李 聰

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200)

1 技術(shù)背景

近年來，隨著我國(guó)交通建設(shè)的高速發(fā)展，鋼-混凝土組合梁由于空間占地小、承載力高、結(jié)構(gòu)剛度大、抗震性能好、施工快速便捷等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁工程特別是市政橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用。鋼-混組合梁橋是上部結(jié)構(gòu)主要由鋼主梁、混凝土橋面板以及剪力連接件組成的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)體系。在正彎矩區(qū)，該類型橋梁可充分發(fā)揮混凝土受壓、鋼結(jié)構(gòu)受拉的材料特性；然而在負(fù)彎矩區(qū)，則存在混凝土橋面板受拉，鋼結(jié)構(gòu)受壓的情況，特別是混凝土橋面板開裂會(huì)引起組合梁剛度和耐久性下降。因此，有必要采取有效的設(shè)計(jì)施工方法控制和防止負(fù)彎矩區(qū)混凝土開裂。

針對(duì)鋼-混組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)的特點(diǎn)，常采用預(yù)應(yīng)力法、跨中施加配重法、調(diào)整橋面板施工順序法和支點(diǎn)頂升法來控制和防止混凝土橋面板裂縫的出現(xiàn)。然而，施加預(yù)應(yīng)力會(huì)對(duì)鋼主梁造成不利影響，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工工序復(fù)雜，無法滿足標(biāo)準(zhǔn)化、快速化施工要求，混凝土收縮徐變也會(huì)引起預(yù)應(yīng)力損失，因此該方法已較少采用?？缰惺┘优渲胤ㄐ枰罅颗渲卦O(shè)備，且配重會(huì)造成鋼主梁受壓屈曲，增大了施工難度和成本，目前也較少采用。調(diào)整橋面板施工順序法現(xiàn)場(chǎng)分批吊裝預(yù)制混凝土橋面板，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、快速化施工，且對(duì)鋼-混組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)的裂縫控制效果顯著，因此受到了廣泛應(yīng)用。

此外，采用先張法張拉預(yù)應(yīng)力橋面板能夠減少混凝土收縮徐變帶來的預(yù)應(yīng)力損失；超高性能混凝土的使用為鋼-混組合梁設(shè)計(jì)帶來了新方向；同時(shí)有研究表明預(yù)制橋面板較現(xiàn)澆橋面板采用支點(diǎn)頂升法施加預(yù)應(yīng)力更為有效。因此，如何綜合使用超高性能混凝土、合理施加預(yù)應(yīng)力和調(diào)整橋面板施工順序、有效運(yùn)用支點(diǎn)頂升法來控制鋼-混組合連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)拉應(yīng)力和裂紋，成為本技術(shù)領(lǐng)域亟需解決的一個(gè)問題。

2 依托工程

本文依托工程為某高架橋一3×29.6 m跨的鋼板組合梁，梁體以路線中心為軸，雙向1.5%橫坡，整聯(lián)組合梁位于圓曲線上，圓曲線半徑R=1 500 m。主梁采用工字型鋼主梁+預(yù)制混凝土橋面板+現(xiàn)澆橋面板組合結(jié)構(gòu)。綜合考慮鋼梁及混凝土橋面板受力、節(jié)段運(yùn)輸及起吊重量等因素，橫向布置8片工字鋼梁。鋼梁在鋼結(jié)構(gòu)制造工廠加工成若干節(jié)段，運(yùn)輸至橋位。材料采用C50混凝土、Q345鋼材、HRB400鋼筋、栓釘、抗拔不抗剪連接件等。典型斷面布置如圖1所示，施工過程如圖2所示。

圖1 依托工程示意圖

圖2 施工流程圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況布置臨時(shí)支墩，采用汽車吊裝或者其他可靠吊裝設(shè)備架設(shè)鋼梁節(jié)段，節(jié)段間及橫向聯(lián)系均采用高強(qiáng)螺栓現(xiàn)場(chǎng)連接；鋼梁形成連續(xù)結(jié)構(gòu)后，拆除臨時(shí)支墩，吊裝預(yù)制橋面板，此時(shí)鋼梁承受自重和預(yù)制板荷載，正彎矩區(qū)下翼緣受拉、上翼緣受壓，負(fù)彎矩區(qū)則相反；接著澆筑正彎矩區(qū)混凝土，待正彎矩區(qū)混凝土固結(jié)后在中墩處進(jìn)行支座頂升(見圖3)，將鋼梁頂升至一定高度，使得負(fù)彎矩區(qū)鋼梁上翼緣受拉、下翼緣受壓，再澆筑負(fù)彎矩處頂板混凝土，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度和齡期后分級(jí)均勻同步卸落，從而給負(fù)彎矩區(qū)混凝土施加一定的預(yù)壓力，此時(shí)負(fù)彎矩區(qū)鋼梁上翼緣受拉，下翼緣受壓。

