鋼-混組合連續梁負彎矩區受力性能研究及實用新型裝置

李 聰

(湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410200)

1 技術背景

近年來，隨著我國交通建設的高速發展，鋼-混凝土組合梁由于空間占地小、承載力高、結構剛度大、抗震性能好、施工快速便捷等優點，在橋梁工程特別是市政橋梁工程中得到廣泛應用。鋼-混組合梁橋是上部結構主要由鋼主梁、混凝土橋面板以及剪力連接件組成的一種新型橋梁結構體系。在正彎矩區，該類型橋梁可充分發揮混凝土受壓、鋼結構受拉的材料特性；然而在負彎矩區，則存在混凝土橋面板受拉，鋼結構受壓的情況，特別是混凝土橋面板開裂會引起組合梁剛度和耐久性下降。因此，有必要采取有效的設計施工方法控制和防止負彎矩區混凝土開裂。

針對鋼-混組合梁橋負彎矩區的特點，常采用預應力法、跨中施加配重法、調整橋面板施工順序法和支點頂升法來控制和防止混凝土橋面板裂縫的出現。然而，施加預應力會對鋼主梁造成不利影響，同時現場施工工序復雜，無法滿足標準化、快速化施工要求，混凝土收縮徐變也會引起預應力損失，因此該方法已較少采用。跨中施加配重法需要大量配重設備，且配重會造成鋼主梁受壓屈曲，增大了施工難度和成本，目前也較少采用。調整橋面板施工順序法現場分批吊裝預制混凝土橋面板，能夠實現標準化、快速化施工，且對鋼-混組合梁橋負彎矩區的裂縫控制效果顯著，因此受到了廣泛應用。

此外，采用先張法張拉預應力橋面板能夠減少混凝土收縮徐變帶來的預應力損失；超高性能混凝土的使用為鋼-混組合梁設計帶來了新方向；同時有研究表明預制橋面板較現澆橋面板采用支點頂升法施加預應力更為有效。因此，如何綜合使用超高性能混凝土、合理施加預應力和調整橋面板施工順序、有效運用支點頂升法來控制鋼-混組合連續梁負彎矩區拉應力和裂紋，成為本技術領域亟需解決的一個問題。

2 依托工程

本文依托工程為某高架橋一3×29.6 m跨的鋼板組合梁，梁體以路線中心為軸，雙向1.5%橫坡，整聯組合梁位于圓曲線上，圓曲線半徑R=1 500 m。主梁采用工字型鋼主梁+預制混凝土橋面板+現澆橋面板組合結構。綜合考慮鋼梁及混凝土橋面板受力、節段運輸及起吊重量等因素，橫向布置8片工字鋼梁。鋼梁在鋼結構制造工廠加工成若干節段，運輸至橋位。材料采用C50混凝土、Q345鋼材、HRB400鋼筋、栓釘、抗拔不抗剪連接件等。典型斷面布置如圖1所示，施工過程如圖2所示。

圖1 依托工程示意圖

圖2 施工流程圖

根據現場實際情況布置臨時支墩，采用汽車吊裝或者其他可靠吊裝設備架設鋼梁節段，節段間及橫向聯系均采用高強螺栓現場連接；鋼梁形成連續結構后，拆除臨時支墩，吊裝預制橋面板，此時鋼梁承受自重和預制板荷載，正彎矩區下翼緣受拉、上翼緣受壓，負彎矩區則相反；接著澆筑正彎矩區混凝土，待正彎矩區混凝土固結后在中墩處進行支座頂升(見圖3)，將鋼梁頂升至一定高度，使得負彎矩區鋼梁上翼緣受拉、下翼緣受壓，再澆筑負彎矩處頂板混凝土，達到設計強度和齡期后分級均勻同步卸落，從而給負彎矩區混凝土施加一定的預壓力，此時負彎矩區鋼梁上翼緣受拉，下翼緣受壓。

目前工程上常采用的支點頂升法需要安裝臨時支墩和搭建臨時頂升支架，占用橋下空間，且設備笨重、施工進度慢，無法實現快速標準化施工，需要開發新型裝置解決這些難題。

(a) 架設鋼梁

3 新型裝置的布置和構造

筆者通過項目課題研究，發明了一種鋼-混組合連續梁橋負彎矩區受力性能優化的實用新型裝置(見圖4)。

圖4 實用新型裝置工作示意圖

其中，1為橋墩，2為支座，3為鋼主梁，4為剪力連接件，5為支點橫隔板，6為支撐平臺，7為千斤頂，8為分配梁，9為螺栓，10為預制混凝土板，11為預制預應力板，12為現澆混凝土橋面，13為現澆UHPC橋面，可以分為主梁系統、頂升系統和橋面板系統(見圖5～圖7)。

圖5 主梁系統示意圖

圖6 頂升系統工作示意圖

圖7 頂升系統幾何示意圖

其中，主梁系統包括橋墩和設置于橋墩上的鋼主梁，頂升系統安裝在中支點橋墩處；橋面板系統包括預制板和現澆橋面；預制板包括預制預應力板和預制混凝土板；現澆橋面包括現澆UHPC橋面和現澆混凝土橋面；預制混凝土板和現澆混凝土橋面對應布置在鋼-混組合連續梁的跨中正彎矩段上，預應力預制板和現澆UHPC橋面對應布置在鋼-混組合連續梁橋的中支點負彎矩段上。

