馬國綱，劉 彬，童景盛，蒲北辰，龐 偉

（中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

相比混凝土梁橋，鋼混組合梁橋具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、節(jié)能、環(huán)保、抗震性能佳與全壽命周期優(yōu)異等特點(diǎn)[1]，鋼混組合箱梁橋因其自重輕、剛度大、抗扭能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在鋼混組合梁式橋中占有重要的一席之地，尤其是在市政橋梁工程領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。在鋼混組合梁式橋的工程實(shí)踐中，負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)一直是其設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，因?yàn)樵谡龔澗貐^(qū)域，混凝土橋面板受壓、鋼梁受拉，混凝土、鋼材兩種材料的材性優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，而在負(fù)彎矩區(qū)域則恰恰相反，混凝土橋面板受拉、鋼梁受壓，混凝土抗拉強(qiáng)度低而導(dǎo)致橋面板開裂的問題非常突出。為有效解決鋼混組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)橋面板的抗裂問題，工程師和學(xué)者們進(jìn)行了一些工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新和科學(xué)研究。

工程設(shè)計(jì)方面，鋼混組合箱梁橋國外的工程應(yīng)用案例有：委內(nèi)瑞拉圭亞那卡羅尼河結(jié)合梁橋、德國A94 公路Neu?tting 橋、西班牙圣蒂門特奧高架橋等，其中德國A94 公路Neu?tting 橋跨徑布置為95 m+154 m+95 m=344 m，支點(diǎn)、跨中斷面梁高分別為6.8 m、3.3 m，主梁采用槽型開口鋼梁+ 現(xiàn)澆混凝土板形式，此橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于中支點(diǎn)鋼梁下翼緣設(shè)置了混凝土底板，形成了雙重組合結(jié)構(gòu)，起到減小橋面板裂縫的作用。國內(nèi)鋼混組合箱梁橋典型工程案例有上海長江大橋[2]、港珠澳大橋[3]、杭州九堡大橋[4]、銀川濱河黃河大橋等，其中上海長江大橋跨徑布置為90 m+5×105 m+85 m=700 m，主跨達(dá)105 m，梁高為5 m，主梁采用槽型開口鋼梁+預(yù)制混凝土板形式，在負(fù)彎矩區(qū)首次采用容許開裂、控制裂縫寬度的設(shè)計(jì)思路[5，6]，并通過支點(diǎn)升降法對(duì)橋面板施加預(yù)應(yīng)力，是對(duì)組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)方法的大膽嘗試。

科學(xué)研究方面，Su 等進(jìn)行了2 跨連續(xù)組合鋼箱梁的負(fù)彎矩區(qū)縮尺模型試驗(yàn)[7]，對(duì)負(fù)彎矩區(qū)采用后結(jié)合預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板、現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋面板進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比，研究結(jié)果表明：負(fù)彎矩區(qū)采用兩種形式橋面板的極限承載力非常接近，但采用后結(jié)合預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板對(duì)提高開裂彎矩作用顯著，其開裂彎矩是現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋面板的3.2 倍。Xu 等進(jìn)行了雙重組合作用下連續(xù)組合鋼箱梁負(fù)彎矩區(qū)試驗(yàn)研究[8]，研究表明：負(fù)彎矩區(qū)采用雙重組合作用后，開裂荷載明顯降低、裂縫開展明顯延遲，截面抗彎承載力提高達(dá)26%。彭元誠等以大寧河特大橋?yàn)楣こ瘫尘癧9]，為研究組合梁負(fù)彎矩區(qū)受力特性進(jìn)行了焊釘和開孔板兩種剪力鍵類型的1∶2 大比例模型試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：采用不同連接件的試驗(yàn)梁具有相近的極限荷載，開孔板連接件有助于提高結(jié)構(gòu)剛度，但焊釘連接件的延性更好。劉沐宇以港珠澳大橋組合連續(xù)箱梁為研究背景[10]，進(jìn)行了2 跨8.5 m 的鋼混組合連續(xù)箱梁模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：正常運(yùn)營和150%運(yùn)營荷載下，集束式剪力釘和混凝上橋面板連接良好，整個(gè)結(jié)構(gòu)仍然在彈性工作階段，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備較高。樊健生等研究了體外預(yù)應(yīng)力對(duì)鋼混連續(xù)組合梁的受力性能的試驗(yàn)研究[11]，研究成果表明：折線布筋的體外預(yù)應(yīng)力組合梁開裂荷載增大，裂縫間距和裂縫寬度明顯減小，且相同荷載下的結(jié)構(gòu)剛度增大。

