提高大跨徑橋梁的安全性和耐久性

文 供圖

我國20世紀(jì)90年代以來修建的部分大跨徑混凝土橋、鋼橋和鋼混結(jié)構(gòu)橋梁，因各種原因，不同程度的出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂、下?lián)系葐栴}，嚴(yán)重影響到橋梁安全性和耐久性，橋梁安全性和耐久性問題越來越受到高度重視。

近十年來，交通運(yùn)輸部和各省交通主管部門出臺(tái)了很多關(guān)于提升橋梁安全性和耐久性的規(guī)定，新版的橋梁規(guī)范補(bǔ)充了橋梁安全性和耐久性的相關(guān)條款，橋梁設(shè)計(jì)、科研和施工企業(yè)都加強(qiáng)技術(shù)總結(jié)，有針對(duì)性地在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝和新材料研究應(yīng)用等方面做了很多努力，開展了很多提高橋梁安全性和耐久性的技術(shù)實(shí)踐。本文意在對(duì)國內(nèi)特別是湖北省一些大跨徑混凝土橋、鋼橋和鋼混結(jié)構(gòu)橋梁在安全性和耐久性上出現(xiàn)的問題，以及針對(duì)這些問題，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝、新材料研究應(yīng)用等方面所做的改進(jìn)、提高進(jìn)行梳理和總結(jié)，為該領(lǐng)域發(fā)展提供參考。

常見主要問題

混凝土橋梁

混凝土橋梁安全性和耐久性方面的問題主要是混凝土開裂、主梁下?lián)虾徒Y(jié)構(gòu)承載能力不足等。開裂又分為非結(jié)構(gòu)性開裂和結(jié)構(gòu)性開裂。非結(jié)構(gòu)性開裂一般是因?yàn)榛炷临|(zhì)量問題、混凝土水化熱和混凝土收縮徐變等因素引起的混凝土表面裂縫。結(jié)構(gòu)性開裂主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)受力超出混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫，超載、預(yù)應(yīng)力失效、構(gòu)造設(shè)計(jì)不合理、先天性安全儲(chǔ)備不足等因素都會(huì)引起結(jié)構(gòu)受力超出混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性開裂?；炷灵_裂直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，它將導(dǎo)致鋼筋銹蝕，結(jié)構(gòu)耐久性降低，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致橋梁的使用性能和極限承載力降低。在此舉兩個(gè)典型案例說明問題。

第一個(gè)案例：某長江大橋主梁下?lián)虾拖淞洪_裂。某長江大橋主橋?yàn)槲蹇缫宦?lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，主跨跨徑超過200米。大橋通車運(yùn)行7年后，主要病害表現(xiàn)為主梁非正常下?lián)虾徒Y(jié)構(gòu)嚴(yán)重開裂。經(jīng)檢測(cè)，大橋各主跨都存在主梁非正常下?lián)?，其中北岸次邊?號(hào)至3號(hào)墩之間主梁跨中下?lián)侠塾?jì)達(dá)34.5厘米。箱梁0.1毫米，以上裂縫6800多條，最大裂縫寬度達(dá)3毫米，且裂縫分布十分廣泛，跨中段一定范圍內(nèi)腹板的斜向開裂，箱梁底板橫向裂縫和腹板的豎向裂縫（有的已貫通）。

分析認(rèn)為，大橋混凝土施工質(zhì)量不高，建橋時(shí)材料、工藝設(shè)備能力與大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋要求不相適應(yīng)是大橋產(chǎn)生病害的主要原因。施工質(zhì)量問題主要表現(xiàn)在：一方面，混凝土空洞（腹板、頂?shù)装寤炷链嬖诖罅靠斩?，最大的超過1平方米）；另一方面，對(duì)管道壓漿重視不夠，部分預(yù)應(yīng)力管道未灌漿或灌漿不飽滿（以腹板連續(xù)束居多，耳貼腹板，車輛通過時(shí)能聽到鋼束撞擊響聲，打開錨頭鋼束出現(xiàn)回縮）。材料和工藝設(shè)備方面主要是：第一，建橋時(shí)國內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋普遍采用直徑5毫米的低碳鋼絲，張拉噸位小。第二，預(yù)應(yīng)力管道灌漿工藝和設(shè)備能力存在不足。

