體外預應力在大跨徑簡支鋼混組合梁設計中的應用

摘要 文章以西香高速公路瀘沽湖樞紐互通主線特大橋為工程依托，介紹了大跨徑簡支鋼混組合梁的設計思路以及此類組合梁進行設計時的構造優化情況。采用專業分析軟件建立有限元模型對優化前后的兩種結構類型進行受力分析，對比了結構的應力指標以及其鋼材使用指標，探討了體外預應力鋼束在此類結構中應用的發展優勢與前景，也為體外預應力技術在鋼結構設計中的應用提供了一定參考。

關鍵詞 體外預應力；鋼混組合梁；大跨徑

中圖分類號 TU398.9 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0112-03

0 引言

鋼混組合梁結構具有承載能力高、施工周期短、跨越能力強等顯著優點，在我國近年來的基礎建設中使用頻率越來越高，使得與之相關的基礎理論及運用技術也越來越成熟。然而，隨著鋼結構橋梁的建設成本不斷提高，如何控制好橋梁的工程規模顯得尤為重要。除了在項目前期的橋梁方案研究方面外，我們也同時需要從結構本身去研究一種既滿足其結構受力安全且經濟性好的方案，雖然鋼混組合梁結構能夠充分發揮鋼材材料的抗拉優勢和混凝土材料的良好抗壓強度，具有明顯優勢，但如何通過技術手段去達到有效降低工程規模的目的顯得尤為重要。

行業的發展使得新建高等級公路和既有高等級公路頻繁交叉。這種交叉往往是項目的控制性工點。對于交通量大的既有高速，上跨方案的布置受施工條件的限制需要較大跨徑的橋梁，而且要求其施工對被交路運營安全的影響小，鋼混組合梁就很適用于此類工況。體外預應力的發展最早能追溯到20世紀30年代，其快速發展始于20世紀70年代，主要是由于高強度鋼絞線的使用和防腐技術的不斷提高這兩大因素的促進[1]。體外預應力不僅可以應用于新建橋梁結構上，還可以用于處理既有結構承載能力不足的問題，效果也相當顯著。廣泛的工程實例運用使得體外預應力的相關理論以及運用技術進一步得到完善，更加促進了此類結構的發展。

鋼混組合結構布置體外預應力相比混凝土結構布置的體內預應力或普通鋼結構有著較明顯的優勢：①體內預應力鋼束布置時其線型受結構尺寸限制更多，不能夠充分發揮預應力鋼束的作用。②能夠充分發揮預應力鋼絞線材料本身的強度，增加結構剛度，提高結構的承載能力，降低結構用鋼量，進一步降低造價。③體外預應力鋼束的檢測與維護更加便捷，解決了體內束不可替換的問題。④體外預應力施工周期更短，無需壓漿，施工質量也容易控制[2]。

1 工程概況

西香高速公路起于西昌市小廟鄉，接在建的G7611都香高速公路，新建里程約158.5 km，該工點位于此高速公路同期建設的瀘沽湖支線上。該橋為瀘沽湖樞紐互通左線特大橋，左線橋共10聯：（2×30.3+2×40）+（2×40+30.4）+（4×30.4）+（30.4+3×40.5）+（40.5+2×40）+（2×40）+（40+2×40.5）+70+（3×40.5）+（2×40.5+30.4）。該橋全長1 156.9 m。上部結構第八聯采用鋼混組合梁，其余聯采用該項目標準化設計的簡支T梁。70 m鋼混組合梁下部結構23、24號橋墩采用空心墩，其余引橋部分橋墩采用柱式墩，墩臺均采用鉆孔灌注樁。

該橋第24孔采用70 m簡支鋼混組合梁結構，為跨越蓋租河而布置，此聯平面位于緩和曲線上。

2 結構設計

2.1 鋼主梁

70 m組合梁為簡支結構，采用分體箱，縱橋向按一定間距布置橫梁或加強橫梁，橋面板采用鋼纖維混凝土澆筑。鋼混組合梁結構體系主要由鋼主梁（單幅2片梁）、鋼橫梁（分為標準橫梁及伸縮縫處加強橫梁）、鋼混組合橋面板三個主要構造單元組成。

