鋼-混組合梁負彎矩區裂縫控制措施探討

王振平 張夢源 沈理斌

關鍵詞： 負彎矩 受力 剪力鍵 裂縫控制

中圖分類號： U441+.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2024）01-0130-06

鋼-混凝土組合梁是通過抗剪連接件將鋼梁和混凝土板連成整體的橫向承重構件。組合梁截面充分發揮材料特性，其中混凝土受壓，鋼梁受拉，承載力提高，在承載力相同時，比非組合梁節約鋼材約15%～25%，減小截面高度20% 以上。但使用過程中，鋼-混凝土連續組合梁負彎矩區混凝土板受拉過早地出現裂縫，嚴重影響支座截面的強度、剛度。在裂縫開裂時將直接導致負彎矩區鋼筋銹蝕，并導致結構受力超過正常使用狀態。因此，需要采取適當的措施來提高負彎矩區混凝土板的抗裂性能［1］。

1 組合梁負彎矩區受力特點

1.1 截面受力特點

處于負彎矩區的組合梁則使鋼材處于受壓狀態和使混凝土處于受拉狀態，這恰好體現兩種材料各自不利的材料行為。對于連續組合梁橋，混凝土板開裂將引起結構剛度下降、承載能力降低。外界環境中的水和有害物質侵入混凝土裂縫后，將加快混凝土板內鋼筋和鋼梁銹蝕，造成結構耐久性顯著降低，按照截面分力法，力偶N_s·d 與彎矩M_s的比例由拉伸剛度及其鋼梁彎曲剛度決定［2］。將狀態Ⅰ設為橋面板完好無損，狀態Ⅱ設為橋面板完全損壞，具體如圖1 所示。

當橋面板的拉應力超過混凝土的抗拉強度后，力偶N_s·d 逐漸減少，彎矩M_s逐漸增大。力偶的力臂d 不變，橋面板上的軸力Ns不斷變化，因而把連續組合梁負彎矩區的橋面板當作是中心受拉的鋼筋混凝土拉伸構件探討其力學性能。

1.2 拉伸性能

按照拉伸變形過程，軸力N 與應變的關系分成3個階段，具體如圖2 所示。

階段一：混凝土未產生裂縫，即處于狀態Ⅰ，這時基本上可以按照彈性理論計算。

階段二：粘結區間l_b內，伴隨著混凝土的作用力向鋼筋的轉移，兩者間產生粘結應力τ_b與滑移變形s，裂縫寬度為w=2s，應力分布如圖3 所示。應力處于圖3階段軸力基本不變，當應變增大時新的裂縫逐漸產生。我們稱該階段為初期裂縫階段，其裂縫間距不會超過2l_b。

階段三：初期裂縫基本上穩定后，如軸力增大，將產生新的裂縫，如圖4 所示。隨著裂縫寬度逐漸變大，最終導致完全裂縫階段。此時的狀態稱為完全開裂狀態，曲率x快速增長。

設計上一般把軸力N 與應變b 的關系對應于上述的3 階段，用3 折線來表示，其某段構件發生的平均應變，也是鋼筋的平均應變ε_sm就可以用下式求出。

ε_sm= ε - Δε （1）

式（1）中，ε的理想狀態為H/d ≥5.5。

1.3 負彎矩區的彎曲性能

組合梁負彎矩區軸力N 與應變的關系，其裂縫過程如圖5 所示。它與鋼筋混凝土拉伸構件的軸力N 與應變的關系相對應，其彎曲變形過程可以看成3 個階段［3］。

荷載組合下的構件截面力及變形需進行結構分析，這時要考慮的荷載有鋼梁架設、澆筑混凝土橋面板、死荷載與活荷載作用、溫差、徐變及其收縮變形等。如果采用在活荷載作用下允許橋面板負彎矩區裂縫發生的設計方法，橋面板在橋墩上的剛度（EI）_eff是隨著荷載不斷變化（見圖6）。依據前述的彎矩與曲率關系，采用逐漸迭代的計算方法能夠求出各裂縫階段的截面力。采用對應于狀態Ⅱ的截面剛度（EI）_Ⅱ，其他區間采用對應于狀態Ⅰ的截面剛度（EI）_Ⅰ（見圖7）。截面剛度（EI）_Ⅰ、（EI）_Ⅱ是分別假定混凝土橋面板全截面有效與僅鋼筋有效兩種情況下與鋼梁的組合剛度。兩跨連續梁在發生裂縫后，負彎矩區的彎矩隨著剛度的變化狀態，即內力重分配（見圖8）。由此可以看出，對于通常的（EI）_Ⅱ/（EI）_Ⅰ=0.4～0.6，彎矩重分配的大小約為15%～30%。計算出連續組合梁的內力，進行截面強度等驗算，然后通過規定橋面板的最小配筋量、最大主筋的間距、限制主筋直徑等控制裂縫的發生或寬度。

2 負彎矩區裂縫控制措施

組合梁橋裂縫控制方法通常有施加作用、釋放作用、加強抗力3 種措施。施加作用措施包括支點升降法，預加靜載，鋼梁預彎，張拉高強鋼筋等［4］；釋放作用措施包括設置接縫、減弱連接剛度和預制混凝土板等。加強抗力措施包括加強連接件剛度、墩梁固結和設置支點橫梁等［5］。

2.1 施加作用措施

2.1.1 支點升降法

支點升降法是通過改善結合梁內力，加強混凝土板和鋼梁結合的有效方法。在鋼梁架設后，位于中間支點鋼梁頂升，澆筑的混凝土橋面板達到強度和養護周期后，降下抬升的支點，如圖9 所示。

