基于工業(yè)化建造的整體預(yù)制連續(xù)架設(shè)型鋼- 混凝土組合梁設(shè)計(jì)

張春雷，顏 海，程 斌

[1.上海市政預(yù)制技術(shù)開發(fā)有限公司，上海市 200092；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；3.上海高性能組合結(jié)構(gòu)橋梁工程技術(shù)研究中心，上海市 200092; 4. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海市 200240]

0 引 言

隨著社會(huì)生產(chǎn)力水平的不斷提高，我國工程建設(shè)正向工業(yè)化、集約化、產(chǎn)業(yè)化的方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。預(yù)制裝配是橋梁工業(yè)化的主要特征，具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化制造、裝配化施工和信息化管理的特點(diǎn)。鋼-混凝土組合梁便于實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配化，是一種與工業(yè)化建造要求相適應(yīng)的橋型，在我國橋梁工程中的應(yīng)用越來越廣泛，從以往的大跨橋梁局部應(yīng)用發(fā)展到一些高架橋梁常規(guī)跨徑大規(guī)模應(yīng)用。我國鋼材產(chǎn)能巨大，國家出臺(tái)了推廣使用鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)政策，如2016 年《交通運(yùn)輸部關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》，進(jìn)一步促進(jìn)了組合結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展。近幾年，組合梁在我國安徽、陜西、浙江、上海等省市的高速公路橋梁中也開始應(yīng)用，展現(xiàn)了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能[1]。

中小跨徑組合梁橋通常采用焊接鋼板梁。隨著熱軋型鋼技術(shù)的發(fā)展，將熱軋H 型鋼用于組合梁逐漸受到關(guān)注。熱軋H 型鋼在工廠直接熱軋成型，將其用于橋梁，能顯著減少鋼結(jié)構(gòu)加工制造工作量。在歐洲、美國、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，組合梁橋發(fā)展較早，型鋼在組合梁中的應(yīng)用研究也較為深入。德國中小跨徑橋梁大量采用組合梁，鋼板梁和H 型鋼都有應(yīng)用；針對(duì)小跨徑橋梁發(fā)明了預(yù)制組合梁，將H型鋼剖分為腹板帶凹凸槽口的兩個(gè)T 型鋼，T 型鋼作為下翼緣與混凝土組合，槽口中橫穿鋼筋形成剪力連接件[2]。美國研究了一種預(yù)制型鋼組合梁，將H型鋼的上翼緣與混凝土橋面板結(jié)合，下翼緣也與混凝土結(jié)合并采用先張法施加預(yù)應(yīng)力，采用的H 型鋼最大高度為1 090 mm，相應(yīng)的預(yù)制組合梁最大適用跨度約47 m[3]。日本型鋼標(biāo)準(zhǔn)中，H 型鋼最大高度達(dá)900 mm，鋼材強(qiáng)度可達(dá)500 MPa，通常用于跨徑25 m以下的橋梁中；通過墩頂段外包混凝土加強(qiáng)等措施，跨徑可拓展到40～50 m[4]。我國過去生產(chǎn)的型鋼規(guī)格較小，將型鋼用于橋梁時(shí)還需額外焊接鋼板補(bǔ)強(qiáng)，不能充分發(fā)揮型鋼的優(yōu)勢，因此，型鋼在橋梁中未能得到大規(guī)模應(yīng)用。近年來，我國型鋼生產(chǎn)能力得到提升，特別是2020 年上半年馬鋼從國外引進(jìn)的重型生產(chǎn)線投產(chǎn)，使我國H 型鋼最大規(guī)格達(dá)到歐、美水平，能生產(chǎn)高度1.1 m 且具有較大寬度和厚度翼緣的重型H型鋼，為型鋼在橋梁中的應(yīng)用提供了更好的條件。

本文基于工業(yè)化建造思路，提出了一種整體預(yù)制、連續(xù)架設(shè)的型鋼—混凝土組合梁。這種結(jié)構(gòu)形式工廠化制造程度很高，裝配化施工工序簡便，能顯著提高橋梁施工效率。本文提出的組合梁結(jié)構(gòu)形式和施工工藝都較為新穎，為此對(duì)其結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力性能進(jìn)行了研究。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思

