李銘澤

（中國(guó)建筑第八工程局有限公司上海分公司，上海市 200433）

0　引言

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能和施工性能，采用組合技術(shù)建造橋梁能夠產(chǎn)生很高的綜合經(jīng)濟(jì)效益[1]。由于連續(xù)組合梁中支點(diǎn)區(qū)域承擔(dān)負(fù)彎矩，此處混凝土橋面板因承受較大拉應(yīng)力而開(kāi)裂，裂縫過(guò)大會(huì)影響結(jié)構(gòu)承載能力和耐久性[2]。要保證連續(xù)組合梁在負(fù)彎矩區(qū)的橋面板不發(fā)生拉應(yīng)力或裂縫及其限制裂縫寬度，給橋面板沿著橋梁縱向施加預(yù)應(yīng)力是最有效的措施之一，對(duì)負(fù)彎矩橋面板施加預(yù)應(yīng)力的方法大致有三類(lèi)：配置預(yù)應(yīng)力鋼筋法、支座回落法、加載配重法[3]。其中支座回落法因其施工便利、節(jié)省造價(jià)，在連續(xù)組合梁橋設(shè)計(jì)和施工中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文以一座4跨連續(xù)組合槽形梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，比較分析了四種不同支座回落方式對(duì)鋼梁受力及鋼材用量的影響，以此來(lái)找尋一種最合理的支座回落方式，為組合梁橋的建設(shè)推廣提供一點(diǎn)參考。

1　工程概況

該橋是一座（32+45+45+32）m的城市高架槽形組合梁橋，如圖1所示。橋面板厚度為280 mm，中跨梁高2.2 m，邊支點(diǎn)梁高為1.6 m，邊跨梁高線(xiàn)性過(guò)渡。如圖2所示，橋梁寬度為39.3 m，由6片槽形組合梁組成，其中梁間距為6.7 m。中支點(diǎn)頂板厚42 mm，底板厚26 mm，腹板厚14 mm；跨中頂板厚20 mm，底板厚14 mm，腹板厚12 mm。

圖1　組合槽形梁橋總體布置（單位：m）

圖2　組合梁橫斷面布置（單位：mm）

2　計(jì)算模型及裂縫計(jì)算方法

本文參照文獻(xiàn)[4]所做的計(jì)算假定：

（1）混凝土與鋼頂板之間的剪力連接件完好，不會(huì)發(fā)生破壞，能夠有效傳遞剪力。

（2）混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)完好，兩者之間不發(fā)生滑移[4]。利用大型有限元軟件MIDAS Civil分別建立邊梁未開(kāi)裂模型和開(kāi)裂模型，如圖3所示，并考慮荷載橫向分布、車(chē)道橫向折減、二期恒載、支座沉降、整體升降溫及梯度溫度等作用。

在進(jìn)行中支點(diǎn)橋面板裂縫計(jì)算時(shí)，《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）[5]規(guī)定混凝土橋面板的裂縫寬度參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）（后文簡(jiǎn)稱(chēng)為《公預(yù)規(guī)》）。

圖3　連續(xù)組合梁計(jì)算模型

提取未開(kāi)裂模型中支點(diǎn)橋面板在短期組合下的軸力和彎矩，如圖4和圖5所示，得到Fx=10 919.9 kN,My=-211.7 kN·m，則偏心距 e=My/Fx=0.02 m，為橋面板厚度的1/140。由于偏心距很小，這里將中支點(diǎn)橋面板視為軸心受拉構(gòu)件。

圖4　未開(kāi)裂模型在短期組合下的橋面板軸力分布（單位：kN）

圖5　未開(kāi)裂模型在短期組合下的橋面板彎矩分布（單位：kN·m）

該橋處于Ⅰ類(lèi)環(huán)境，《公預(yù)規(guī)》[6]給出的裂縫寬度限值為0.20 mm，同時(shí)《公預(yù)規(guī)》也對(duì)混凝土橋面板裂縫寬度計(jì)算給出了以下公式：