2.1.2 預加靜載法

架設鋼梁完成后即澆搗混凝土，受壓區達到整體強度后預加靜荷載。在靜荷載狀態下，待其硬化后去除預加荷載，從而在受拉區混凝土中得到希望的預應力。

預加靜荷載嚴格按規定執行，將壓重加在結構上并控制壓重數值，需要間斷地鋪設橋面，給施工帶來極大的不方便，工作量相當大。

2.1.3 鋼梁預彎法

鋼梁預彎法是采用反向加力方式向上預彎，澆筑的混凝土達到強度和養護周期后，從而對混凝土施加預壓力，具體如圖10 所示，這種施加預應力的方法要求組合梁段完全預制，然后整體吊裝，對吊裝要求很高，并且梁段間的結合難度較大。

2.1.4 張拉高強鋼筋

對混凝土橋面板施加預應力應在橋面板與鋼梁組合前施加，具體如圖11 所示。該組合前施工可分為兩種方法：一是混凝土板與鋼梁分離，施加預應力后，待收縮徐變發展一段時間后再與鋼梁組合，這種方法的預應力施加效率很高，但消耗時間過長；二是混凝土板張拉完成后即與鋼梁組合，隨后一起發生變形對混凝土橋面板施加預應力采用預應力在橋面板與鋼梁組合后施加，是對整體施加預應力，沿整個橋長架設鋼梁后鋪設混凝土板，使兩者結合在一起，并張拉高強鋼筋，完成后進行管道壓漿，該方法對混凝土徐變的預應力損失較大，并且負彎矩區段破損翻修困難。

2.1.5 鋼梁熱處理法

鋼梁加熱法，即利用鋼梁受熱膨脹和冷卻收縮比混凝土大的特性對混凝土施加預應力的施工方法。該方法的施工工序為：架設鋼梁→加熱均勻并維持溫度→澆筑混凝土板→維持加熱不變→拆除加熱，冷卻至常溫。通過連續梁試驗，80 ℃時，連續梁負彎矩區施加約4.8 MPa 壓應力儲備，70 ℃時，施加壓應力儲備為3.8MPa，6 個月后損失28%，預計長期損失最終為56%，和絕大多數預應力結構差不多，在可以接受的范圍內，該方法可行，鋼梁的具體加熱施工步驟如圖12所示。

2.2 釋放作用措施

2.2.1 接縫設置

在負彎矩區設置接縫，負彎矩區的混凝土板分段設置板塊，避免混凝土板和鋼梁之間剪切位移的積累和結構的破壞，也可在中間支座的上方直接做一個橫向接縫以保證臨近接縫的混凝土板段可沿鋼梁自由滑動，具體如圖13 所示。

2.2.2 預制混凝土橋面板

鋼梁架設完成后，進行拼裝預應力預制混凝土板，預應力在澆筑剪力鍵預留孔后再施加預應力。考慮該結構在接縫部位仍十分薄弱，很容易產生裂縫，須加強監測記錄。

2.2.3 減弱連接剛度

在負彎矩區內布置剪力鍵時，會導致中間支點的鋼筋拉應力增大，而采用柔性剪力鍵可以有效地減小拉應力。因此，負彎矩區采用柔性剪力鍵對橋梁整體剛度有一定影響，使橋梁截面剛度減小，結構的撓度增大。

2.3 抗力加強方法

2.3.1 墩梁固結

墩梁固結是指在連續梁橋中，橋墩和梁固結為一體。這樣，荷載產生的中支座處負彎矩將會減小，有利于改善負彎矩處混凝土板受力。而墩梁固結中，結合部的技術特點是關鍵，合理的結合方式，使主梁的力能順利傳遞到橋墩上，提高墩梁固結的有效性。

2.3.2 設置支點橫梁

對于中小跨徑橋梁，在歐洲較為常見的一種做法是在支點處鋼梁斷開，鋼梁直接插入支點混凝土橫梁，具體如圖14 所示。

主梁采用焊接或者軋制鋼截面，全部在工廠中制作加工。鋼筋混凝土橋面板可以在工廠預制也可以現澆。橫梁只設置在支點處，并且采用普通鋼筋混凝土橫梁。施工時先澆筑跨中段混凝土橋面板，后澆筑支承橫梁和支點處混凝土橋面板。這種簡易的施工方法避免了現場施焊。

2.3.3 加強連接件剛度

就負彎矩區構造而言，在鋼梁上翼緣加厚和焊接加勁板，可以較好地防止組合梁截面形心上移，并減小距離，施工過程中，加勁板焊于上翼緣后還需要與混凝土板有效的連接［6］。

3 結語

通過對組合梁負彎矩區截面受力特點進行了理論分析，把傳統負彎矩區混凝土橋面板裂縫控制措施分為施加作用、釋放作用、加強抗力三類；通過負彎矩區模型試驗，研究鋼-混凝土組合截面的非線性受力性能得到以下結論。

（1）組合梁試件從開始加載到最終破壞，主要經過3 個受力階段：①彈性階段，混凝土板尚未開裂，混凝土和鋼筋應力均可按彈性理論求解；②帶裂縫工作階段，部分混凝土開裂而退出工作，鋼筋應力顯著增加直至屈服；③破壞階段，鋼筋屈服后，完全由鋼梁承擔荷載增量，最終鋼梁屈曲，結構失效。

（2）經多次研究和試驗，組合梁混凝土板裂縫在加載點現行出現，通過橫向寬展貫穿，隨著裂縫數量增多，其寬度明顯增大，最后導致裂縫向縱深發展。

（3）焊釘連接件應變測試結果說明兩個模型試件的結合性能良好，可以確保組合梁在設計荷載下的正常使用。并且在試驗梁破壞狀態下，連接件仍然處于較低的應力水平。