布置四排栓釘，栓釘沿橋縱向間距150mm，并灌注高度為400mm的C50混凝土，并在底板混凝土頂面配置一層鋼筋網，以保證底板混凝土與鋼的雙重組合作用，發揮混凝土的抗壓能力，提高負彎矩區鋼梁的局部穩定性。

3.2混凝土橋面板

混凝土橋面板可分為預制混凝土橋面板和現澆混凝土橋面板。大多鋼-混凝土組合梁橋的混凝土橋面板會采用全厚度的預制混凝土橋面板和現澆微膨脹高性能混凝土作濕接縫的施工方法。其優點是施工最為便捷，但受制于部分主梁位于緩和曲線上，預制橋面板間存在空隙、鋼筋不貫通，預制橋面板并不能較好地協同承受車輛荷載。因此，本橋采用8cm厚預制混凝土板和17cm厚現澆混凝土疊合構成25cm厚的鋼筋混凝土疊合板作為混凝土橋面板。左幅橋預制板長130cm，右幅橋預制板長245cm，寬90cm，預制混凝土板上表面應保證一定的粗糙度，預制板安裝前，事先將橡膠條牢固粘在鋼梁上翼緣板的外邊，避免澆筑后澆層混凝土出現漏漿現象。將預制部分運輸至現場，支撐在焊有連接件的鋼梁上，作為現澆層混凝土的模板，并鋪設現澆層鋼筋后澆現澆層形成疊合板。此施工方法的能節省立模工序、加快施工進度、不中斷下部交通、減輕吊裝重量、提高混凝土整體性，具有較好的綜合效益。

在鋼-混組合連續梁這類超靜定結構體系中，不可避免存在混凝土受拉開裂、鋼梁受壓失穩的區域——中支點附近負彎矩區。減小負彎矩區域的混凝土拉應力易于實踐的主要措施有：預加荷載法、提高配筋率、調整支點標高法、設置預應力鋼束等[2]。預加荷載法最直接的應用就是采用合理的施工順序：在連續鋼梁架設焊接完成以后拆除臨時支撐，在其正彎矩區域內先鋪設預制板并現澆混凝土。中支點附近的負彎矩區段鋼梁能有一定預應力，在此狀態下現澆負彎矩區段的橋面板，可有效減小負彎矩區域混凝土橋面板的拉應力。提高配筋率是限制負彎矩區混凝土開裂最傳統的方法，但其缺點也較為突出，過于密集排布的鋼筋不利于負彎矩區混凝土澆筑時充分振搗，而且在收縮徐變、溫度變化作用下會加劇開裂。調整支點標高法：架設焊接鋼梁后，抬高中支點，降低邊支點，澆筑疊合板待其硬化后，將各支點恢復至原位，此時全長橋面板均有一定壓應力儲備。此外，在大跨徑連續組合梁橋負彎矩區橋面板合理布置預應力鋼束控制其開裂最為有效的方法，但是也有以下局限性：在小半徑組合梁上的運用應充分考慮其施工的可行性;部分預應力會通過連接件增大其區域內的鋼梁壓應力促成鋼梁的局部失穩;預應力后澆區預留槽處混凝土拉應力較大。本橋左幅鋼梁各腹板間分別布置4根15-6預應力鋼束，右幅鋼梁各腹板間分別布置8根15-6預應力鋼束，并通過調整連接件的類型來控制負彎矩區鋼梁壓應力。

3.3連接件

連接鍵是保障混凝土橋面板和鋼梁協同工作的關鍵，也是中外學者研究的熱點所在。常見的栓釘連接件不僅能在混凝土橋面板與鋼梁之間承擔縱向抗剪抗滑移以此保證二者的協同變形，而且能抵抗橫縱向彎曲導致的混凝土橋面板與鋼梁的分離以及混凝土橋面板的掀起。連接件的抗剪能力也是控制負彎矩區混凝土橋面板開裂的關鍵因素。削弱連接件的抗剪能力，保留其抵抗橋面板與鋼梁分離的能力，使橋面板與鋼梁界面不分離，混凝土橋面板能一定程度地滑移，達到釋放橋面板拉應力、降低鋼梁壓應力、減小預應力損失的目的，這種新型連接技術被定義為“抗拔不抗剪”連接技術[3]。經過不斷試驗應用，抗拔不抗剪連接件也由最初的滑動式[4]、T型[5]改進為螺桿式[6]。