70 m鋼混組合梁沿縱橋向共劃分為7個節段，節段長度分別為9.94 m、5×10 m、9.94 m，其中節段運輸重量最大的為35.7 t。節段間預留10 mm間隙，鋼結構加工制造單位根據焊接工藝需求可對預留間隙進行適當調整。

2.1.1 鋼混組合梁截面

單片鋼主梁箱高3 500 mm，箱寬2 000 mm，懸臂寬度標準寬度分別為1 600 mm。鋼箱梁底板水平，截面橫坡通過腹板高度調整。腹板為豎直布置，橫梁或加強橫梁布置間距為3 300 mm。箱梁底板縱向加勁肋布置5道，腹板縱向加勁肋布置3道，箱梁頂板上緣設置開孔板作為組合橋面板的剪力鍵，同時作為加勁肋。

2.1.2 布置體外預應力截面

底板布置6根7Φs15.2環氧噴涂無黏結鋼絞線，除鋼主梁箱高3 200 mm，頂、底板厚度有所優化外，其余相關結構尺寸及加勁肋的布置與未施加體外預應力鋼主梁的結構尺寸相比未調整。其橫斷面布置如圖1～2所示。

2.2 鋼橫梁

為保證兩分體箱之間的整體穩定性以及荷載在箱體間的有效傳遞，達到內力合理分布的目的，合理地布置橫梁，根據橋面板體系的受力分析計算及以往項目經驗，分體箱之間的布置采用密布橫梁支承。兩種方案標準橫梁間距均為3 300 mm。

2.3 組合橋面板

組合橋面板材料為C40鋼纖維混凝土，板厚為0.15 m，橋面板底鋼板厚度為8 mm。參考其他項目后期運營情況及設計經驗，其鋼纖維摻量為50 kg/m3。

2.4 主要材料

鋼箱梁體：結構鋼采用Q355級。

高強螺栓：高強螺栓均采用10.9級。

剪力釘：伸縮縫處的梁端組合橫梁內部填充混凝土，橫梁的腹板開孔板與混凝土之間采用Φ19 mm圓柱頭ML15焊釘進行連接。

鋼纖維：根據以往項目設計經驗，鋼纖維摻量為50 kg/m3。

體外束：采用7Φs15.2環氧噴涂無黏結鋼絞線，鋼絞線的標準強度為1 860 MPa，鋼束兩端張拉控制力為1 265 kN。

3 主梁結構計算

3.1 結構建模

70 m簡支鋼混組合梁采用有限元軟件Midas Civil 2021進行計算。全橋結構均采用梁單元模擬。截面類型的模擬采用程序中的組合梁截面（一般）。

未施加預應力鋼束施工階段分析的施工階段依次如下：①鋼箱梁體架設就位，拼裝梁體。②焊接頂板開孔板，綁扎橋面板鋼筋，由跨中向梁端澆筑橋面板混凝土。③施工橋面鋪裝和護欄施工。④成橋通車。

施加預應力的鋼混組合梁則增加張拉預應力鋼束施工階段，其施工階段依次如下：①鋼箱梁體架設就位，拼裝梁體。②張拉預應力鋼束并錨固。③焊接頂板開孔板，綁扎橋面板鋼筋，由跨中向梁端澆筑橋面板混凝土。④施工橋面鋪裝、護欄等橋面系結構。⑤成橋進入運營階段。

