鋼-混組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)混凝土抗裂設(shè)計(jì)研究

張 軍

（山西省公路局 臨汾分局，山西 臨汾 041000）

在受力高效的鋼-混組合結(jié)構(gòu)梁橋負(fù)彎矩區(qū)，混凝土橋面板承受拉力，并且可能由于剪力滯效應(yīng)的影響，使得混凝土局部拉應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生裂縫。失去混凝土的保護(hù)后鋼筋極易銹蝕，從而影響結(jié)構(gòu)承載能力與結(jié)構(gòu)耐久度。因此，對(duì)組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)的混凝土裂縫進(jìn)行合理的計(jì)算和控制十分重要。

由于橋面板開(kāi)裂與截面內(nèi)力重分布互相影響，負(fù)彎矩區(qū)混凝土板開(kāi)裂范圍往往難以明確，目前國(guó)內(nèi)各規(guī)范在進(jìn)行負(fù)彎矩區(qū)混凝土板裂縫寬度計(jì)算時(shí)采用中支點(diǎn)兩側(cè)各15%跨徑作為開(kāi)裂范圍，該值源于1986年Johnson R.P.等的研究[1]，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算難度，但僅適用于相鄰跨徑比Lmin/Lmax＞0.6的連續(xù)梁[2]。歐洲規(guī)范[3]則采取一種迭代算法來(lái)考慮內(nèi)力重分布，并且在計(jì)算裂縫寬度時(shí)考慮了拉伸剛化效應(yīng)，從裂縫控制的角度來(lái)看更為合適。

對(duì)裂縫寬度的合理計(jì)算便于進(jìn)行裂縫的預(yù)測(cè)，在工程中，還須提前采取一定的措施來(lái)限制或預(yù)防結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)展與產(chǎn)生。組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)混凝土板上緣的拉應(yīng)力主要來(lái)源于混凝土的收縮徐變、溫度作用以及荷載作用[4]。目前國(guó)內(nèi)外采取的抗裂設(shè)計(jì)方法主要分為兩類，一類是施加預(yù)應(yīng)力法，另一類是增強(qiáng)配筋法。此外，隨著鋼-混組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展和研究的深入，也有學(xué)者提出了調(diào)整施工順序和UHPC濕接縫等方法控制組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土裂縫。

本文將對(duì)鋼-混組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)混凝土裂縫的各控制措施進(jìn)行研究和總結(jié)，對(duì)其效果及適用性進(jìn)行分析。

1 負(fù)彎矩橋面板抗裂設(shè)計(jì)方法

1.1 施加預(yù)應(yīng)力法

1.1.1 支座位移法

該方法是在澆筑負(fù)彎矩區(qū)混凝土前預(yù)先將中支座頂升一定高度，待該區(qū)域混凝土澆筑并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再將中支座降回設(shè)計(jì)高度（圖1）。目的是通過(guò)支座回落后產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力來(lái)抵消負(fù)彎矩導(dǎo)致的混凝土板拉應(yīng)力，從而減小裂縫[5]。

圖1 支座位移法示意圖

1.1.2 預(yù)加靜載法

該方法是在先澆筑完成的正彎矩區(qū)混凝土上施加臨時(shí)壓重，待負(fù)彎矩區(qū)混凝土澆筑完成后再撤去該壓重，從而使負(fù)彎矩區(qū)橋面板獲得一定的預(yù)壓應(yīng)力[6]（圖 2）。

圖2 預(yù)加靜載法示意圖

1.1.3 預(yù)應(yīng)力鋼束先結(jié)合法

該方法是在負(fù)彎矩區(qū)域橋面板布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束或鋼筋，待橋面板澆筑完并達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行張拉，使橋面板在各種荷載作用下均保持受壓狀態(tài)。由于先形成組合截面，該方法容易使靠近混凝土板部分的鋼梁應(yīng)力增大，預(yù)應(yīng)力損失較大。對(duì)此，聶建國(guó)[7]通過(guò)解除剪力連接件縱向功能，僅維持其豎向功能的方法避免了該問(wèn)題的發(fā)生（圖3）。

圖3 抗拔不抗剪預(yù)應(yīng)力先結(jié)合法示意圖

1.1.4 預(yù)應(yīng)力鋼束后結(jié)合法

該方法是為了避免先結(jié)合法對(duì)鋼梁產(chǎn)生不利影響，先張拉預(yù)應(yīng)力再將橋面板與鋼主梁進(jìn)行結(jié)合。施工中一般先將群釘處預(yù)留后澆槽，張拉預(yù)應(yīng)力束后再澆筑該槽，結(jié)合面處耐久性不易保證[8]。