總的來說，以往對(duì)鋼混組合箱梁橋的工程設(shè)計(jì)大多基于單箱單室的等截面大箱梁，缺乏對(duì)市政橋梁領(lǐng)域單箱多室鋼混組合箱梁橋的工程實(shí)踐，且科學(xué)研究也多著眼于采用后結(jié)合預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板的組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)的受力性能。本文以臨汾市濱河西路與彩虹橋、景觀大道立交橋項(xiàng)目為工程背景，對(duì)單箱多室鋼混組合箱梁橋負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)展開研究，針對(duì)負(fù)彎矩區(qū)主流設(shè)計(jì)方法、頂升設(shè)計(jì)參數(shù)、頂升施工線型控制等一系列問題進(jìn)行闡述，旨在為國內(nèi)同類鋼混組合橋梁負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)提供參考，助推組合結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展。

1 工程概況

臨汾市濱河西路與彩虹橋、景觀大道立交橋項(xiàng)目位于山西省臨汾市，是臨汾市為了保障濱河?xùn)|西路暢通，最大限度的發(fā)揮其交通功能，從而引導(dǎo)臨汾市城市建設(shè)健康發(fā)展的交通立體化改造項(xiàng)目。方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮到鋼混組合箱梁橋自重輕、結(jié)構(gòu)高度小、抗扭剛度大及全壽命周期優(yōu)異等優(yōu)勢，該橋上部結(jié)構(gòu)最終確定采用鋼混組合箱梁橋方案，橋梁總里程達(dá)2587.5 m，其中濱河西路高架橋雙向6 車道設(shè)計(jì)，橋梁寬度24.0 m，第三聯(lián)變截面連續(xù)梁40 m+60 m+40 m=140 m（A 型梁）和第四聯(lián)等截面連續(xù)梁5×35 m=175 m（B 型梁）為高架橋典型橋跨布置。

三跨變截面連續(xù)梁（40 m+60 m+40 m=140 m）支點(diǎn)、跨中梁高分別為3.09 m、1.84 m，高跨比分別為1/19.4、1/32.6，五跨等截面連續(xù)梁（5×35 m=175 m）梁高為1.75 m，高跨比為1/20。其中鋼梁縱向采用單箱四室開口槽型斷面（見圖1），鋼梁橫向采用腹板豎肋+ 頂?shù)装鍣M肋的橫隔板結(jié)構(gòu)形式，鋼梁上覆預(yù)制混凝土橋面板，橋面板厚度為35 cm（見圖2）。

圖1 典型橫斷面布置（單位：mm）

圖2 現(xiàn)場施工照片

2 組合箱梁橋負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)方法

負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)一直是連續(xù)鋼混組合箱梁橋的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，現(xiàn)行的負(fù)彎矩區(qū)主流設(shè)計(jì)思路主要分為以下兩種：預(yù)應(yīng)力混凝土A 類構(gòu)件設(shè)計(jì)- 允許橋面板出現(xiàn)一定限值的拉應(yīng)力，但傳統(tǒng)待橋面板和鋼梁結(jié)合后再通過張拉預(yù)應(yīng)力鋼束施加預(yù)壓應(yīng)力的方法，會(huì)將很大一部分預(yù)壓應(yīng)力施加到鋼梁上，從而促成了后結(jié)合預(yù)應(yīng)力施加方法的出現(xiàn)——即先對(duì)橋面板進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，再將其與鋼梁進(jìn)行組合[12]，橋面板預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率大為提高；普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)- 容許橋面板開裂，但通過密集配筋控制其裂縫寬度。對(duì)于大跨鋼混組合箱梁橋負(fù)彎矩區(qū)橋面板而言，由于負(fù)彎矩?cái)?shù)值較大，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土A 類構(gòu)件的設(shè)計(jì)思路非常困難，構(gòu)造簡單、施工便捷的普通鋼筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)思路成為必然選擇。本次臨汾市濱河西路與彩虹橋、景觀大道立交橋項(xiàng)目鋼混組合梁負(fù)彎矩區(qū)采用橋面板密集配筋配合支點(diǎn)頂升工藝的設(shè)計(jì)方法，通過支點(diǎn)頂升向橋面板施加預(yù)壓應(yīng)力，成功實(shí)現(xiàn)了負(fù)彎矩區(qū)橋面板普通鋼筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)思路（見圖3）。

