焦亞萌,簡方梁,張世基,彭 澍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

鄭濟高鐵黃河特大橋全長34.322 km，其中公鐵合建段長12.180 km，為鄭濟高鐵、市域鐵路、鄭新快速路共四線鐵路、六線公路跨越黃河的共同通道。合建段范圍內(nèi)共設置4種鋼桁結(jié)合梁橋，依次是跨越北大堤(73+139+73) m連續(xù)鋼桁結(jié)合梁[1]，跨越主河槽7-112 m簡支鋼桁結(jié)合梁、(112+6×168+112) m下變高連續(xù)鋼桁梁結(jié)合梁[2]，跨越南大堤120 m簡支鋼桁結(jié)合梁。

鋼桁結(jié)合梁均采用上下雙層布置[3-4]，六線公路在上，四線鐵路在下，下面鋼桁梁為三主桁華倫式結(jié)構(gòu)[5-6]，標準段邊桁桁高15.0 m、中桁桁高15.24 m。桁寬(13.4+13.4) m。上層公路橋面板為預應力混凝土橋面板，總寬32.5 m，采用預制板+濕接縫組合形式[7-8]，橋面板內(nèi)設置橫向預應力筋[9-10]，連續(xù)鋼桁結(jié)合梁橋面板內(nèi)還設有縱向預應力筋。全橋斷面布置與橋面板平面分別見圖1、圖2。

圖1 斷面布置(單位：mm)

圖2 公路橋面板局部平面(單位：mm)

1 橋面板結(jié)構(gòu)與施工順序

1.1 橋面板結(jié)構(gòu)

公路混凝土橋面板全寬32.5 m，支撐于鋼桁梁上弦桿上，為增大板跨越能力，公路橋面板結(jié)構(gòu)采用帶肋板的T形斷面形式，跨中板厚30 cm，肋高40 cm，肋寬39 cm，靠近支承附近加寬至52 cm。邊桁和中桁支點處板厚70 cm，邊桁外不再設置肋板。根據(jù)其部位及施工順序分為預制板、橫向濕接縫[15-16]、縱向濕接縫、剪力槽四部分。

預制板橫向分為2塊，每塊長15.88 m，沿中桁中心線對稱布置，橫橋向中桁頂兩塊預制板之間設置74～90 cm的縱向濕接縫，縱橋向兩塊預制板之間設置50～80 cm橫向濕接縫。一個主桁節(jié)間長度內(nèi)布置4塊預制板，標準預制板塊分為A、B類兩種類型。A類預制板縱向?qū)?.02 m， B類預制板縱向?qū)?.3 m。兩類橋面板與不同寬度的橫向濕接縫組合，適用于合建段4種鋼桁結(jié)合梁不同長度的主桁節(jié)間組合。橋面板立面與截面布置分別見圖3、圖4。

圖3 1/2橋面板結(jié)構(gòu)(括號內(nèi)為B類板，單位：mm)

圖4 A類橋面板截面(括號內(nèi)為B類板，單位：mm)

為加強預制板與邊桁的結(jié)合，預制板在邊桁上間斷設置剪力釘槽，為提高現(xiàn)澆縫新老混凝土之間的縱、橫向抗剪能力，預制板邊緣開有鋸齒形剪力槽，并按要求進行鑿毛處理。縱向濕接縫與剪力槽內(nèi)設置有φ22 mm圓柱頭剪力釘來加強鋼桁梁與橋面板的連接[11-12]。

為減少混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響[13-14]，要求預制板存放時間不少于6個月。

橫向預應力采用先張束與后張束相結(jié)合的布置方式。先張束采用7φ5 mm的鋼絞線，后張束分為兩種，肋板內(nèi)布置為15-7φ5 mm鋼鉸線，頂板內(nèi)布置5-7φ5 mm鋼絞線。以A類橋面板為例，預應力截面布置見圖5。先張束全部布置在預制板范圍內(nèi)，預制時通過先張臺座進行張拉，后張束則穿過縱向濕接縫和剪力釘槽，或者布置在橫向濕接縫內(nèi)，在橋面板吊裝就位，濕接縫混凝土完成后進行張拉。

圖5 A類橋面板預應力布置截面(單位：mm)(點表示先張束，方框表示后張束)

1.2 橋面板施工順序

橋面板的施工順序，就是預制板、濕接縫、剪力槽三部分混凝土結(jié)構(gòu)和先張束、后張束兩部分預應力鋼束相組合的施工順序，設計的施工順序如下。

(1)橋面板預制。綁扎橋面板鋼筋，在臺座上張拉第1批先張預應力筋，澆筑橋面板，養(yǎng)生，待混凝土強度和彈模均達到設計值90%并不小于3 d后，放張先張預應力，橋面板的移梁、存放。存放時間不少于6個月。

