鋼-混凝土橋梁連續(xù)組合梁的有效性評估及早齡期支座混凝土裂縫的控制

摘要：提出一種鋼制梁與鋼筋混凝土板相組合的橋梁建造形式，與單跨結(jié)構(gòu)相比，組合梁結(jié)構(gòu)具有改善內(nèi)力表現(xiàn)、減少峰值位移和減少伸縮縫數(shù)量等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，用以評估鋼-混凝土橋梁連續(xù)組合梁的有效性以及控制早齡期支座處的混凝土裂縫，其模型和結(jié)論可為組合鋼梁橋的施工提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)；鋼筋混凝土組合鋼梁；有效性評估；裂縫控制

0" "引言

鋼-混凝土組合橋梁由混凝土橋面和一個(gè)或多個(gè)鋼梁組合而成，中間使用抗剪連接件。通過這種設(shè)計(jì)，材料的復(fù)合性能得以發(fā)展，從而可抵抗彎曲應(yīng)力。混凝土中的壓應(yīng)力和鋼中的拉應(yīng)力占主導(dǎo)地位，達(dá)到了優(yōu)化材料的目的。近些年，在我國建造的橋梁中，鋼筋混凝土板組合鋼梁結(jié)構(gòu)作為新型建造形式逐漸得到推廣。

此類結(jié)構(gòu)形式降低了自重、結(jié)構(gòu)體積和鋼材消耗，減少了基礎(chǔ)成本，并提高尺寸精度 [1-2]。這類結(jié)構(gòu)在受力時(shí)表現(xiàn)較好，結(jié)構(gòu)的各組成部分共同協(xié)作，達(dá)到提升承載力的目的。例如可以提升鋼材的極限抗拉強(qiáng)度與混凝土的極限抗壓強(qiáng)度[3-4]。同時(shí)在橋梁結(jié)構(gòu)中，由于伸縮縫的存在，與連跨橋梁相比，簡支跨橋梁通常產(chǎn)生更大的內(nèi)力，且需要使用更多的材料。但是在連跨橋中，通過使用鋼筋混凝土就可以改善這些問題。

鋼混組合梁橋的梁體擁有良好的耐腐蝕與耐火的特性[5]，且可明顯降低動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生的噪聲污染。目前，國內(nèi)外已經(jīng)將這種組合結(jié)構(gòu)投入工程應(yīng)用，例如將支座與上部結(jié)構(gòu)連續(xù)澆筑混凝土，將單跨體系變?yōu)闃蛄哼B續(xù)體系。國內(nèi)已經(jīng)采用在支座和橋臺處連續(xù)澆筑混凝土方法建造了數(shù)座橋梁，將支座和橋臺處的混凝土作為混凝土橫梁。其中較為典型案例包括云南某河流的25.87m的四跨組合跨河橋，位于河北某用于公共交通車道的40m單跨組合梁等。在這些工程實(shí)例中，出現(xiàn)了一個(gè)共有問題，即橋梁建造之初支座和橋臺處的混凝土，在早齡期由于水化熱產(chǎn)生了大量裂縫。

本文提出了評估鋼-混凝土橋梁連續(xù)組合梁的有效性方法，研究了早齡期支座處混凝土裂縫控制方法，所述防止混凝土產(chǎn)生裂縫的措施，對今后的大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

1" "材料和方法

1.1" " 橋梁材料

近些年來，許多學(xué)者都聚焦于鋼-混凝土組合梁的負(fù)最大彎矩區(qū)研究，鋼-混凝土組合梁的最有利受力狀態(tài)是混凝土翼緣受壓、鋼梁受拉，但是在實(shí)際的施工使用中，卻普遍出現(xiàn)了混凝土翼緣受拉的情況。鋼-混凝土連續(xù)組合梁在多數(shù)時(shí)間下是帶裂縫工作的，但是裂縫過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼筋裸露于空氣中，產(chǎn)生化學(xué)作用發(fā)生腐蝕。裂縫允許有害液體和氣體滲入混凝土，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的完整性、耐久性和使用壽命。

在目前研究中，許多研究者已經(jīng)對混凝土開裂后的剛度退化問題展開了研究，通過改變剪力連接件形式、配筋情況以及連接件分布，研究組合梁的裂縫擴(kuò)展模型、負(fù)最大彎矩區(qū)性能優(yōu)化等問題。其中改善混凝土板的開裂特性，最直接的方法就是使用高性能混凝土材料。通過這種方式，可以減少抗剪連接件用量，從而提高混凝土翼緣縱向抗剪能力，充分發(fā)揮材料性能?；谏鲜鰞?nèi)容，橋梁采用等級為C50的混凝土，同時(shí)為了降低混凝土硬化過程中的水化熱，添加了一定量的粉煤灰（PFA）降低水化熱，一般用量為15%。混凝土配合比如表1所示。