第二個(gè)案例：某高速公路特大橋箱梁底板崩裂。某高速公路漢江特大橋主橋?yàn)?5+3×150＋85(米)預(yù)應(yīng)力混凝土箱型變截面連續(xù)剛構(gòu)，右幅合龍并張拉合攏束后，三個(gè)主跨發(fā)生大面積的底板混凝土崩裂，損壞情況嚴(yán)重，主要病害為底板下緣徑向拉裂、混凝土破損、底板下緣主筋外露等。

底板崩裂情況。通過對(duì)右幅三個(gè)主跨箱梁底部的外觀檢查，發(fā)現(xiàn)共有20個(gè)節(jié)段箱梁底板下緣發(fā)生了不同程度的徑向崩裂，以5#至6#跨最為集中、嚴(yán)重。該跨底板崩裂區(qū)域共8個(gè)節(jié)段，底板下緣縱向預(yù)應(yīng)力鋼束以下部位已經(jīng)整體崩裂懸空，破壞塊最大下懸35厘米，崩裂范圍超底板面積的六分之一。同時(shí)，底板大于三分之一面積的混凝土已經(jīng)脫落，底板下緣縱橫向主筋外露、懸空。

圖1 巴東長江公路大橋

圖2 某高速公路橋梁底板崩裂情況

原因分析：現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，施工沒有按要求設(shè)置底板上下層鋼筋網(wǎng)的防崩鋼筋。設(shè)計(jì)對(duì)底板防崩裂進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)狀態(tài)下，不設(shè)底板上下鋼筋網(wǎng)間防崩鋼筋，底板混凝土已經(jīng)能夠抵抗徑向力，抗拉安全系數(shù)為1.6；增設(shè)底板上下鋼筋網(wǎng)間防崩鋼筋，抗拉安全系數(shù)提高到2.0，有利于防止底板崩裂。施工沒有按要求設(shè)置防崩鋼筋，降低了底板抗崩安全度，但如無其他外因，底板崩裂不會(huì)如此嚴(yán)重。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，施工期間，為了預(yù)應(yīng)力鋼束穿束方便，施工單位在底板開有若干2.0×1.0（米）左右大小的孔洞，這些孔洞在底板連續(xù)預(yù)應(yīng)力束張拉期間沒有封閉。經(jīng)驗(yàn)算，在底板預(yù)應(yīng)力張拉后，這些孔洞周圍產(chǎn)生了3.0MPa以上的集中拉應(yīng)力，這些集拉應(yīng)力正是引發(fā)底板崩裂的直接原因。此外，底板預(yù)應(yīng)力采用塑料波紋管，波紋管直徑大，且與混凝土黏結(jié)差，在一定程度上削弱了底板。有限元分析表明，這也是底板產(chǎn)生崩裂的原因之一。底板崩裂情況，如圖2所示。

鋼箱梁橋

正交異性鋼橋面板受力特性及構(gòu)件連接復(fù)雜、結(jié)構(gòu)焊縫較多，同時(shí)輪載的局部效應(yīng)明顯，應(yīng)力集中問題突出，上述因素導(dǎo)致正交異性鋼橋面板極易出現(xiàn)疲勞開裂，不僅顯著影響結(jié)構(gòu)的運(yùn)營質(zhì)量，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，而且修補(bǔ)難度大、維護(hù)成本高。通過調(diào)研分析，我國早期采用閉口U形縱肋的正交異性鋼橋面板的疲勞開裂，主要集中于U肋與橋面板縱向焊縫，其次為橫隔板處U肋焊縫、橫隔板貫穿U肋切孔周邊裂縫、橫隔板與頂板焊縫開裂，且集中于重車道、混合車道區(qū)域，這與國外調(diào)研的正交異性橋面板開裂部位和裂縫形態(tài)基本一致。正交異性鋼箱梁結(jié)構(gòu)裂縫分布，如表1所示。

表1 正交異性鋼箱梁結(jié)構(gòu)裂縫分布表

與此同時(shí)，鋼橋面鋪裝使用壽命極短，早期修建的正交異性板橋面鋪裝壽命不超過5年甚至更短。很多橋梁鋼橋面鋪裝層在外部荷載反復(fù)疲勞荷載作用下逐漸出現(xiàn)了疲勞開裂、坑槽、脫層等病害。