目前工程上常采用的支點(diǎn)頂升法需要安裝臨時(shí)支墩和搭建臨時(shí)頂升支架，占用橋下空間，且設(shè)備笨重、施工進(jìn)度慢，無法實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)準(zhǔn)化施工，需要開發(fā)新型裝置解決這些難題。

(a) 架設(shè)鋼梁

3 新型裝置的布置和構(gòu)造

筆者通過項(xiàng)目課題研究，發(fā)明了一種鋼-混組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)受力性能優(yōu)化的實(shí)用新型裝置(見圖4)。

圖4 實(shí)用新型裝置工作示意圖

其中，1為橋墩，2為支座，3為鋼主梁，4為剪力連接件，5為支點(diǎn)橫隔板，6為支撐平臺(tái)，7為千斤頂，8為分配梁，9為螺栓，10為預(yù)制混凝土板，11為預(yù)制預(yù)應(yīng)力板，12為現(xiàn)澆混凝土橋面，13為現(xiàn)澆UHPC橋面，可以分為主梁系統(tǒng)、頂升系統(tǒng)和橋面板系統(tǒng)(見圖5～圖7)。

圖5 主梁系統(tǒng)示意圖

圖6 頂升系統(tǒng)工作示意圖

圖7 頂升系統(tǒng)幾何示意圖

其中，主梁系統(tǒng)包括橋墩和設(shè)置于橋墩上的鋼主梁，頂升系統(tǒng)安裝在中支點(diǎn)橋墩處；橋面板系統(tǒng)包括預(yù)制板和現(xiàn)澆橋面；預(yù)制板包括預(yù)制預(yù)應(yīng)力板和預(yù)制混凝土板；現(xiàn)澆橋面包括現(xiàn)澆UHPC橋面和現(xiàn)澆混凝土橋面；預(yù)制混凝土板和現(xiàn)澆混凝土橋面對(duì)應(yīng)布置在鋼-混組合連續(xù)梁的跨中正彎矩段上，預(yù)應(yīng)力預(yù)制板和現(xiàn)澆UHPC橋面對(duì)應(yīng)布置在鋼-混組合連續(xù)梁橋的中支點(diǎn)負(fù)彎矩段上。

本裝置操作實(shí)施步驟如下：

a.在橋墩1建設(shè)完畢后，在橋墩1上安裝支座2，吊裝鋼主梁3到支座2的設(shè)計(jì)位置，待鋼主梁3吊裝完畢后，在中支點(diǎn)橋墩處安裝支撐平臺(tái)6，并在支撐平臺(tái)6上布置千斤頂7。

b.將吊裝的各段鋼主梁1進(jìn)行縱向連接，使之成為連續(xù)結(jié)構(gòu)，然后安裝橋墩1處的支點(diǎn)橫隔板5。

c.吊裝跨中正彎矩部分的混凝土預(yù)制板10，待混凝土預(yù)制板10安裝完畢后，在千斤頂7上安放分配梁8，初步頂升千斤頂7使得分配梁8與鋼主梁1恰好接觸。

d.頂升千斤頂7直到鋼主梁3中支點(diǎn)處的頂升量達(dá)到設(shè)計(jì)計(jì)算值，并做好現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和記錄。

e.待千斤頂7頂升完畢后，再吊裝支點(diǎn)負(fù)彎矩處的預(yù)制預(yù)應(yīng)力板11。

f.待所有預(yù)制板安裝完畢后，先澆筑跨中部位的現(xiàn)澆混凝土橋面12，再澆筑中支點(diǎn)處的現(xiàn)澆UHPC橋面13。

g.待所有橋面板結(jié)合硬化后再回落千斤頂7，使得鋼主梁1到初始設(shè)計(jì)位置，以此向鋼-混組合連續(xù)梁橋的負(fù)彎矩區(qū)橋面板施加預(yù)壓應(yīng)力。

操作注意事項(xiàng)如下：

a.支撐平臺(tái)6用螺栓9固定在橋墩1上，千斤頂7安放在支撐平臺(tái)6上，分配梁8與鋼主梁3底板下翼緣抵接，分配梁8兩端支撐在千斤頂7上。

b.預(yù)應(yīng)力橋面板11為先張法混凝土預(yù)應(yīng)力橋面板，剪力連接件4在正彎矩區(qū)采用栓釘，在負(fù)彎矩區(qū)采用抗拔不抗剪連接件。

c.鋼主梁3在橋墩1處用支點(diǎn)橫隔板5連接，以增強(qiáng)鋼主梁3在支點(diǎn)處的受壓性能和穩(wěn)定性，支點(diǎn)橫隔板5與鋼主梁3連接為栓接。