在利用軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，需要輸入材料參數(shù)，混凝土特性參數(shù)如表2所示。與鋼模板的空氣對流傳熱系數(shù)取17.26 W/（m2·℃）。橋梁主梁在施工期間，其周圍環(huán)境溫度在15～25℃范圍內(nèi)變化。橋梁橫截面詳細(xì)尺寸如表3所示。

1.2" " 橋梁結(jié)構(gòu)受力分析

鋼-混凝土組合截面是一個(gè)封閉截面，其中側(cè)面（腹板）和下部（底翼緣）由鋼組成，通過使用抗剪連接件將頂翼緣與混凝土橋面連接，形成一個(gè)封閉截面。在梁的兩端設(shè)置一個(gè)開口截面bQRT，在其上布置鋼筋并澆筑混凝土，使其成為規(guī)則的簡支體系。橫梁在強(qiáng)剪和高負(fù)彎矩下工作，需要在梁間間隙處加強(qiáng)鋼筋強(qiáng)度，且在梁的底部和頂部鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，在建造橋梁時(shí)，頂部鋼筋和底部鋼筋區(qū)域通常采用直徑為16mm、長度為10cm的鋼筋。鋼筋長度由公式（1）計(jì)算得出：

l=bQRT+L+lb" " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：

bQRT ——主梁兩端之間的距離；

L——大于或等于0.15Lst；

Lst——緊鄰的兩個(gè)跨度中的較長一個(gè)；

lb——錨固件的長度。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，連續(xù)組合梁不同于與鋼梁或鋼筋混凝土梁這種單一結(jié)構(gòu)，必須考慮鋼材與混凝土結(jié)合時(shí)材料性質(zhì)的差異性。值得特別注意的是，開裂對混過凝土有效翼緣寬度的影響、栓釘滑移效應(yīng)等問題不能忽視。影響支座處的負(fù)彎矩分布的因素有很多，例如支座位移、支座溫度。在底部承臺處往往承受較大的拉力和剪切力，所以需要通過加密間距或者長度加長來增加此處的鋼筋用量。支撐處結(jié)構(gòu)梁如圖1所示。澆筑混凝土位置處詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

抗剪連接件主要作用為加強(qiáng)鋼梁與混凝土板整體性的粘接，承受兩者接觸面之間的剪力，以最大限度地減少界面滑移，保證使鋼制梁與混凝土翼緣板協(xié)同工作。本文采用抗剪切栓釘進(jìn)行抗剪設(shè)計(jì)。板的鋼筋需要通過計(jì)算設(shè)置鋼筋的數(shù)量和長度，在梁端位置鋼筋混凝土板的厚度必須≥17.5cm。

采用組合鋼梁和鋼筋混凝土板建造的跨橋，不僅可以建造連續(xù)結(jié)構(gòu)，還可以在橋臺和支承結(jié)構(gòu)處建造一個(gè)附加構(gòu)件，即橫梁。該結(jié)構(gòu)分以下幾個(gè)階段工作：第一階段，只有鋼梁起作用，完全承擔(dān)因外部荷載而產(chǎn)生的內(nèi)力；第二階段，鋼梁和鋼筋混凝土板共同受力。有時(shí)支座處兩端梁的截面是不同的，采用鋼筋混凝土連接兩個(gè)端梁需要考慮梁的截面屬性問題。在支座和橋臺處主要由鋼梁承擔(dān)內(nèi)力，但跨中的截面則由鋼筋混凝土板與鋼梁協(xié)同受力。需要注意的是，構(gòu)成主梁的材料差異性以及主梁橫截面的不同，導(dǎo)致主梁本身的荷載分布不同，如圖3所示。

施工方法：基于各跨橋的不同長度，根據(jù)支座上鋪設(shè)主梁的方法，使用臺式橋梁的施工方法。第1步：按照設(shè)計(jì)圖紙制作鋼梁，保證構(gòu)件連接處的強(qiáng)度儲備，設(shè)置錨栓；第2步：在支座上架設(shè)鋼梁（根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的跨距）；第3步：支座處以及鋼梁頂層鋪設(shè)鋼筋（根據(jù)預(yù)計(jì)算的鋼筋尺寸、間距與長度）；第4步：在跨中和支座處澆筑混凝土；第5步：完成承臺和其他構(gòu)件的布置。

1.3" " 橋臺混凝土裂縫分析

控制橋臺處混凝土裂縫可以通過結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)處理或者采用合理的施工方法來實(shí)現(xiàn)，主要包含以下幾個(gè)方面：使用較小直徑的鋼筋或者縮小鋼筋間距，確定最佳的保護(hù)層厚度；增加鋼梁的截面高度，縮小與截面中性軸距離；使用正確混凝土配合比，澆筑、振搗、表面處理、養(yǎng)護(hù)程序缺一不可，嚴(yán)格把握各工序施工質(zhì)量。

在其他條件確定情況下，由于混凝土硬化過程中水化熱的存在，混凝土可能開裂。開裂概率的評估可以用下式表示：

（2）

式中：

Ict——熱裂縫指數(shù)；

fsp（τ）——白天的最大熱應(yīng)力值；

ft（τ）——白天混凝土的抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)之前的試驗(yàn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及表4中列出的預(yù)防開裂標(biāo)準(zhǔn)，可以通過熱裂縫指數(shù)值來評估開裂趨勢。