鋼混結(jié)合梁橋

鋼混結(jié)合段是混合梁斜拉橋連接鋼梁和混凝土梁的過渡段，由于其兩側(cè)主梁剛度和質(zhì)量相差懸殊，致使結(jié)合段受力復(fù)雜，是混合梁斜拉橋主梁設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部位。早期混合梁斜拉橋大多采用部分連接承壓板形式，連接截面以“承壓傳力”為主，需要設(shè)置超厚承壓鋼板，其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單、傳力直接，缺點(diǎn)是斷面剛度變化比較劇烈、應(yīng)力擴(kuò)散不均、結(jié)合段易開裂。

已建成并投入運(yùn)營的混合梁斜拉橋中，其工作性能、力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性難盡人意，結(jié)合段存在不同程度的脫空、開裂、抗疲勞能力不足等問題，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能和耐久性能產(chǎn)生極為不利的影響，是國內(nèi)外橋梁工程界迫切需要解決但又尚未完全解決的關(guān)鍵問題之一。

圖3 丹江口漢江大橋

關(guān)鍵技術(shù)

混凝土橋梁

針對(duì)混凝土橋梁安全性和耐久性方面存在的問題，湖北省從建設(shè)管理、設(shè)計(jì)、施工、科研等方面采取了很多改進(jìn)措施。一是建設(shè)管理：樹立全壽命周期理念，推行標(biāo)準(zhǔn)化施工等。二是設(shè)計(jì)方面：構(gòu)造設(shè)計(jì)改進(jìn)，開展防裂、防腐等耐久性設(shè)計(jì)等。三是施工方面：提高混凝土施工質(zhì)量，預(yù)制拼裝技術(shù)推廣應(yīng)用，預(yù)應(yīng)力工藝及技術(shù)改進(jìn)，寬幅箱梁等特殊構(gòu)件施工采取防裂措施等。四是研究應(yīng)用新材料：如高性能混凝土、鋼混結(jié)合段填充材料、預(yù)制拼裝濕接縫材料研究等。

標(biāo)準(zhǔn)化施工。湖北省交通運(yùn)輸廳2011 年6月發(fā)布《湖北省高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)意見》，內(nèi)容包括：工地建設(shè)和橋梁施工管理及工藝等。該指導(dǎo)意見對(duì)橋梁各分部的施工材料、設(shè)備、工藝、新技術(shù)都提出了指導(dǎo)意見，目的就是要提高橋梁工程（特別是混凝土橋梁）安全、質(zhì)量和耐久性水平。標(biāo)準(zhǔn)化重點(diǎn)：混凝土集中拌和鋼筋加工、預(yù)應(yīng)力構(gòu)件生產(chǎn)工廠化等。

構(gòu)造設(shè)計(jì)改進(jìn)。重視鋼筋混凝土構(gòu)件配筋細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和預(yù)應(yīng)力構(gòu)件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)（預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)的配筋設(shè)計(jì)、防崩鋼筋的設(shè)置等）。開展抗裂、防腐等耐久性設(shè)計(jì)，明確構(gòu)件耐久性設(shè)計(jì)相關(guān)要求。拉索錨固構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計(jì)：鋼錨箱、鋼錨梁的應(yīng)用及精細(xì)化設(shè)計(jì)。提高普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋材料等級(jí)。

預(yù)制拼裝技術(shù)應(yīng)用。預(yù)制混凝土箱梁拼縫的施工質(zhì)量和濕接縫的施工質(zhì)量是提升耐久性的關(guān)鍵因素。荊岳、嘉魚、石首等長江大橋混凝土箱梁采用短線法預(yù)制拼裝的施工工藝和節(jié)段跳倉支墩支架現(xiàn)澆的施工工藝。其中石首長江公路大橋北邊跨主梁為全預(yù)制拼裝的混合梁。PC 主梁首次在大跨徑斜拉橋主梁中采用“地面預(yù)制+支架存梁”的短線法預(yù)制拼裝技術(shù)；北邊跨預(yù)制PC 梁不設(shè)濕接縫，通過無應(yīng)力長度參數(shù)和梁段間豎向轉(zhuǎn)角參數(shù)的精度控制保證成橋線形。采用地面預(yù)制、構(gòu)造優(yōu)化和橫向預(yù)應(yīng)力多次分批張拉、優(yōu)化混凝土的配合比及溫控養(yǎng)護(hù)措施，在寬幅、大截面箱梁的精度控制、裂縫控制上取得了預(yù)期效果。