(2)澆筑縱縫和橫縫。安裝及焊接公路橋面板的縱縫內(nèi)鋼筋及橫縫鋼筋，澆筑縱縫及橫縫內(nèi)的自密實混凝土(注意預留橫縫內(nèi)對應的邊桁上方剪力槽不澆筑)，待混凝土強度和彈模均達到設計值100%并不小于10 d后，張拉橋面板內(nèi)的后張橫向預應力筋并封錨。

(3)縱向預應力鋼束張拉。

(4)最后澆筑預制板剪力槽和橫縫預留的剪力槽，待混凝土強度和彈模均達到設計值100%并不小于7 d后，進行后續(xù)工作。

上述施工順序中，邊桁鋼梁與混凝土板的結(jié)合放在后張橫向預應力筋張拉之后，可以有效提高預應力筋的效力，同時要注意核實張拉后橋面板在邊桁上的支撐點不至于出現(xiàn)脫空。

以上施工步驟主要為橋面板橫橋向上相關(guān)的施工順序?？缰骱硬?112+6×168+112) m和跨北大堤 (73+139+73) m的兩聯(lián)連續(xù)鋼桁結(jié)合梁，在全橋施工方案中采取縱向分段澆筑濕接縫，分段張拉縱向預應力筋，同時還伴有支點的頂落梁措施。因此，全橋的混凝土橋面板的施工組織上還需要結(jié)合縱橋向施工順序做全盤考慮。

2 帶肋板與無肋板對比分析

橋面板采用帶肋板結(jié)構(gòu)，分別進行無肋板與帶肋板模型計算分析，對比兩種結(jié)構(gòu)形式的受力特征。橋面板采用板單元模擬，兩側(cè)鋼桁上弦與混凝土加厚段采用梁單元模擬，橫肋采用梁單元模擬，間距3 m。邊界條件約束按間距15 m主桁節(jié)點考慮，建立3跨模型見圖6。

圖6 無肋板與帶肋板的分析模型

2.1 集中力

分別在無肋板和帶肋板跨中縱向不同位置單獨作用100 kN的集中力F1～F5，作用點位置見圖7。無肋板和帶肋板在對應各工況下的橫向延米彎矩Myy、縱向延米彎矩Mxx及橫肋彎矩分別見圖8、圖9和表1。

圖7 帶肋板集中荷載工況作用點位示意

圖8 F4工況彎矩圖(上面為無肋板，下面是帶肋板)

圖9 F5工況彎矩圖(上面為無肋板，下面是帶肋板)

由表1可以看出：

表1 集中力下彎矩 kN·m

(1)兩邊鋼桁上弦與混凝土加厚梁段具有足夠的剛度。無肋板各工況下的橫向彎矩、縱向彎矩基本相同，與荷載作用點位無關(guān)。帶肋板作用于橫肋上或橫肋跨中時，其橫向彎矩值、縱向彎矩值也基本相同。

(2)集中力下，帶肋板由于橫肋的設置，相比無肋板，板的橫向彎矩與縱向彎矩均明顯減小。而且由于板肋的設置，板由橫向傳力為主變?yōu)榭v向傳力為主。

(3)當集中力作用肋板位置處，由于肋的加勁作用，板的縱、橫向彎矩減小幅度相比集中力作用在兩肋中間時更大。當集中力在兩肋中間位置時，橫向彎矩大約為無肋板的65%，縱向彎矩大約為無肋板的85%。

2.2 線荷載

分別在無肋板和帶肋板跨中作用F11=100 kN/m的線荷載。無肋板和帶肋板的橫向延米彎矩Myy、縱向延米彎矩Mxx分別見圖10和表2。

圖10 線荷載作用下彎矩圖(上面為無肋板，下面是帶肋板)

表2 線荷載下彎矩 kN·m/m

由表2可以看出：

(1)線荷載作用下，無肋板呈現(xiàn)出典型的單向板特性(由于泊松比存在，縱橫向彎矩值之比為0.2)。

(2)線荷載作用下，帶肋板由于橫肋的設置，相比無肋板，板的橫向彎矩與縱向彎矩均明顯減小。且橫肋和橫肋中間位置處的橫向、縱向彎矩值差別不大。

(3)線荷載作用下，帶肋板橫向彎矩大約為無肋板的22%，縱向彎矩大概為38%左右。

可見，通過橫肋的設置，無論在集中荷載下還是線荷載作用下，均可以有效減小橋面板的橫向和縱向彎矩。

以本橋中橋面板為例，甚至橫肋，單塊預制板肋增加約2 m3混凝土，折算板厚約4 cm。可見，帶肋板增加較少混凝土取得較大的跨越能力。而且將增加的肋板設置在預制板塊上，現(xiàn)場濕接縫的澆筑仍是面板之間的連接，不增加現(xiàn)場施工的復雜性。