圖3 設(shè)計(jì)方法樹狀圖

3 頂升工藝設(shè)計(jì)參數(shù)研究

橋面板施工工序、支點(diǎn)頂升順序、橋面板存放齡期是基于頂升工藝組合箱梁橋負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)方法的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，這些關(guān)鍵參數(shù)與結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)性能、成橋力學(xué)性能密切相關(guān)。本節(jié)以典型橋跨5×35 m=175 m（A 型梁）和40 m+60 m+40 m=140 m（B型梁）為研究對(duì)象，研究上述參數(shù)對(duì)橋面板及鋼梁應(yīng)力分布的影響規(guī)律。數(shù)值分析采用大型有限元通用軟件MIDAS CIVIL，建立全橋桿系模型，A 型梁、B型梁有限元模型見圖4、圖5。

圖4 A 型梁有限元模型

圖5 B 型梁有限元模型

（1）橋面板施工工序

鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁在形成組合結(jié)構(gòu)的過程中，不同的橋面板施工工序?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力分布、施工效率及工程造價(jià)都將產(chǎn)生影響。為對(duì)比不同橋面板施工工序?qū)Y(jié)構(gòu)整體受力的影響，現(xiàn)選取兩種橋面板施工工序來進(jìn)行討論。

工序一：先澆筑跨中橋面板，后澆筑支點(diǎn)橋面板，此種方法也被稱為皮爾格法。

工序二：先澆筑支點(diǎn)橋面板，后澆筑跨中橋面板。

不同橋面板施工工序影響下成橋階段鋼梁與橋面板的各個(gè)位置最不利應(yīng)力對(duì)比見表1。

表1 鋼梁及橋面板應(yīng)力對(duì)比

對(duì)比計(jì)算結(jié)果可知橋面板施工工序?qū)Y(jié)構(gòu)受力影響顯著，尤其是鋼梁頂緣應(yīng)力和橋面板應(yīng)力變化較大。對(duì)于A 型梁，鋼梁頂緣最大拉應(yīng)力工序一較工序二增幅為133%，橋面板最大拉應(yīng)力工序一較工序二降幅為68%；對(duì)于B 型梁鋼梁頂緣最大拉應(yīng)力工序一較工序二增幅為74%，橋面板最大拉應(yīng)力工序一較工序二降幅為60%。

鑒于以上分析，工序一（皮爾格法）雖然增加了中支點(diǎn)鋼梁頂緣拉應(yīng)力，但此區(qū)域橋面板的拉應(yīng)力得到有效減小，表明為降低鋼混組合連續(xù)梁中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的受拉范圍和拉應(yīng)力數(shù)值，應(yīng)盡量使負(fù)彎矩區(qū)橋面板滯后施工，延緩其與鋼梁結(jié)合參與結(jié)構(gòu)整體受力的時(shí)間。

（2）支點(diǎn)頂升順序

支點(diǎn)升降法是對(duì)負(fù)彎矩區(qū)橋面板施加預(yù)壓應(yīng)力的有效手段之一，該方法在負(fù)彎矩區(qū)橋面板與鋼梁結(jié)合前，先頂升支點(diǎn)，待橋面板與鋼梁結(jié)合硬化后再回落到位，進(jìn)而向橋面板施加預(yù)壓應(yīng)力。為研究不同頂升順序?qū)Y(jié)構(gòu)整體受力的影響，現(xiàn)對(duì)A 型梁、B 型梁各支點(diǎn)頂升先后順序進(jìn)行討論。不同梁型對(duì)應(yīng)頂升順序見表2。