圖5 鄂東長江大橋

預(yù)制寬幅混凝土箱梁裂縫控制。荊岳、嘉魚、石首等長江大橋邊跨寬幅混凝土箱梁采用預(yù)制拼裝技術(shù)施工，為控制寬幅箱梁出現(xiàn)裂縫，設(shè)計(jì)和施工方面做了較多的改進(jìn)。

設(shè)計(jì)方面：構(gòu)造上采用合適的頂、底、內(nèi)腹板和橫隔板厚度，減小施工難度，提高預(yù)制質(zhì)量。結(jié)合短線法預(yù)制的特點(diǎn)，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力采用直線接長錨固的優(yōu)質(zhì)合金高強(qiáng)鋼棒預(yù)應(yīng)力體系。減少預(yù)制梁段類型，提高標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制的程度。匹配面設(shè)置大尺寸剪力鍵、槽，既方便預(yù)制施工，也能避免存梁膠拼施工對(duì)鍵槽的破壞，適應(yīng)寬幅大截面的能力強(qiáng)。

施工方面：對(duì)混凝土配合比進(jìn)行綜合優(yōu)化比選，選擇高工作性、高抗裂、低收縮徐變的高性能混凝土材料。澆注時(shí)嚴(yán)控入模溫度，澆注后加強(qiáng)梁體表面保溫、保濕養(yǎng)護(hù)。對(duì)外腹板及風(fēng)嘴、支點(diǎn)隔板采用冷卻水管對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫控。加強(qiáng)施工過程控制和拆模控制，對(duì)易開裂部位精細(xì)化施工，混凝土在實(shí)際工況下的初凝時(shí)間必須大于每節(jié)梁段的澆筑，適當(dāng)延長拆模時(shí)間。主梁在澆注脫模前，張拉頂、底板和部分橫梁橫向預(yù)應(yīng)力，提高主梁早期抗裂能力。

現(xiàn)澆寬幅混凝土箱梁裂縫控制。鄂東大橋主橋邊跨混凝土箱梁采用支架現(xiàn)澆施工，特別進(jìn)行了寬幅混凝土箱梁的綜合防裂措施研究與設(shè)計(jì)，取得了較好的效果，包括以下幾點(diǎn)：采用橫向整幅、縱向分段并設(shè)置后澆段的混凝土梁澆筑方案，同時(shí)采取溫控措施。對(duì)箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉時(shí)機(jī)和順序進(jìn)行了研究，優(yōu)化預(yù)應(yīng)力束張拉順序。按照不同位置的橫隔板受力模式，模擬施工過程，分別采用平面桿系程序和空間結(jié)果分析手段，對(duì)橫隔板進(jìn)行計(jì)算分析，配置合理的預(yù)應(yīng)力鋼束。進(jìn)行了特殊的施工支架設(shè)計(jì)，提出嚴(yán)格的支撐柱豎向剛度要求和拆除時(shí)機(jī)要求；進(jìn)行箱梁一般部位、鋼混結(jié)合段、后澆段等不同位置混凝土的配合比試驗(yàn)研究與設(shè)計(jì)。

預(yù)應(yīng)力施工工藝及技術(shù)改進(jìn)。適當(dāng)延長混凝土初次加載齡期，張拉時(shí)不僅混凝土的強(qiáng)度要滿足要求，其彈性模量同樣應(yīng)滿足要求。優(yōu)選預(yù)應(yīng)力管道材質(zhì)、采用真空壓漿、超張拉工藝以減小預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失。預(yù)應(yīng)力筋較短的箱梁橫、豎向預(yù)應(yīng)力，導(dǎo)致其產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失的最主要因素是錨具變形和鋼筋回縮，因此，箱梁頂板的橫向預(yù)應(yīng)力和箱梁腹板的豎向預(yù)應(yīng)力，箱梁內(nèi)的橫、豎向預(yù)應(yīng)力采用可以進(jìn)行二次張拉的螺絲端桿錨具或鐓頭錨具及相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力筋。