3 橋面板橫向分析處理

橋面板橫向計算時，對預制板和濕接縫兩部分進行分析[17-18]，可以看出：

(1)橫向濕接縫混凝土達到強度前，預制板自重、先張預應力筋、濕接縫混凝土濕重等荷載僅由預制板結(jié)構(gòu)承擔。

(2)當橫向濕接縫混凝土達到強度后，二期恒載、活載、不均勻沉降、溫度等成橋荷載則由預制橋面板和濕接縫共同承擔。

由于橫向濕接縫達到強度前后，截面不同，承擔荷載也不同，很難用一個模型來進行模擬。因此在設計中根據(jù)施工順序，采用了兩個模型分別計算，手動進行應力疊加的方式進行預制板和濕接縫部分各自應力的詳細分析。

(1)第一個模型，按預制板的截面尺寸建立模型，包括以下施工過程：生成預制板—橫向先張預應力張拉—放置6個月—橫向濕接縫濕重—中桁上縱縫固結(jié)，此時上下緣應力記為σ1。

(2)第二個模型，按照橫向濕接縫達到強度后的整體板的截面尺寸建立模型，包括以下施工過程：生成整體板(預制板+濕接縫截面，不計這兩部分自重)—橫向后張預應力張拉—二期恒載加載—收縮徐變完成，此時上下緣應力記為σ2。

在第二模型上，進行成橋階段的各工況的荷載分析，分別統(tǒng)計上下緣應力結(jié)果：沉降工況σ3，活載工況σ4，溫度工況σ5。

預制板和濕接縫各部分應考慮的應力組合見表3。

表3 各部分應力組合

需要說明的是，由于肋板設置在預制板上，所以預制板的截面下緣點在整體截面肋板下緣。而濕接縫部分的下緣點則不在整體截面肋板下緣，而位于橋面板下，考慮其值不控制，所以統(tǒng)計濕接縫部分的應力時，不考慮整體截面中肋板部分的下緣應力值。

按照公路設計規(guī)范[19-20]，標準組合和頻遇組合下預制板和濕接縫上、下緣應力分別見圖11、圖12。

圖11 標準組合下各部位上、下緣壓應力(半幅)

圖12 頻遇組合下各部位上、下緣拉應力(半幅)

由圖11、圖12可以看出，在標準組合和頻遇組合下，預制板、濕接縫的上、下緣應力均滿足規(guī)范要求。

4 預制板局部應力分析

為提高橫向預應力的效力，設計后張橫向預應力束張拉后再進行邊桁上方的剪力槽的澆筑，實現(xiàn)邊桁與橋面板的結(jié)合。

每個剪力槽內(nèi)穿過有1束5-7φ5 mm的鋼絞線，需要先進行錨固再澆筑剪力槽。相當于預應力筋要錨固在剪力槽空洞的前方，需通過有限元實體單元對該工況下的局部應力情況進行分析。實體單元有限元模型見圖13，剪力槽側(cè)壁主拉應力云圖見圖14。

圖13 實體單元有限元模型

圖14 剪力槽側(cè)壁主拉應力云圖

從圖14可見，預應力鋼束張拉后，在剪力槽側(cè)壁大約出現(xiàn)5 MPa左右的主拉應力。為此，在預制板剪力槽橫向側(cè)面內(nèi)，設計中采用φ25 mm的鋼筋，豎向間距100 mm布置進行了加強，保證預應力張拉時預制板的局部安全。

5 結(jié)語

結(jié)合鄭濟高鐵黃河特大橋公鐵合建鋼桁結(jié)合梁混凝土橋面板結(jié)構(gòu)，通過對其橋面板結(jié)構(gòu)、預應力筋、橫向計算等方面的分析研究，結(jié)論如下。

(1)相較于無肋板，帶肋混凝土橋面板在集中荷載和線荷載作用下，板的橫向彎矩與縱向彎矩均大幅降低。橋面板通過設置肋板，板的橫向跨越能力會得到較大增強。

(2)通過先張預應力與后張預應力的合理布置，可以很好地匹配預制板+濕接縫的橋面板形式，充分發(fā)揮先張預應力與后張預應力各自特點。

(3)預制板+濕接縫的橫向分析，由于其截面形式與承受荷載的不同，通過采用兩個模型，按照其施工成形時間與對應荷載情況，可實現(xiàn)對預制板和濕接縫兩部分分別進行詳細分析計算。