表2 頂升工序列表

表3 列出了采用不同頂升工序時(shí)，鋼梁頂、底緣最大應(yīng)力及橋面板應(yīng)力。

表3 鋼梁及橋面板應(yīng)力對(duì)比

對(duì)比計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于A 型梁，采用三種頂升工序?qū)︿摿旱膽?yīng)力分布影響較小，對(duì)橋面板的應(yīng)力分布影響較為顯著；頂升順序?yàn)楣ば蛞粫r(shí)內(nèi)側(cè)中支點(diǎn)橋面板受拉，外側(cè)中支點(diǎn)橋面板受壓，此工序?qū)χ兄c(diǎn)施加預(yù)壓應(yīng)力的效果欠佳；工序二、工序三將中支點(diǎn)橋面板的受力狀態(tài)優(yōu)化為全截面受壓，工序二對(duì)所有中支點(diǎn)橋面板施加的預(yù)壓應(yīng)力呈均勻狀態(tài)，數(shù)值在3 MPa 左右，而工序三狀態(tài)下內(nèi)側(cè)中支點(diǎn)橋面板施加的預(yù)壓應(yīng)力要明顯高于外側(cè)中支點(diǎn)橋面板。對(duì)于B 型梁，采用兩種頂升工序?qū)︿摿?、橋面板的?yīng)力分布均影響顯著；工序二狀態(tài)下鋼梁應(yīng)力要明顯高于工序一，最不利應(yīng)力位置出現(xiàn)在中支點(diǎn)頂緣，應(yīng)力數(shù)值已超過鋼材屈服強(qiáng)度；工序一狀態(tài)下橋面板預(yù)壓應(yīng)力呈均勻狀態(tài)，數(shù)值在6 MPa 左右，而工序二狀態(tài)下，滯后頂升處的中支點(diǎn)橋面板獲得了更大的預(yù)壓應(yīng)力，對(duì)橋面板整體受力不利。

鑒于以上分析，頂升工序是影響鋼混組合梁內(nèi)力分布的關(guān)鍵因素，橋面板預(yù)壓應(yīng)力施加效果、鋼梁應(yīng)力不超限是評(píng)價(jià)頂升工序的重要指標(biāo)，顯然A 型梁最優(yōu)頂升工序?yàn)橄戎卸?、后邊墩，B 型梁最優(yōu)頂升工序?yàn)橥瑫r(shí)頂升。

（3）橋面板存放齡期

容許橋面板開裂、限制裂縫寬度是鋼混組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)的主流設(shè)計(jì)方法，混凝土齡期是影響負(fù)彎矩區(qū)組合梁橋面板軸向拉力及裂縫寬度的重要因素，本節(jié)將對(duì)混凝土齡期對(duì)成橋狀態(tài)橋面板軸向拉力（裂縫寬度）及鋼梁內(nèi)力分布的影響展開討論。

a. 對(duì)橋面板軸向拉力及裂縫寬度的影響

分別考慮預(yù)制混凝土橋面板存放齡期為7 天（模擬現(xiàn)澆工藝）、1 個(gè)月、2 個(gè)月、3 個(gè)月、6 個(gè)月時(shí)，計(jì)算比對(duì)正常使用極限狀態(tài)頻遇組合下橋面板軸力及其對(duì)應(yīng)的裂縫寬度，計(jì)算結(jié)果見表4（A 型梁）、表5（B 型梁）。

表4 A 型梁橋面板軸力及裂縫寬度

表5 B 型梁橋面板軸力及裂縫寬度

圖6、圖7 為A 型梁成橋狀態(tài)橋面板軸向拉力、裂縫寬度隨其存放齡期的關(guān)系曲線圖，結(jié)合表4 可知：隨著預(yù)制橋面板存放齡期的增大，橋面板的軸向拉力、裂縫寬度呈逐漸減小趨勢。

圖6 A 型梁橋面板軸向拉力隨齡期增大分布圖

圖7 A 型梁橋面板裂縫寬度隨齡期增大分布圖

圖8 為A 型梁橋面板軸向拉力、裂縫寬度增幅隨其存放齡期的關(guān)系曲線圖（參照樣本為齡期6 個(gè)月的橋面板軸向拉力、裂縫寬度），結(jié)合表4 可知：相較存放齡期為180 d 時(shí)，存放齡期為7 d、30 d、60 d及90 d 時(shí)橋面板裂縫寬度增幅分別達(dá)25.4%、16.7%、11.3%和7.6%。

圖8 A 型梁橋面板軸力和裂縫增幅

圖9、圖10 為B 型梁成橋狀態(tài)橋面板軸向拉力、裂縫寬度隨其存放齡期的關(guān)系曲線圖，結(jié)合表5 可知：隨著預(yù)制橋面板存放齡期的增大，橋面板的軸向拉力、裂縫寬度同樣呈逐漸減小趨勢。

圖9 B 型梁橋面板軸向拉力隨齡期增大分布圖

圖10 B 型梁橋面板裂縫寬度隨齡期增大分布圖

圖11 為B 型梁橋面板軸向拉力、裂縫寬度增幅隨其存放齡期的關(guān)系曲線圖（參照樣本為齡期6 個(gè)月的橋面板軸向拉力、裂縫寬度），結(jié)合表5 可知：相較存放齡期為180 d 時(shí)，存放齡期為7 d、30 d、60 d 及90 d 時(shí)橋面板裂縫寬度增幅分別達(dá)33.3%、21.9%、15.0%和10.1%。