大量試驗研究結果表明，在幾乎不降低組合結構整體承載力的前提下，采用抗拔不抗剪連接件釋放負彎矩區混凝土橋面板拉應力提高其抗裂性[7]。由于螺桿式抗拔不抗剪連接件具有中心對稱的特點[6]，在接觸面內能360°釋放橋面板拉應力，故對于此類曲線橋更為適用。

在正彎矩區鋼梁與橋面板之間需抗滑移抗掀起，考慮連接件須穿過鋼筋間隙，本橋左幅橋鋼梁每道上翼緣布置7列，右幅橋鋼梁每道上翼緣布8列，熔后長度為180mm的Φ22圓柱頭栓釘，橫向間距均為100mm，沿梁軸線方向間距150mm，保證鋼梁與混凝土橋面板的協同工作;在本橋負彎矩區采用“抗拔不抗剪”連接技術，左、右幅橋鋼梁每道上翼緣共布3列抗拔不抗剪螺桿式連接件，橫向間距250mm，沿梁軸線方向間距250mm，混凝土橋面板在二者接觸面上允許一定程度錯動，僅限制其豎向位移。

通過對本橋的有限元計算分析，結果顯示：當負彎矩區連接件采用與正彎矩區一致的栓釘時，在荷載長期效應組合下負彎矩區混凝土拉應力最大值為4.9MPa，在荷載短期效應組合下負彎矩區混凝土拉應力最大為5.8MPa;而將負彎矩區連接件優化采用抗拔不抗剪連接新技術時，負彎矩區橋面板在荷載長、短期效應組合下都能始終處于受壓狀態，在荷載短期效應組合下壓應力最大值為6.5MPa，最小值為1.9MPa，負彎矩區混凝土橋面板具有較大安全儲備?？梢?，采用此類連接新技術優化設計能極大改善負彎矩區混凝土橋面板開裂問題。

4結語

隨著我國鋼產量的不斷增長和鋼材加工技術的提高，在很多以往只能采用預應力鋼筋混凝土橋的工程中，組合梁橋方案也越來越具有競爭力。負彎矩區混凝土橋面板抗裂和剪力連接鍵的選擇是組合梁橋設計中的重點。即將通車的楊寨東互通主線橋第三聯采用36m+60m+42m曲線半徑為320m的連續組合梁橋，該橋采用預制與現澆相疊合的預應力混凝土橋面板、拴釘與螺桿式抗拔不抗剪連接件、雙箱單室開口鋼箱斷面;在設計過程中通過采用合理的施工順序、提高配筋率、調整支點標高法、設置預應力鋼束、采用抗拔不抗剪連接件等方式優化負彎矩區混凝土橋面板受力，為類似橋梁設計優化提供思路。

參考文獻

[1] 齊書瑜，張彥玲，張德瑩.曲線組合梁在負彎矩和扭矩聯合作用下受力性能的試驗研究[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2016（3）：1-6.

[2] 鄭和暉，巫興發，黃躍，等.大跨度鋼-混組合連續梁負彎矩區橋面板抗裂措施[J].中外公路，2014，34（5）：152-155.

[3] 聶建國，陶慕軒，聶鑫，等.抗拔不抗剪連接新技術及其應用[J].土木工程學報，2015，48（04）：7-14.

[4] 聶建國，陶慕軒，張振學.縱向可滑動的鋼-混凝土抗掀起連接件及其施工方法：中國，ZL201010598394.7[P].2011-06-08.

[5] 聶建國，陶慕軒.縱向不抗剪T型抗拔連接件及其施工方法：中國，ZL201110065691.X[P].2011-09-14.

[6] 聶建國，陶慕軒.縱向不抗剪螺桿式抗拔連接件及其施工方法：中國，ZL2011104150033.9[P].2012-04-25.

[7] 聶鑫，聶建國，陶慕軒，等.采用新型抗拔不抗剪連接件的連續組合梁橋研究[J].哈爾濱工業大學學報，2012，44（S1）：95-100.