本文針對(duì)公路或城市高架中常用的30 m 跨徑橋梁，進(jìn)行型鋼組合梁設(shè)計(jì)方案研究?；诠I(yè)化建造的思路，組合梁設(shè)計(jì)考慮以下原則：（1）具有良好的結(jié)構(gòu)性能；（2）具有合理的材料指標(biāo)；（3）構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化并與施工工藝充分結(jié)合，提高工廠制造和現(xiàn)場裝配的效率；（4）便于檢查維護(hù)，具有良好的全壽命經(jīng)濟(jì)性。

為了方便地利用工廠制造的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件適應(yīng)不同橋?qū)捯约皹驅(qū)捵兓桨覆捎枚嘀髁航Y(jié)構(gòu)形式，型鋼和混凝土組成的主梁單跨整體預(yù)制。主梁最大間距控制在2.5 m 左右，預(yù)制梁最大寬度（含伸出鋼筋）控制在3 m 左右，單片梁最大重量約70 t，預(yù)制梁的尺寸和重量都小于預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁或T 梁，能較好地適應(yīng)運(yùn)輸要求。與先架設(shè)鋼梁、再鋪設(shè)混凝土橋面板的施工方法相比，整體預(yù)制使組合截面承受結(jié)構(gòu)自重，能減小鋼梁施工階段應(yīng)力，有助于節(jié)省用鋼量。

中小跨徑連續(xù)梁可采用簡支結(jié)構(gòu)或連續(xù)結(jié)構(gòu)。與簡支結(jié)構(gòu)相比，連續(xù)結(jié)構(gòu)受力更加優(yōu)化，材料利用更充分，同時(shí)減少了橋面連續(xù)縫或伸縮縫，便于運(yùn)營期維護(hù)，因此方案設(shè)計(jì)采用連續(xù)結(jié)構(gòu)。組合梁采用連續(xù)架設(shè)方法，即預(yù)制梁縱向連接接頭設(shè)在距支點(diǎn)一定距離處，先用高強(qiáng)螺栓連接鋼梁，再澆注橋面板接縫。連續(xù)架設(shè)方法現(xiàn)場工作量較少，有利于提高現(xiàn)場施工速度。

鋼梁采用熱軋型鋼，能大幅減少鋼結(jié)構(gòu)焊接組拼工作量。大規(guī)格H 型鋼可直接用于30 m 跨徑組合梁。國內(nèi)目前能生產(chǎn)的重型H 型鋼截面主要尺寸最大值為：腹板高1 028 mm，翼緣寬500 mm，翼緣厚115 mm。因此，在方案設(shè)計(jì)中，選用的H 型鋼規(guī)格不超過上述尺寸限值。

根據(jù)以上構(gòu)思，本文以跨徑5×30 m、橋?qū)?2.75 m（三車道）、設(shè)計(jì)荷載為城-A 級(jí)的連續(xù)梁橋?yàn)槔?，?duì)整體預(yù)制連續(xù)架設(shè)型鋼組合梁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究和討論。

1.2 總體布置

橋梁橫向布置5 片預(yù)制組合梁，梁間距2.5 m，相鄰預(yù)制梁的橋面板采用現(xiàn)澆接縫連接。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面梁高1.4 m，其中鋼梁高1.09 m，混凝土板厚0.22 m，承托高0.09 m。鋼梁和橋面板之間采用剪力釘連接。組合梁支點(diǎn)處設(shè)支座加勁和支點(diǎn)橫梁，跨中不設(shè)橫梁。組合梁總體布置如圖1 所示。