鋼箱梁橋

鋼箱梁構(gòu)造設(shè)計(jì)優(yōu)化。箱梁頂板：頂板厚度呈增大趨勢(shì)（14 毫米至20 毫米），部分橋梁對(duì)重車道橋面板作進(jìn)一步加厚（18 毫米至20 毫米），對(duì)改善頂板疲勞性能效果顯著。鋼橋面板作為主梁的頂板，早期大多數(shù)鋼橋面板采用12毫米厚或更薄的頂板，疲勞關(guān)鍵易損部位出現(xiàn)大量疲勞裂紋，各國規(guī)范均對(duì)橋面頂板提出了加厚要求。我國《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD64-2015）規(guī)定，鋼箱梁橋面頂板的最小板厚不小于14 毫米，同時(shí)規(guī)定在車輛荷載作用下，頂板撓跨比D/L≤1/700，對(duì)應(yīng)重載車輛的板厚應(yīng)取td≥16 毫米。

橫隔板：橫隔板在過U肋孔附近板厚呈加大趨勢(shì)（10毫米至20毫米），以改善該區(qū)域疲勞性能；疲勞試驗(yàn)研究表明，適當(dāng)增大過U肋孔區(qū)域的橫隔板厚度，是降低U肋-橫隔板開孔部位應(yīng)力幅的有效措施。

U肋：橋面板U肋間距變化不大，U肋外形尺寸一般參考已建橋梁的經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)制造廠U肋軋制設(shè)備能力確定。U肋厚度：國內(nèi)正交異性鋼橋面板疲勞試驗(yàn)研究表明，當(dāng)U肋厚度過大時(shí)，各疲勞易損部位的等效應(yīng)力幅值會(huì)呈增大趨勢(shì)，所以U肋厚度不宜過大，但為了保證U肋腹板的抗彎剛度，U肋厚度又不宜太小，因此U肋厚度一般取8毫米至10毫米較為合適。

過U 肋孔設(shè)計(jì)。為降低過U 肋孔附近區(qū)域橫隔板的疲勞應(yīng)力水平，較多采用鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的Haibach 孔，并優(yōu)化開孔局部尺寸、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和焊縫形式，同時(shí)考慮到橫隔板過U 肋孔附近應(yīng)力分布復(fù)雜、疲勞應(yīng)力幅大，將U 肋孔附近區(qū)域橫隔板（上連接板）厚度增加至20 毫米，降低疲勞應(yīng)力幅。

焊接工藝改進(jìn)。鋼箱梁制造焊接階段，加強(qiáng)對(duì)原材料質(zhì)量和制焊接工藝的管控，提升“車間化、機(jī)械化、自動(dòng)化”制造水平；采用橋面板U 肋內(nèi)焊工藝，對(duì)橋面板“U 肋-橫隔板”等易疲勞開裂焊縫采用超聲波錘擊工藝，從焊接制造工藝方面提高正交異性鋼橋面板的疲勞壽命。

增強(qiáng)橋面板剛度。采用鋼混組合橋面板或超細(xì)粉末混凝土、UHPC 超高性能混凝土橋面板、橋面鋪裝體系，通過增強(qiáng)橋面板剛度來提高正交異性橋面板的疲勞壽命。典型的橋梁有：鸚鵡洲長江大橋、南京長江第五大橋、青山長江大橋等。鸚鵡洲長江大橋加勁梁采用組合梁，工字型鋼板梁高2.423 米，混凝土橋面板厚20厘米，是世界首座采用鋼-混凝土結(jié)合梁作為加勁梁的大跨徑懸索橋。南京長江第五大橋采用超細(xì)粉末混凝土橋面板。青山長江大橋主梁中跨采用鋼箱梁，邊跨采用鋼混組合梁，混凝土橋面板厚35 厘米。