鋼混組合梁建立的模型如圖3所示。

模型中主梁主要承受的荷載如下：①自重。考慮結構橫隔板及剪力鍵自重，計入結構自重中施加，程序中自重系數為?1.02。②活載。左線橋計3個車道，按規范車道荷載橫向分配系數取值為2.34。③混凝土收縮徐變。橋面板混凝土的收縮徐變受力按現行《混規》進行計算。④溫度梯度。根據氣象資料，全橋結構體系整體升溫溫差取+30 ℃，整體降溫溫差取?20 ℃溫度梯度作用取值為正溫度梯度14 ℃、5.5 ℃和0 ℃；負溫度梯度?7.0 ℃、?2.7 ℃和0 ℃。⑤二期恒載主要為橋面鋪裝及護欄荷載，采用梁單元均布荷載加載，大小分別為?21.90 kN/m和?10.58 kN/m。⑥疲勞荷載。疲勞車輛荷載采用《鋼橋規范》中的疲勞荷載模型I進行加載，且荷載計入車輛沖擊系數。

3.2 靜力計算結果

根據擬定的兩種設計截面分別建立了計算模型。采用彈性分析法進行了靜力分析，按材料的容許應力控制設計，程序計算結果如下。

3.2.1 施工階段應力計算

普通鋼混截面：根據各施工階段截面的應力結果，頂板最大壓應力為?92.3 MPa，底板最大拉應力為103.9 MPa，

其應力值滿足規范要求。

體外預應力+鋼混截面：施工階段過程中的截面頂板最大壓應力為?114.7 MPa，底板最大拉應力為72.6 MPa，

其應力值滿足規范要求。

3.2.2 使用階段應力驗算

普通鋼混截面：在基本組合作用下，頂板處的最大壓應力為?121.5 MPa，底板最大拉應力為162.7 MPa，其應力值滿足規范要求。

體外預應力+鋼混截面：在基本組合作用下，頂板處的最大壓應力為?157.8 MPa，底板最大拉應力為138.4 MPa，

其應力值滿足規范要求。

3.2.3 疲勞驗算

主梁上緣、下緣在車輛荷載作用下，承受拉壓循環應力，該次驗算采用規范中的疲勞荷載模型I計算。

普通鋼混截面：最大疲勞應力幅為19.5 MPa，出現在跨中主梁下緣，滿足規范要求。

體外預應力+鋼混截面：最大疲勞應力幅為19.9 MPa，出現在跨中主梁下緣，滿足規范要求。

3.2.4 撓度驗算

普通鋼混及體外預應力+鋼混兩種截面主梁在豎向靜活載的作用下的撓度分別為36 mm和45 mm，滿足規范要求。

從上述計算結果來看，施加體外預應力后，鋼箱梁的底板拉應力降低較為明顯，可見體外預應力對底板應力的改善有顯著作用，對結構整體剛度也有一定貢獻，有利于結構受力。

3.3 用鋼量對比

布置體外預應力鋼束后，結構的梁高及底板厚均有所優化，從而降低了鋼箱梁的用鋼量，具體截面參數指標對比見表1。

由上表參數對比可知，相對于普通鋼混截面，布置體外束后截面梁高優化了30 cm，每平方用鋼量從648.8 kg/m2降低到571.5 kg/m2，節省了77.3 kg/m2，經濟效益明顯。且從施工角度來看，體外預應力由于無需管道，使得施工過程中對鋼束張拉伸長量能夠得到有效控制，對施工質量更加有效。

4 結論

綜合以上分析對比結果來看，鋼混組合梁采用體外預應力鋼束有著顯著優勢。

（1）由于此類鋼束無需布置預應力管道，使得現場鋼束實際伸長量與理論計算值更為接近，能充分反映鋼束是否充分張拉且能根據現場實際情況及時反應預應力鋼束是否有異常現象，施工質量控制更加有效。

（2）噴涂環氧后增強了對鋼絞線的保護，且鋼絲整體性更好，受力更加均勻，滑絲、斷絲等問題出現的頻率更低，提高材料的使用效率。

（3）采用體外預應力能有效改善結構受力性能，優化結構尺寸，降低結構的用鋼量，對提高結構承載能力、降低工程造價方面有著明顯優勢。

參考文獻

[1]黃僑. 橋梁鋼—混凝土組合結構設計原理[M]. 北京：人民交通出版社， 2004.

[2]轟建國， 溫凌燕. 體外預應力加固鋼—混凝土連續組合梁的承載力分析[J]. 工程力學， 2006（1）： 81-86.