圖1 組合梁總體布置圖（單位：mm）

1.3 鋼梁

主梁按邊跨、中跨、墩頂以及邊梁、中梁不同受力需求，采用四種規(guī)格的H 型鋼，高度均為1.1 m 左右。同一類高度的型鋼上下翼緣之間的凈距保持不變，型鋼總高度h隨翼緣厚度變化而變化。邊跨型鋼長24.92 m，高1 090～1 118 m；中跨型鋼長20 m，高1 090 mm；墩頂型鋼長10 m，高1 138～1 158 mm。H型鋼可根據(jù)需要的長度訂貨，鋼結(jié)構(gòu)加工時(shí)不需進(jìn)行截短或接長。主梁H 型鋼分段采用高強(qiáng)螺栓連接。主梁在支點(diǎn)處設(shè)支座加勁，其余位置不設(shè)腹板加勁肋。端橫梁與支座加勁連接，端橫梁也采用熱軋H 型鋼，高700 mm。鋼梁所用型鋼規(guī)格詳見表1，型鋼鋼材強(qiáng)度等級(jí)均為Q355。

1.4 橋面板

橋面板厚220 mm，與鋼梁結(jié)合處設(shè)90 mm 高承托。橋面板采用C50 混凝土。

橋面板作為組合梁的一部分在工廠預(yù)制，預(yù)制組合梁安裝后現(xiàn)澆橋面板縱向接縫。橋面板現(xiàn)澆接縫采用窄接縫，且鋼筋交錯(cuò)搭接，以減小現(xiàn)場鋼筋焊接和混凝土澆筑工作量。根據(jù)試驗(yàn)研究，按連接材料的不同，接縫有兩種構(gòu)造形式，均可選用。第一種形式采用C80 混凝土，橋面板伸出的U 形鋼筋交錯(cuò)搭接，在搭接形成的環(huán)中布置分布鋼筋。第二種形式采用超高性能混凝土（UHPC），橋面板伸出的直鋼筋交錯(cuò)搭接，并布置與伸出鋼筋垂直的分布鋼筋。接縫的寬度與鋼筋直徑有關(guān)。橋面板橫向鋼筋直徑為20 mm，當(dāng)采用C80 混凝土接縫時(shí)，縫寬取300 mm，U 形鋼筋搭接長度250 mm；當(dāng)采用UHPC 接縫時(shí)，縫寬取250 mm，直鋼筋搭接長度200 mm。

縱向兩段預(yù)制梁之間，橋面板設(shè)橫向現(xiàn)澆接縫，其構(gòu)造與縱向現(xiàn)澆接縫類似。

表1 型鋼規(guī)格表

1.5 施工步驟

預(yù)制梁共分三種梁型，即首跨梁段、中間跨梁段和尾跨梁段。各梁段在工廠整體預(yù)制，預(yù)制時(shí)鋼梁底部設(shè)支撐，鋼梁頂部澆筑橋面板。

型鋼組合梁現(xiàn)場安裝采用連續(xù)架設(shè)的方法，即首先架設(shè)首跨梁段并安裝對(duì)應(yīng)支點(diǎn)橫梁，再依次逐跨安裝中間跨梁段及對(duì)應(yīng)支點(diǎn)橫梁，最后安裝尾跨梁段及對(duì)應(yīng)支點(diǎn)橫梁，具體架設(shè)步驟如圖2 所示。為提高現(xiàn)場吊裝設(shè)備的使用效率，型鋼縱向接頭可先采用少量螺栓進(jìn)行臨時(shí)連接，在滿足一期恒載的受力要求后便可將吊裝設(shè)備移至下一個(gè)施工步驟。所有梁段均架設(shè)后，澆筑橋面板縱向和橫向接縫。

圖2 組合梁架設(shè)步驟

2 結(jié)構(gòu)受力性能

2.1 主梁截面承載力

建立空間有限元模型進(jìn)行組合梁總體計(jì)算，鋼梁用梁單元模擬，混凝土橋面板用板殼單元模擬。通過試算確定負(fù)彎矩區(qū)混凝土開裂范圍，開裂范圍內(nèi)不計(jì)混凝土對(duì)剛度的影響，僅計(jì)入縱向鋼筋。