1.2 增強(qiáng)配筋法

該方法按照普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)橋面板，通過(guò)較高的縱向鋼筋配筋率限制裂縫寬度，廣泛地應(yīng)用于中小跨徑橋梁中[9]。但該方法應(yīng)用范圍受限，當(dāng)橋梁跨徑增大到60 m以上時(shí)，過(guò)密的鋼筋會(huì)導(dǎo)致布筋困難，且影響混凝土澆筑的密實(shí)程度。

1.3 調(diào)整施工順序法

僅改變濕接縫的澆筑順序?qū)炷翗蛎姘鍛?yīng)力水平的影響很小；而改變預(yù)制混凝土橋面板鋪裝順序?qū)τ诨炷翗蛎姘鍛?yīng)力水平改變較大[10]。當(dāng)負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板滯后施工時(shí)，該區(qū)域混凝土橋面板的應(yīng)力水平大幅度改善。

1.4 UHPC濕接縫法

基于UHPC材料，邵旭東等人[11]提出了一種新型負(fù)彎矩區(qū)UHPC濕接縫方案。原方案在墩頂接縫處現(xiàn)澆微膨脹混凝土（圖4），而新方案將墩頂接縫劃分為T(mén)字型的上、下兩個(gè)區(qū)域，最頂部區(qū)域受到的拉應(yīng)力最大，因此在該區(qū)域內(nèi)采用UHPC，而下部區(qū)域應(yīng)力稍低部分現(xiàn)澆微膨脹的C50混凝土即可（圖5）。該方案可用于先簡(jiǎn)支后連續(xù)鋼-混結(jié)構(gòu)，施工簡(jiǎn)單。

圖4 微膨脹纖維NC接縫

圖5 UHPC接縫

2 結(jié)構(gòu)有限元模型

現(xiàn)以云南省某高速公路引橋工程為背景。該工程為3×41 m的Q345qD工字型連續(xù)鋼板組合梁橋，橋梁寬度11.25～12.0 m，橋梁平面位于半徑R=715 m的圓曲線及緩和曲線上，橋面縱坡1%，橫坡2%.單幅橋跨每跨3根鋼主梁，主梁間距4.25 m，上翼緣寬600～800 mm，板厚 20 mm、32 mm，下翼緣寬 600～800 mm，板厚 28 mm、40 mm、50 mm，腹板厚度 16 mm、24 mm。橋面板采用C50收縮補(bǔ)償混凝土，厚度25 cm，支點(diǎn)處設(shè)置承托，承托處厚34 cm，橋面板懸臂長(zhǎng)度1.75 m。縱橋向每跨共設(shè)置7道工字型橫梁。橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見(jiàn)圖6。

圖6 鋼板組合梁引橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm）

采用Midas Civil 2019有限元軟件建立全橋梁格模型，定量分析1.1～1.3中所述的抗裂設(shè)計(jì)方法。計(jì)算模型見(jiàn)圖7。

圖7 全橋有限元模型

3 不同抗裂設(shè)計(jì)方法結(jié)果分析

3.1 支座位移法

在負(fù)彎矩區(qū)混凝土滯后施工的基礎(chǔ)上，研究不同頂升量下鋼板組合梁橋的應(yīng)力水平和橋面板裂縫寬度。具體的施工工況設(shè)計(jì)為：鋼梁頂推施工—中支點(diǎn)頂升—橋面板混凝土兩次施工—中支點(diǎn)回落—二期鋪裝。通過(guò)計(jì)算得到的梁橋應(yīng)力水平和裂縫寬度見(jiàn)表1所示。

表1 不同頂升量下的應(yīng)力水平和裂縫寬度

從表1可以看到，隨著中支點(diǎn)的頂升，混凝土板的最大應(yīng)力將會(huì)有所減小，其裂縫寬度也得到了一定程度上的有效控制。當(dāng)頂升量分別為17 cm、34 cm時(shí)，考慮10年收縮徐變后的混凝土板最大應(yīng)力分別減小 0.965、1.096，裂縫寬度分別減小 0.002 7、0.008 4，減小程度有限。并且隨著頂升量的不斷加大，鋼主梁在施工過(guò)程中的最大應(yīng)力會(huì)有所增大，一味地加大頂升量可能會(huì)導(dǎo)致鋼梁在施工過(guò)程中因應(yīng)力過(guò)大而出現(xiàn)安全問(wèn)題。

3.2 預(yù)加靜載法

采用預(yù)加靜載法進(jìn)行抗裂設(shè)計(jì)的原理與支座位移法類似，同樣在負(fù)彎矩區(qū)混凝土滯后施工的基礎(chǔ)上，計(jì)算不同預(yù)加載下的鋼板組合梁橋的應(yīng)力水平和橋面板裂縫寬度。為了保證可行性和優(yōu)化配重效果，分別采用0.5倍和1倍的鋼梁自重集度作為預(yù)加靜載集度，對(duì)邊支點(diǎn)附近0.85L范圍橋面板和中跨0.7L范圍橋面板進(jìn)行均勻加載。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 不同預(yù)加載量下的應(yīng)力水平和裂縫寬度