d.混凝土預(yù)制板10和現(xiàn)澆混凝土橋面12對(duì)應(yīng)布置在鋼-混組合連續(xù)梁的跨中正彎矩區(qū)，預(yù)應(yīng)力預(yù)制板11和現(xiàn)澆UHPC橋面13對(duì)應(yīng)布置在鋼-混組合連續(xù)梁的中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)。

e.鋼主梁3在中支點(diǎn)橋墩處對(duì)應(yīng)兩套頂升系統(tǒng)，分別布置在橋墩1的兩側(cè)，一套頂升系統(tǒng)包括一個(gè)支撐平臺(tái)6、兩個(gè)千斤頂7和一根分配梁8。

f.鋼主梁3中支點(diǎn)處的頂升量為按在施工和運(yùn)營(yíng)過程中最不利荷載組合作用下，混凝土不會(huì)開裂和壓碎，鋼梁不會(huì)屈服的原則計(jì)算的中支點(diǎn)位移值。

g.支點(diǎn)橫隔板5采用與鋼主梁3材料一致的鋼材。支撐平臺(tái)6由角鋼焊接，分配梁8為型鋼或工字鋼。

該裝置改變了鋼-混組合連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的同時(shí)，提高負(fù)彎矩區(qū)橋面板的抗拉和抗裂性能，保障了鋼-混組合連續(xù)梁的正常運(yùn)營(yíng)，同時(shí)設(shè)備輕巧，效果明顯，能顯著降低施工成本，實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)準(zhǔn)化施工。

4 有限元分析

鋼-混組合連續(xù)梁在恒載和汽車活載情況下，負(fù)彎矩區(qū)混凝土板工作性能接近于混凝土軸心受拉構(gòu)件，根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》：

計(jì)算得到組合梁混凝土板縱向鋼筋平均應(yīng)力，代替混凝土軸心受拉構(gòu)件鋼筋應(yīng)力值，按鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件計(jì)算負(fù)彎矩區(qū)組合梁混凝土板最大裂縫寬度Wtk，并應(yīng)符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定的要求。

采用MIDAS/CIVIL有限元軟件對(duì)依托工程進(jìn)行模擬，鋼梁采用一般梁?jiǎn)卧?，橋面板采用板單元，有限元模型如圖所示。恒載考慮結(jié)構(gòu)自重、鋪裝、欄桿等；車道荷載采用公路-I級(jí)，沖擊系數(shù)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》考慮；溫度梯按現(xiàn)行規(guī)范施加；考慮支座不均勻沉降5 mm。按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，得到其施工階段和成橋階段的內(nèi)力圖如圖8所示。結(jié)果表明支座頂升之后正常使用階段的橋面板拉應(yīng)力較小，裂縫寬度僅0.09 mm，符合要求。

進(jìn)一步地改變頂升高度，觀察成橋后只有恒載作用下支座混凝土板的拉應(yīng)力，對(duì)優(yōu)化裝置的效果進(jìn)行參數(shù)分析。簡(jiǎn)化模型和橋面板應(yīng)力云圖如圖9所示，成橋時(shí)負(fù)彎矩區(qū)板頂為壓應(yīng)力。

調(diào)整頂升高度，分別得到成橋時(shí)負(fù)彎矩區(qū)板頂?shù)膲簯?yīng)力，如圖10所示。

(a) MIDAS / CIVIL 有限元模型

(a) MIDAS / CIVIL 有限元模型

可以看到隨著頂升高度的增加，本文提出的裝置給負(fù)彎矩區(qū)混凝土帶來的預(yù)壓應(yīng)力越大，效果越好。對(duì)于不同橋梁，跨徑越小，導(dǎo)入預(yù)壓應(yīng)力的效果越好。

(a) 3×22.5 m跨

5 效果與結(jié)論

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本項(xiàng)目提出的優(yōu)化裝置通過調(diào)整橋面板鋪裝順序，能有效減少鋼主梁負(fù)彎矩區(qū)拉應(yīng)力的累積；通過頂升系統(tǒng)施加外荷載使得鋼主梁發(fā)生一定的彈性變形，在形成組合截面后，再釋放附加頂升荷載使鋼主梁的變形得到一定的恢復(fù)，使得負(fù)彎矩區(qū)橋面板儲(chǔ)備一定的預(yù)壓力；通過預(yù)制預(yù)應(yīng)力板和現(xiàn)澆UHPC混凝土橋面，進(jìn)一步保障了負(fù)彎矩區(qū)橋面板的抗拉抗裂性能；該裝置采用的設(shè)備輕巧，效果明顯，能降低施工成本，實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)準(zhǔn)化施工；該裝置綜合運(yùn)用支點(diǎn)頂升法、施加預(yù)應(yīng)力法和調(diào)整施工順序法，為鋼-混組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)力提供三重保障，能有效控制鋼-混組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)混凝土開裂，提高鋼-混組合梁剛度和耐久性，為類似工程提供參考依據(jù)。