在荷載基本組合下，邊梁受力較為不利，其鋼梁上下翼緣的正應(yīng)力及腹板剪應(yīng)力包絡(luò)圖如圖3 所示。上翼緣的最大拉應(yīng)力為171 MPa，出現(xiàn)在墩頂附近，最大壓應(yīng)力為120 MPa，出現(xiàn)在邊跨跨中；下翼緣最大拉應(yīng)力為261 MPa，出現(xiàn)在邊跨跨中，最大壓應(yīng)力為256 MPa，出現(xiàn)在墩頂附近；最大剪應(yīng)力為61 MPa，出現(xiàn)中支點(diǎn)附近。鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q355，根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T1591—2018），可得抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度根據(jù)板厚折減后的設(shè)計(jì)值見表2。從表中可以看出，主梁截面承載力滿足要求。

圖3 邊梁鋼梁應(yīng)力圖

表2 邊梁應(yīng)力驗(yàn)算表 （單位：MP a）

2.2 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定

對(duì)于連續(xù)梁橋，需檢算墩頂負(fù)彎矩區(qū)的側(cè)扭穩(wěn)定性。本文組合梁方案僅設(shè)端橫梁，不設(shè)中橫梁，鋼主梁之間的橫向聯(lián)系較少，側(cè)扭穩(wěn)定性驗(yàn)算尤為必要。建立空間有限元模型進(jìn)行彈性屈曲計(jì)算，鋼梁和橋面板均用板殼單元模擬。在恒載+ 活載標(biāo)準(zhǔn)值組合下，組合梁發(fā)生側(cè)扭失穩(wěn)的屈曲系數(shù)為12.1，整體穩(wěn)定性滿足要求。組合梁側(cè)扭失穩(wěn)模態(tài)如圖4所示。

圖4 側(cè)扭失穩(wěn)模態(tài)

2.3 鋼梁局部穩(wěn)定

鋼主梁所用H 型鋼，翼緣懸臂寬厚比小于12，腹板高厚比小于60，根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015） 的規(guī)定，局部穩(wěn)定性滿足要求，不需設(shè)置加勁肋。

2.4 橋面板橫向受力

由于組合梁不設(shè)中橫梁，橋面板在承受車輪局部荷載的同時(shí)，也起到橫向分配荷載的作用，受力狀態(tài)較為復(fù)雜。利用空間有限元模型，采用車輛荷載加載，對(duì)橋面板進(jìn)行受力分析。在支點(diǎn)和跨中，由于鋼梁對(duì)橋面板支撐剛度不同，橋面板在車輛荷載作用下的受力狀況也有所不同。單車道偏載工況下，車輛荷載作用在支點(diǎn)和跨中時(shí)橋面板的變形和彎矩如圖5 所示。

在支點(diǎn)和跨中，車輛荷載分別在橫橋向不同位置加載，得到橋面板最不利受力狀態(tài)。橋面板厚度220 mm，經(jīng)計(jì)算，頂、底面配筋均采用Φ20@200 mm。

2.5 負(fù)彎矩區(qū)橋面板裂縫寬度

連續(xù)組合梁中間支點(diǎn)區(qū)域承受負(fù)彎矩，混凝土橋面板因受拉而易于開裂。早期連續(xù)組合梁橋通常采用預(yù)應(yīng)力筋或安裝措施在支點(diǎn)處的橋面板中施加預(yù)應(yīng)力，以使混凝土在使用荷載作用下不出現(xiàn)或僅出現(xiàn)有限拉應(yīng)力。但施加預(yù)應(yīng)力不僅增加了施工復(fù)雜性，而且由于收縮徐變引起預(yù)應(yīng)力損失等原因，預(yù)應(yīng)力效果往往不佳。隨著研究的深入，連續(xù)組合梁橋面板轉(zhuǎn)向取消預(yù)應(yīng)力、增加普通鋼筋的做法，并采用允許開裂、限制裂縫寬度的設(shè)計(jì)方法，國內(nèi)的上海長江大橋[6]、杭州九堡大橋[7]、銀川濱河黃河大橋[8]等都采用了這種方法。

本文組合梁方案負(fù)彎矩區(qū)橋面板也采用配置普通鋼筋控制裂縫寬度的做法?？傮w計(jì)算中，考慮截面開裂引起的內(nèi)力重分布。橋面板頂、底面縱向配筋均為Φ20@150 mm，在荷載短期效應(yīng)組合下墩頂處鋼筋應(yīng)力最大為142 MPa，經(jīng)計(jì)算得到最大裂縫寬度為0.15 mm。