2" "研究結(jié)果

2.1" " 組合梁有效性評估

本文所研究的結(jié)構(gòu)為三跨連續(xù)梁，每跨度的長度為 45m，結(jié)構(gòu)分析如圖4所示。其中：DC1為帶鋼筋混凝土板的組合鋼梁位置處荷載；DC2為澆筑混凝土位置處荷載；W為道荷載。

將兩個(gè)端梁（支座處）之間的間隙，設(shè)置為bQRT=0.9m，荷載組合包括結(jié)構(gòu)所有部件的自重+車輛荷載+設(shè)計(jì)車道荷載。下文通過SAP2000軟件計(jì)算了連續(xù)梁和簡支梁的內(nèi)力分布，各連續(xù)跨度彎矩如圖5至圖8所示。

圖9為相同荷載下連續(xù)跨的彎矩值與簡單跨度的彎矩值對比。例如，與簡支單跨度AB、BC和CD處的彎矩相比，連續(xù)跨度AB、BC和CD處的彎矩分別降低了36.53%、78.61%和34.83%。

2.2" " 混凝土早期開裂評估

當(dāng)混凝土強(qiáng)度較低時(shí)，約束體積收縮會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂，即當(dāng)拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土開裂?；炷烈蚴湛s所引起的裂縫是最常見的，通常呈現(xiàn)在表面。然而收縮應(yīng)變只是影響其開裂的因素之一，還包括混凝土溫度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、約束程度和徐變等?；炷猎琮g期抗拉強(qiáng)度、收縮應(yīng)力等參數(shù)，會(huì)隨著混凝土發(fā)展不斷改變，各種因素之間也互相影響。為分析支座處早齡期混凝土溫度、應(yīng)力場和開裂指數(shù)，對于混凝土強(qiáng)度的影響，采用基于有限元法的數(shù)值模型，利用計(jì)算軟件Midas Civil計(jì)算得到了支座處混凝土的溫度場和開裂指數(shù)。基于幾何對稱性，支座處的混凝土采用有限元建模如圖 10 所示。通過計(jì)算得到，當(dāng)支座中心和表面混凝土之間的溫差超過允許極限20℃，或熱裂指數(shù)小于允許值1.5時(shí)，混凝土中心或表面會(huì)出現(xiàn)裂縫。

48h后支座處混凝土的溫度分布如圖11所示。從圖11可以看出，混凝土澆筑后48h最高溫度為48.01℃。圖12顯示了中心（節(jié)點(diǎn)1）與其表面（節(jié)點(diǎn)2和3）處的混凝土溫差隨時(shí)間變化曲線。如圖13所示，在選取的3個(gè)點(diǎn)處，通過模擬計(jì)算得到混凝土硬化時(shí)開裂指數(shù)高于限值1.5，所以裂縫并不會(huì)延伸在早齡期支座處。

3" "結(jié)語

本文依托某實(shí)際工程，分析鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用領(lǐng)域以及優(yōu)劣勢，對此結(jié)構(gòu)形式的負(fù)彎矩區(qū)鋼筋取值以及對混凝土早齡期有效性評估進(jìn)行了研究，可為此類橋梁的應(yīng)用和推廣提供研究參考。根據(jù)研究結(jié)果，得出以下結(jié)論：

與簡支單跨相比，采用鋼筋混凝土板組合鋼梁建造的橋梁具有如下許多優(yōu)點(diǎn)：可抑制伸縮縫的產(chǎn)生，從而改善整體使用性能；在相同荷載作用下，連續(xù)跨的內(nèi)力（彎矩）值也更小。

通過鋼筋混凝土板與組合鋼梁建造而成的多跨連續(xù)橋結(jié)構(gòu)整體剛度較大，有助于提升結(jié)構(gòu)性能表現(xiàn)。有限元建?？梢暂^為準(zhǔn)確地預(yù)測混凝土溫度場，并可以預(yù)測支座處混凝土的開裂可能性。由于計(jì)算的開裂指數(shù)大于1.5的極限值，故支座的混凝土沒有出現(xiàn)裂縫。

參考文獻(xiàn)

[1] 張錢貴，張善勇.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁研究新進(jìn)展[J].科技視界，2015（35）：296.

[2] 陳國紅，徐召.大跨徑鋼-混組合梁斜拉橋主梁力學(xué)特性研究"[J].橋梁建設(shè)，2019，49（5）： 39-44.

[3] 聶建國. 鋼－混凝土組合梁結(jié)構(gòu)[M].科學(xué)出版社，2005.

[4] 蘇慶田，胡一鳴，徐晨，盧永成，王冠男.整體預(yù)制鋼-混凝土組合梁橋合理結(jié)構(gòu)研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展， 2020， 22（2）：93-100.

[5] 宗金東.中小跨徑鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].交通世界，2021（28）： 107-108.