式中：對(duì)于帶肋鋼筋，鋼筋表面形狀系數(shù)C1取1.0；C2是作用長(zhǎng)期效應(yīng)影響系數(shù)，C2=1+0.5×長(zhǎng)期內(nèi)力/短期內(nèi)力；C3是與構(gòu)件受力特性有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)上文結(jié)果，這里將中支點(diǎn)橋面板視為軸力受拉構(gòu)件，即C3=1.2；d是鋼筋直徑；ρ是配筋率，按照ρ=（As+Ap）/[bh0+（bf-b）hf]進(jìn)行計(jì)算；σss表示鋼筋應(yīng)力，軸力受拉構(gòu)件的計(jì)算公式為σss=Ns/As，其中Ns是短期組合下的軸力，As是鋼筋面積。

3　結(jié)果分析

3.1　中支點(diǎn)頂板厚變化對(duì)裂縫寬度的影響

表1　中支點(diǎn)頂板厚變化對(duì)中支點(diǎn)裂縫寬度影響表

分別將邊中支點(diǎn)、中中支點(diǎn)頂板厚設(shè)置成32 mm、32 mm和42 mm、46 mm，提取短期組合和長(zhǎng)期組合下中支點(diǎn)混凝土橋面板的軸力，并進(jìn)行配筋做裂縫寬度大小計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)分析表1可以看出，此橋邊中支點(diǎn)的裂縫比中中支點(diǎn)的裂縫略大；兩種不同中支點(diǎn)頂板厚度計(jì)算結(jié)果接近，中支點(diǎn)頂板厚度變化對(duì)中支點(diǎn)橋面板裂縫寬度影響非常小，且當(dāng)中支點(diǎn)頂板厚度減小時(shí)，可以適當(dāng)減小中支點(diǎn)橋面板所受軸力；當(dāng)橋面板縱向配筋從22@100 mm增加到25@100 mm時(shí)，裂縫寬度從約0.23 mm降低到0.18 mm，可見(jiàn)增加縱向鋼筋配筋率，可以顯著降低裂縫寬度。

3.2　不同支座回落方式對(duì)鋼梁受力的影響

組合梁橋面板施工常采用工廠(chǎng)預(yù)制橋面板現(xiàn)場(chǎng)拼裝的方法，直徑d=25 mm的縱筋不僅彎起困難，而且不能滿(mǎn)足在橋面板厚280 mm的情況下不小于5d彎曲直徑的要求。為滿(mǎn)足構(gòu)造要求以及節(jié)省材料造價(jià)，這里給出了四種不同支座回落的方式，以求在配置22@100 mm的配筋下，能將裂縫寬度限制在0.20 mm。四種不同的支座回落方式如圖6所示。

通過(guò)反復(fù)調(diào)試未開(kāi)裂模型，為了能在中支點(diǎn)縱向配筋為22@100 mm條件下，將中支點(diǎn)混凝土裂縫限制在0.20 mm時(shí)的具體操作見(jiàn)表2。

在開(kāi)裂模型中，選取數(shù)個(gè)鋼梁關(guān)鍵點(diǎn)：邊跨跨中上下緣、邊中支點(diǎn)上下緣、中跨跨中上下緣、中中支點(diǎn)上下緣。分析比較在基本組合下，回落方式對(duì)鋼梁應(yīng)力的影響如圖7所示。