圖11 B 型梁橋面板軸力和裂縫增幅

鑒于以上分析，混凝土收縮、徐變是影響負(fù)彎矩區(qū)橋面板所受軸向力大小和裂縫寬度的一個(gè)重要因素。相比現(xiàn)澆橋面板而言（存放齡期7 d），預(yù)制橋面板延緩了其與鋼梁的結(jié)合時(shí)間，進(jìn)而減小了收縮、徐變對(duì)其產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

b. 對(duì)鋼梁應(yīng)力分布的影響

同樣考慮預(yù)制混凝土橋面板存放齡期為7 d、1、2、3、6 個(gè)月時(shí)，計(jì)算比對(duì)正常使用極限狀態(tài)頻遇組合下鋼梁應(yīng)力分布，計(jì)算結(jié)果見表6（A 型梁）、表7（B 型梁）。

表6 A 型梁鋼梁頂、底緣應(yīng)力

表7 B 型梁鋼梁頂、底緣應(yīng)力

由圖12、圖13 可知：鋼梁頂緣應(yīng)力隨存放齡期增長而增大，鋼梁底緣應(yīng)力隨存放齡期增大而減小，但影響幅度均較小。

圖12 A 型梁鋼梁應(yīng)力分布圖

圖13 B 型梁鋼梁應(yīng)力分布圖

綜上所述，皮爾格法、各中支點(diǎn)預(yù)壓應(yīng)力均勻的頂升順序、預(yù)制橋面板的綜合應(yīng)用才能降低負(fù)彎矩區(qū)橋面板拉應(yīng)力、提高其抗裂性能，從而成功實(shí)現(xiàn)通過密集配筋配合頂升工藝的負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)思路，連續(xù)鋼混組合箱梁橋優(yōu)化施工工序圖見圖14（以B 型梁為例）。

圖14 優(yōu)化施工工序圖（B 型梁）

4 施工全過程線型控制

基于頂升工藝的組合箱梁橋成橋線型控制至關(guān)重要，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)線型與施工線型的吻合，施工全過程對(duì)結(jié)構(gòu)線型進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖15 列出了變截面連續(xù)梁40 m+60 m+40 m=140 m（B 型梁）的施工全過程設(shè)計(jì)線型與施工線型關(guān)系曲線圖（以架設(shè)跨中橋面板工況結(jié)構(gòu)線型高程為基準(zhǔn)高程），由圖15 可知頂升鋼梁工況、鋼梁回落工況施工線型與設(shè)計(jì)線型高程最大誤差分別為13 mm、12 mm，表明關(guān)鍵施工工況頂升鋼梁、鋼梁回落結(jié)構(gòu)線型控制良好。

圖15 結(jié)構(gòu)線型監(jiān)控（B 型梁）

5 結(jié)語

本文以臨汾市濱河西路與彩虹橋、景觀大道立交橋項(xiàng)目為工程背景（見圖16），以解決連續(xù)組合箱梁橋負(fù)彎矩區(qū)橋面板開裂為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出了基于頂升工藝的組合箱梁橋負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)橋面板施工工序、支點(diǎn)頂升順序及橋面板存放齡期進(jìn)行了參數(shù)化分析，得到如下結(jié)論：

圖16 工程實(shí)景照片

（1）皮爾格法為橋面板優(yōu)化施工工序，降低中支點(diǎn)橋面板拉應(yīng)力幅度達(dá)60%以上。

（2）各支點(diǎn)橋面板預(yù)壓應(yīng)力水平相當(dāng)是評(píng)價(jià)支點(diǎn)頂升順序的重要指標(biāo)，5 跨等截面組合箱梁橋（A型梁）、3 跨變截面組合箱梁橋（B 型梁）的優(yōu)化頂升順序分別是先中墩后邊墩和兩墩同時(shí)頂升。

（3）相比現(xiàn)澆橋面板，存放齡期6 個(gè)月的預(yù)制橋面板可有效降低橋面板裂縫寬度，降幅達(dá)20%。

因此，臨汾市濱河西路與彩虹橋、景觀大道立交橋項(xiàng)目是采用基于頂升工藝的組合箱梁橋負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)方法的一次成功工程嘗試，其設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)參數(shù)可為國內(nèi)同類鋼混組合箱梁設(shè)計(jì)提供很好的借鑒意義和參考價(jià)值，從而推動(dòng)鋼混組合箱梁橋在國內(nèi)的工程應(yīng)用。