圖6 青山長江公路大橋

圖7 荊岳長江公路大橋

鋼混結(jié)合梁橋

鄂東、荊岳、嘉魚等長江大橋?yàn)榍准?jí)混合梁斜拉橋，為了主梁鋼混結(jié)合段的安全性和耐久性，在傳力模式和結(jié)構(gòu)方案、填充材料、施工工藝等方面走出了一條綜合技術(shù)創(chuàng)新路線。

增加傳力路線和傳力面積，采用“承壓+傳剪”復(fù)合傳力模式和部分連接填充混凝土連接形式，以及“大尺寸鋼格室+PBL剪力鍵+后承壓板”構(gòu)造，將鋼格室長度加大至2米、高度加大至0.8米，既顯著提升了鋼混結(jié)合段傳力能力，又實(shí)現(xiàn)了主梁構(gòu)造、剛度和受力的勻順過渡，較好地克服了傳統(tǒng)鋼混結(jié)合段承載力不足、易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中的缺點(diǎn)。

鋼混結(jié)合段填充活性粉末混凝土RPC，大幅增加了鋼格室PBL剪力鍵的承載力和承剪傳力比例，從而進(jìn)一步提升鋼混結(jié)合段的軸向承載力，也有利于提高鋼混結(jié)合段的澆筑施工質(zhì)量和耐久性。

圖8 宜昌長江公路大橋

荊岳長江大橋鋼混結(jié)合段創(chuàng)新性地采用短線法預(yù)制拼裝施工工藝，克服了傳統(tǒng)現(xiàn)澆連接工藝的施工質(zhì)量不易控制的缺點(diǎn)，延長了混凝土受力齡期，大幅降低了混凝土收縮徐變產(chǎn)生的不利效應(yīng)，顯著提升了混合梁的整體施工品質(zhì)和結(jié)構(gòu)耐久性。

幾座長江大橋?qū)嵺`表明，采用“承壓+傳剪”復(fù)合傳力模式、“大尺寸鋼格室+PBL剪力鍵+后承壓板”構(gòu)造方案、RPC等高性能混凝土填充材料、節(jié)段預(yù)制拼裝施工工藝等綜合技術(shù)創(chuàng)新路線，是提升斜拉橋主梁鋼混結(jié)合段整體技術(shù)性能的有效途徑，對(duì)于提高斜拉橋的跨越能力也具有重大意義。

圖9 陽邏長江公路大橋

鄂東長江大橋鋼混結(jié)合段。鄂東大橋鋼混結(jié)合段長度8.5 米，鋼格室在結(jié)合面鋼箱梁側(cè)2 米，鋼箱梁加強(qiáng)段3.5 米，對(duì)應(yīng)鋼箱梁段長度為5.5 米。其結(jié)構(gòu)及構(gòu)造設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：為了保證鋼混結(jié)合段傳力平順、剛度過渡合理，鋼箱梁加強(qiáng)段采用在U 肋中間加設(shè)T 型加勁。

鋼箱梁端部設(shè)置多格室結(jié)構(gòu)，且在格室內(nèi)填充混凝土，并通過剪力鍵及鋼板與混凝土的摩擦力傳遞軸力、剪力和彎矩。

鋼格室腹板上設(shè)置PBL剪力鍵代替數(shù)量較多的剪力釘，使孔洞中的混凝土處于三向受力狀態(tài)，提高了剪力鍵的強(qiáng)度，且比焊釘連接件具有更優(yōu)的抗滑移性能。

為使鋼箱梁與混凝土箱梁緊密結(jié)合，在運(yùn)營階段各工況下鋼混結(jié)合段均處于全截面受壓狀態(tài)，采用預(yù)應(yīng)力鋼束連接鋼箱梁與混凝土箱梁。

荊岳長江大橋鋼混結(jié)合段。鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)部分長5.5 米，鋼格室為箱形封閉結(jié)構(gòu)，長度為2.0 米，鋼箱梁加強(qiáng)段采用在U 肋中間加設(shè)T 形加勁的方式，長2.8 米。