2.6 剛度

在汽車荷載（不計(jì)沖擊）作用下，邊跨邊梁撓度最大，正撓度為31 mm，負(fù)撓度為11 mm，撓度合計(jì)42 mm，為跨徑的1/714，滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）撓度限值（跨徑的1/500）要求。

3 應(yīng)用展望

3.1 經(jīng)濟(jì)性探討

本文型鋼組合梁方案用鋼量統(tǒng)計(jì)為185 kg/m2，但目前用鋼量最節(jié)省的同等跨徑鋼板組合梁（一般為雙主梁形式）用鋼量不高于150 kg/m2。型鋼組合梁用鋼量相對(duì)較高的原因有：（1）采用多主梁形式，用鋼量會(huì)比少主梁（雙主梁）形式略高；（2）為了減少拼接而采用較長的型鋼節(jié)段，沒有根據(jù)受力需要進(jìn)一步細(xì)分；（3）型鋼截面特點(diǎn)，如上下翼緣對(duì)稱、腹板厚度與翼緣厚度相比不能太小等，使有些部位板厚富余較大。盡管用鋼量較高，但由于型鋼組合梁簡潔的構(gòu)造和大量采用定尺型鋼部件，鋼結(jié)構(gòu)加工工作量得到極大簡化且損耗極少，施工效率大大提高，加上多主梁形式便于適應(yīng)多種橋?qū)捄蜆驅(qū)捵兓?，因此本文型鋼組合梁方案在工程應(yīng)用中仍具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和競爭力。

3.2 跨徑的擴(kuò)展

本文討論的組合梁方案跨徑為30 m。利用現(xiàn)有高1.1 m 左右的H 型鋼規(guī)格，組合梁跨徑可進(jìn)一步擴(kuò)展至35 m 乃至更大?？鐝皆龃髸r(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需采取相應(yīng)措施，主要包括：

（1）增加橋面板加腋高度，在受力需要時(shí)增加橋面板厚度，增大總梁高；

（2）組合梁整體預(yù)制時(shí)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)彎措施，在墩頂段混凝土橋面板中施加一定的預(yù)壓應(yīng)力，以減小后期裂縫寬度；

（3）墩頂段橋面板采用抗拉能力強(qiáng)的材料，如超高性能混凝土（UHPC），并通過材料或工藝措施控制其收縮影響。

圖5 車輪荷載作用下橋面板變形和彎矩圖

4 結(jié) 論

本文針對(duì)公路或城市高架中常用的30m 跨徑橋梁，提出了整體預(yù)制、連續(xù)架設(shè)型鋼—混凝土組合梁方案，介紹了結(jié)構(gòu)構(gòu)造，分析了受力性能，并得到以下主要結(jié)論：

（1）型鋼組合梁主梁采用四種規(guī)格的重型H 型鋼，僅設(shè)支點(diǎn)橫梁，不設(shè)中橫梁和腹板加勁肋，構(gòu)造簡潔，工廠制造效率高。

（2）型鋼組合梁采用整體預(yù)制、連續(xù)架設(shè)的施工方法，工廠化生產(chǎn)程度高，現(xiàn)場工作量少，有利于加快現(xiàn)場施工速度。

（3）型鋼組合梁具有良好的受力性能，結(jié)構(gòu)承載力、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定、剛度、橋面板橫向受力以及負(fù)彎矩區(qū)裂縫寬度都滿足規(guī)范要求。由于不設(shè)中橫梁，組合梁空間受力效應(yīng)明顯，設(shè)計(jì)中應(yīng)采用空間分析方法。

（4）多主梁型鋼組合梁用鋼量高于少主梁鋼板組合梁，但由于鋼結(jié)構(gòu)加工工作量得到極大簡化且損耗極少，施工效率大大提高，加上多主梁形式便于適應(yīng)多種橋?qū)捄蜆驅(qū)捵兓?，多主梁型鋼組合梁方案仍具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和競爭力。

（5）采用高1.1m 左右的重型H 型鋼，并采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)措施，多主梁型鋼組合梁跨徑可在30m 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展。