從表2可以看出，預(yù)加靜載法對(duì)于控制負(fù)彎矩區(qū)混凝土應(yīng)力水平和裂縫寬度具有一定作用，但其效率較支座位移法略小。當(dāng)在正彎矩區(qū)混凝土上分別施加0.5倍和1倍的主梁自重集度，相較于未采用預(yù)加靜載法時(shí)，混凝土裂縫僅減小0.000 4 mm和0.001 2 mm，且施工過(guò)程中鋼梁的應(yīng)力會(huì)因此產(chǎn)生較大幅度的增長(zhǎng)，使該方法受到明顯掣肘。

3.3 增強(qiáng)配筋法

在負(fù)彎矩區(qū)混凝土滯后施工的基礎(chǔ)上，計(jì)算不同配筋率下的負(fù)彎矩區(qū)橋面板裂縫寬度見(jiàn)表3所示。

表3 不同配筋率下的裂縫寬度

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，每增加0.013的配筋率，裂縫寬度可減小0.001 mm左右，增強(qiáng)配筋可以達(dá)到較為明顯的裂縫控制效果。

3.4 調(diào)整施工順序法

依托工程采用頂推法施工鋼梁，后在鋼梁上澆筑混凝土橋面板。為了研究不同施工順序?qū)τ阡摪褰M合梁橋的應(yīng)力水平和橋面板裂縫寬度的影響，本文設(shè)計(jì)兩種具體的施工順序：A.鋼梁頂推施工—混凝土一次性施工—二期鋪裝；B.鋼梁頂推施工—正彎矩區(qū)混凝土施工—中支點(diǎn)兩側(cè)各6 m范圍內(nèi)混凝土施工—二期鋪裝。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)（表4），負(fù)彎矩區(qū)混凝土的滯后施工會(huì)極為有效地控制裂縫寬度，但單純依靠該方法不能使充分考慮了收縮徐變效應(yīng)后的負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板應(yīng)力水平滿足規(guī)范限值，需要同時(shí)采取如支座位移法等其他抗裂措施輔助。

表4 不同施工順序下的應(yīng)力水平和裂縫寬度

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，可以看出我國(guó)計(jì)算負(fù)彎矩區(qū)裂縫寬度的方法方便簡(jiǎn)單，但具有局限性。通過(guò)對(duì)目前常用的幾種負(fù)彎矩區(qū)混凝土抗裂設(shè)計(jì)方法的研究和總結(jié)發(fā)現(xiàn)：

a）支座頂升法和預(yù)應(yīng)力加載法具有一定的抗裂效果，但對(duì)鋼梁應(yīng)力水平影響較大，可能會(huì)由于鋼梁應(yīng)力、疲勞等原因而限制其效果。此外，這兩種方法還會(huì)給施工增加一定的難度，不僅耗費(fèi)工、料、機(jī)，還會(huì)導(dǎo)致工期的增長(zhǎng)，不適用于工業(yè)化和快速化施工的發(fā)展。

b）強(qiáng)配筋法控制裂縫寬度效果明顯，且便于施工，在中小跨徑橋梁中具有較好適用性。但當(dāng)跨度增大時(shí)，強(qiáng)配筋法需要的配筋率將會(huì)導(dǎo)致鋼筋過(guò)密，布筋困難，且對(duì)混凝土密實(shí)度造成影響。雖然采用預(yù)應(yīng)力鋼束會(huì)導(dǎo)致造價(jià)的增加，但當(dāng)橋梁跨徑較大時(shí)。采用抗拔不抗剪連接件的預(yù)應(yīng)力鋼束先結(jié)合法顯然會(huì)具有更好的適用性。

c）UHPC濕接縫法作為一種從材料角度出發(fā)的新型抗裂設(shè)計(jì)方法，不僅效果優(yōu)異，而且便于施工、造價(jià)經(jīng)濟(jì)，相比于以上的幾種方法具有更加廣泛的適應(yīng)性和更高的工業(yè)化程度。

d）施加預(yù)應(yīng)力及增強(qiáng)配筋等方法都不利于施工的便利性和快速性，且更為被動(dòng)，未來(lái)將更趨于從材料方面尋求鋼-混組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)混凝土抗裂的辦法。對(duì)各種纖維等加筋物質(zhì)的探索能夠使混凝土的抗拉性能得到較大的改善，這對(duì)于防止或控制混凝土的開(kāi)裂問(wèn)題十分有效。