荊岳長江大橋鋼混結(jié)合段，與混凝土箱梁段采用匹配制造、預(yù)制拼裝的連接方式，在拼接面預(yù)留剪力塊，在結(jié)合段還設(shè)置有預(yù)應(yīng)力鋼束，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：有格室前后承壓板式結(jié)合段。在國內(nèi)首次采用有格室承壓板式結(jié)合段構(gòu)造，設(shè)置承壓板使格室內(nèi)混凝土處于多向約束狀態(tài)，提高混凝土承載能力。格室頂、底板采用PBL剪力鍵。格室腹板設(shè)置開孔板連接件結(jié)合。結(jié)合面預(yù)制拼裝式剪力塊連接。針對(duì)鋼混結(jié)合段附近參與受力的混凝土齡期短、易開裂、耐久性不足等問題，鋼混結(jié)合段連接施工將傳統(tǒng)的現(xiàn)澆工藝優(yōu)化為短線法預(yù)制拼裝施工工藝，即在鋼梁與混凝土梁結(jié)合面處設(shè)置拼接縫，待連接混凝土梁段預(yù)存3個(gè)月以上后，再與結(jié)合段鋼梁拼裝，最后澆筑鋼格室內(nèi)填充混凝土。該施工工藝克服了傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工的缺點(diǎn)，采用預(yù)制存梁后大幅降低了混凝土收縮徐變產(chǎn)生的不利影響，參與受力的混凝土梁齡期長，且鋼格室填充混凝土僅100多立方米，采用小節(jié)段拼裝施工工藝，施工操作便利、質(zhì)量易控。荊岳長江大橋鋼混結(jié)合段構(gòu)造，如圖10所示。

嘉魚、石首長江大橋鋼混結(jié)合段應(yīng)用RPC。采用普通混凝土灌注鋼混結(jié)合段存在的脫空、開裂、抗疲勞性能不足等問題,其主要原因?yàn)椋轰摶旖Y(jié)合段作為鋼梁與混凝土梁之間的過渡段，其兩側(cè)主梁質(zhì)量和剛度均相差懸殊，普通混凝土力學(xué)性能一般，韌性差、抗疲勞能力不足，難以保證鋼梁與混凝土間的力學(xué)匹配。鋼混結(jié)合段格室內(nèi)混凝土的灌注空間較為狹小，不便振搗施工，普通混凝土工作性能一般，粗骨料粒徑較大，灌注質(zhì)量難以保證。普通混凝土后期收縮較大且與鋼板的黏結(jié)強(qiáng)度不高，結(jié)合段格室頂板與混凝土極易出現(xiàn)脫空，上部雨水經(jīng)鋪裝層裂縫滲入格室內(nèi)部，嚴(yán)重影響結(jié)合段的耐久性，甚至危及結(jié)構(gòu)受力，不利于剪力鍵抗剪作用的發(fā)揮。

要進(jìn)一步改善甚至完全解決鋼混結(jié)合段存在的脫空、開裂、疲勞性能不足等問題，必須要大幅提高混凝土的工作性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性和耐久性，但普通混凝土再進(jìn)一步提高的空間十分有限，為此有必要研發(fā)新型超高性能混凝土。

圖10 荊岳長江大橋鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖

圖11 吳家溝隧道

嘉魚和石首長江公路大橋混合梁鋼混結(jié)合段在鄂東、荊岳長江大橋鋼混結(jié)合段的基礎(chǔ)上，以研發(fā)混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段活性粉末混凝土RPC灌注材料為核心，從材料性能需求與配制、PBL剪力鍵受力性能、鋼混結(jié)合段受力性能，以及鋼混結(jié)合段施工工藝四個(gè)方面進(jìn)行研究。

第一，研究混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段灌注材料RPC的配制技術(shù)。研究的技術(shù)路線是以達(dá)到RPC的性能需求指標(biāo)為核心，主要從配制原理、原材料和配合比對(duì)力學(xué)性能、工作性能和體積穩(wěn)定性的影響出發(fā)，總結(jié)出各原材料及配合比參數(shù)對(duì)RPC的性能影響規(guī)律，為配制RPC提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。