本裝置操作實施步驟如下：

a.在橋墩1建設完畢后，在橋墩1上安裝支座2，吊裝鋼主梁3到支座2的設計位置，待鋼主梁3吊裝完畢后，在中支點橋墩處安裝支撐平臺6，并在支撐平臺6上布置千斤頂7。

b.將吊裝的各段鋼主梁1進行縱向連接，使之成為連續結構，然后安裝橋墩1處的支點橫隔板5。

c.吊裝跨中正彎矩部分的混凝土預制板10，待混凝土預制板10安裝完畢后，在千斤頂7上安放分配梁8，初步頂升千斤頂7使得分配梁8與鋼主梁1恰好接觸。

d.頂升千斤頂7直到鋼主梁3中支點處的頂升量達到設計計算值，并做好現場觀測和記錄。

e.待千斤頂7頂升完畢后，再吊裝支點負彎矩處的預制預應力板11。

f.待所有預制板安裝完畢后，先澆筑跨中部位的現澆混凝土橋面12，再澆筑中支點處的現澆UHPC橋面13。

g.待所有橋面板結合硬化后再回落千斤頂7，使得鋼主梁1到初始設計位置，以此向鋼-混組合連續梁橋的負彎矩區橋面板施加預壓應力。

操作注意事項如下：

a.支撐平臺6用螺栓9固定在橋墩1上，千斤頂7安放在支撐平臺6上，分配梁8與鋼主梁3底板下翼緣抵接，分配梁8兩端支撐在千斤頂7上。

b.預應力橋面板11為先張法混凝土預應力橋面板，剪力連接件4在正彎矩區采用栓釘，在負彎矩區采用抗拔不抗剪連接件。

c.鋼主梁3在橋墩1處用支點橫隔板5連接，以增強鋼主梁3在支點處的受壓性能和穩定性，支點橫隔板5與鋼主梁3連接為栓接。

d.混凝土預制板10和現澆混凝土橋面12對應布置在鋼-混組合連續梁的跨中正彎矩區，預應力預制板11和現澆UHPC橋面13對應布置在鋼-混組合連續梁的中支點負彎矩區。

e.鋼主梁3在中支點橋墩處對應兩套頂升系統，分別布置在橋墩1的兩側，一套頂升系統包括一個支撐平臺6、兩個千斤頂7和一根分配梁8。

f.鋼主梁3中支點處的頂升量為按在施工和運營過程中最不利荷載組合作用下，混凝土不會開裂和壓碎，鋼梁不會屈服的原則計算的中支點位移值。

g.支點橫隔板5采用與鋼主梁3材料一致的鋼材。支撐平臺6由角鋼焊接，分配梁8為型鋼或工字鋼。

該裝置改變了鋼-混組合連續梁負彎矩區應力狀態的同時，提高負彎矩區橋面板的抗拉和抗裂性能，保障了鋼-混組合連續梁的正常運營，同時設備輕巧，效果明顯，能顯著降低施工成本，實現快速標準化施工。

4 有限元分析

鋼-混組合連續梁在恒載和汽車活載情況下，負彎矩區混凝土板工作性能接近于混凝土軸心受拉構件，根據《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》：

計算得到組合梁混凝土板縱向鋼筋平均應力，代替混凝土軸心受拉構件鋼筋應力值，按鋼筋混凝土軸心受拉構件計算負彎矩區組合梁混凝土板最大裂縫寬度Wtk，并應符合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》相關規定的要求。

采用MIDAS/CIVIL有限元軟件對依托工程進行模擬，鋼梁采用一般梁單元，橋面板采用板單元，有限元模型如圖所示。恒載考慮結構自重、鋪裝、欄桿等；車道荷載采用公路-I級，沖擊系數按《公路橋涵設計通用規范》考慮；溫度梯按現行規范施加；考慮支座不均勻沉降5 mm。按《公路橋涵設計通用規范》進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態驗算，得到其施工階段和成橋階段的內力圖如圖8所示。結果表明支座頂升之后正常使用階段的橋面板拉應力較小，裂縫寬度僅0.09 mm，符合要求。

進一步地改變頂升高度，觀察成橋后只有恒載作用下支座混凝土板的拉應力，對優化裝置的效果進行參數分析。簡化模型和橋面板應力云圖如圖9所示，成橋時負彎矩區板頂為壓應力。

調整頂升高度，分別得到成橋時負彎矩區板頂的壓應力，如圖10所示。

(a) MIDAS / CIVIL 有限元模型

(a) MIDAS / CIVIL 有限元模型

可以看到隨著頂升高度的增加，本文提出的裝置給負彎矩區混凝土帶來的預壓應力越大，效果越好。對于不同橋梁，跨徑越小，導入預壓應力的效果越好。

(a) 3×22.5 m跨

5 效果與結論

與現有技術相比，本項目提出的優化裝置通過調整橋面板鋪裝順序，能有效減少鋼主梁負彎矩區拉應力的累積；通過頂升系統施加外荷載使得鋼主梁發生一定的彈性變形，在形成組合截面后，再釋放附加頂升荷載使鋼主梁的變形得到一定的恢復，使得負彎矩區橋面板儲備一定的預壓力；通過預制預應力板和現澆UHPC混凝土橋面，進一步保障了負彎矩區橋面板的抗拉抗裂性能；該裝置采用的設備輕巧，效果明顯，能降低施工成本，實現快速標準化施工；該裝置綜合運用支點頂升法、施加預應力法和調整施工順序法，為鋼-混組合梁橋負彎矩區應力提供三重保障，能有效控制鋼-混組合連續梁橋負彎矩區混凝土開裂，提高鋼-混組合梁剛度和耐久性，為類似工程提供參考依據。