第二，對(duì)采用普通混凝土、不摻鋼纖維素RPC和摻鋼纖維的剪力鍵進(jìn)行破壞試驗(yàn)。對(duì)鋼混結(jié)合段剪力鍵的破壞模態(tài)、極限承載力、荷載滑移曲線，以及荷載應(yīng)變曲線等進(jìn)行分析，為灌注RPC的鋼混結(jié)合段內(nèi)PBL抗剪承載力計(jì)算理論與方法的提出提供數(shù)據(jù)支撐。

圖12 香溪長江公路大橋

第三，通過對(duì)混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段進(jìn)行1:3縮尺模型試驗(yàn)，研究了壓彎、純扭、壓彎扭不同工況下灌注RPC鋼混結(jié)合段的受力性能，并采用有限元程序?qū)υ囼?yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了參數(shù)分析。

研究表明，采用RPC灌注的鋼混結(jié)合段具有足夠的強(qiáng)度和安全系數(shù)，RPC與鋼格室結(jié)合緊密，能較好的滿足結(jié)合段受力需求。由于RPC具有比普通混凝土更佳的工作性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性、耐久性和抗疲勞性能等優(yōu)勢(shì)，能極大的提升混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段的使用性能及經(jīng)濟(jì)性。

第四，結(jié)合嘉魚、石首長江公路大橋特點(diǎn)，制定適合混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段灌注材料RPC的施工技術(shù)方案、現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制措施和養(yǎng)護(hù)技術(shù)，提出具有可操作性的控制RPC澆筑質(zhì)量的成套技術(shù)。

索塔錨固區(qū)抗裂設(shè)計(jì)。千米級(jí)斜拉橋索塔錨固區(qū)受力復(fù)雜，容易出現(xiàn)開裂。為了研究錨固區(qū)的受力特性，進(jìn)行斜拉索塔端錨固區(qū)足尺模型試驗(yàn)，通過節(jié)段1:1模型試驗(yàn)研究，模擬索力加載，確定結(jié)構(gòu)開裂荷載和可能的破壞荷載，以及裂縫分布情況。設(shè)計(jì)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果、結(jié)構(gòu)的開裂荷載、安全度和裂縫寬度及分布情況，并結(jié)合計(jì)算分析，進(jìn)行抗裂設(shè)計(jì)。計(jì)算分析時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的材料非線性、干燥收縮和徐變對(duì)索塔錨固區(qū)受力特性的影響。

香溪長江大橋預(yù)應(yīng)力拱腳。鋼桁拱橋的拱腳連接構(gòu)造一般采用承壓傳剪式鋼混結(jié)構(gòu)，該構(gòu)造在弦桿與拱座兩種不同材料的連接界面上剛度突變，易造成應(yīng)力集中，且傳力途徑不明確，受力模式不清晰，埋入段范圍的拱座混凝土應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，運(yùn)營期混凝土易開裂，埋入段構(gòu)造尺寸較大也會(huì)增加拱座混凝土的澆筑難度。

香溪長江大橋?yàn)橹骺?19米的全推力拱橋，拱橋受力大且復(fù)雜，鑒于傳統(tǒng)拱腳承壓傳剪式鋼混結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，香溪長江大橋提出了一種新的拱腳完全承壓式鋼混復(fù)合連接構(gòu)造，該構(gòu)造由厚承壓板格構(gòu)和弦桿外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)組成。厚承壓板格構(gòu)主要傳遞拱肋的軸力及剪力，拱腳弦桿的彎矩通過弦桿外部的預(yù)應(yīng)力平衡，預(yù)應(yīng)力通過在拱座內(nèi)設(shè)置的錨固扁擔(dān)梁傳遞給拱座。完全承壓式鋼混復(fù)合連接構(gòu)造受力模式清晰、傳力途徑明確、施工工藝簡單。香溪長江大橋預(yù)應(yīng)力拱腳構(gòu)造，如圖13所示。

中國大跨徑橋梁在提高橋梁安全性和耐久性方面所做的工作遠(yuǎn)不止這些，本文立足于湖北省在提高橋梁安全性和耐久性的技術(shù)實(shí)踐，因篇幅有限，還有很多內(nèi)容沒有涉及，如沿海橋梁的耐久性技術(shù)、防腐材料技術(shù)、耐久性監(jiān)測(cè)技術(shù)等。

圖13 香溪長江大橋預(yù)應(yīng)力拱腳構(gòu)造圖