表2　不同支座回落方法的具體數(shù)值設(shè)置表

通過(guò)圖7中的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，在不同支座回落方式下邊跨跨中鋼梁上緣應(yīng)力在-180～-168 MPa，與支座無(wú)回落時(shí)的鋼梁應(yīng)力-173 MPa差別不大，這是由于為了滿(mǎn)足寬厚比的構(gòu)造要求，頂板厚為20 mm；對(duì)于邊跨跨中下緣，方法1和方法4的鋼梁應(yīng)力達(dá)到了244 MPa，比無(wú)支座回落時(shí)的鋼梁應(yīng)力211 MPa增加了33 MPa，而方法2的鋼梁應(yīng)力只有193 MPa，相比無(wú)支座回落時(shí)的鋼梁應(yīng)力減少了18 MPa；對(duì)于邊中支點(diǎn)上緣，方法2的鋼梁應(yīng)力將達(dá)到265 MPa，比無(wú)支座回落增加了34 MPa，而方法1、3、4的鋼梁應(yīng)力均比無(wú)支座回落時(shí)要小；對(duì)于邊中支點(diǎn)下緣，方法2的鋼梁應(yīng)力將達(dá)到-260 MPa，比無(wú)支座回落增加了30 MPa，而方法1、3、4的鋼梁應(yīng)力均比無(wú)支座回落時(shí)要?。粚?duì)于中跨跨中上緣，由于因頂板寬度比的構(gòu)造要求板厚達(dá)到20 mm，因此方法1～4的鋼梁上緣應(yīng)力與無(wú)支座回落時(shí)的鋼梁應(yīng)力差別不大；對(duì)于中跨跨中下緣，方法1～4的鋼梁下緣應(yīng)力均比無(wú)支座回落時(shí)要大，其中方法3的鋼梁應(yīng)力達(dá)到了272 MPa；對(duì)于中中支點(diǎn)上緣，方法1的鋼梁應(yīng)力達(dá)到了291 MPa，方法3的鋼梁應(yīng)力為300 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)支座回落時(shí)的鋼梁應(yīng)力240 MPa，而方法2、3的鋼梁應(yīng)力要比無(wú)支座回落時(shí)要小；對(duì)于中中支點(diǎn)下緣，方法1的鋼梁應(yīng)力達(dá)到了-283 MPa，方法4的鋼梁應(yīng)力達(dá)到了-282 MPa，遠(yuǎn)大于無(wú)支座回落時(shí)的鋼梁應(yīng)力-236 MPa，而方法2、3的鋼梁應(yīng)力要比無(wú)支座回落時(shí)要小。

3.3　不同支座回落方式對(duì)橋梁用鋼量的影響

為了能使不同支座回落方法下的鋼梁強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求，在開(kāi)裂有限元模型中針對(duì)不同支座的回落方法進(jìn)行了板厚調(diào)整工作，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　不同支座回落方式下的鋼梁板厚調(diào)整表　mm

方法1、4的中支點(diǎn)上緣應(yīng)力達(dá)到近300 MPa，而邊中支點(diǎn)上緣應(yīng)力僅為201 MPa，因此在板厚調(diào)整時(shí)，需要將板厚增加至68 mm和70 mm，而邊中支點(diǎn)上緣由于受力較小，僅需要配置28 mm和30 mm厚的板厚。顯然，方法1和方法4已然屬于是不合理的設(shè)計(jì)。

圖7　不同支座回落方式時(shí)鋼梁在基本組合下的應(yīng)力（正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力）（單位：MPa）

圖8　不同支座回落方式下的鋼板用量指標(biāo)、鋼筋用量指標(biāo)、用鋼總量指標(biāo)對(duì)比（單位：kg/m2）

方法1～4在中支點(diǎn)開(kāi)裂區(qū)域橋面板配置22@100 mm的縱向鋼筋，無(wú)支座回落時(shí)在中支點(diǎn)區(qū)域橋面板配置25@100 mm的縱向鋼筋；方法1～4和無(wú)支座回落方法均在跨中區(qū)域橋面板配置12@100 mm的縱向鋼筋；在經(jīng)過(guò)橋面板橫向計(jì)算之后，方法1～4和無(wú)支座回落配置了20@100mm的橫向鋼筋。

這里對(duì)四種支座回落方法和無(wú)支座回落的鋼板用量以及鋼筋用量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到了各種方法下鋼板、鋼筋用量指標(biāo)，如圖8所示。

對(duì)比分析可知，方法1和方法3的鋼板用量指標(biāo)約為208 kg/m2，比無(wú)支座回落的211.7 kg/m2減少3.7 kg/m2，而方法4的鋼板用量最大，達(dá)到了218.4 kg/m2。在鋼筋用量指標(biāo)方面，由于方法1～4的支點(diǎn)縱向鋼筋直徑為22 mm，小于無(wú)支座回落的鋼筋直徑為25 mm，因此方法1～4的鋼筋用量與無(wú)支座回落時(shí)的用鋼總量差別不大。疊加鋼板用量指標(biāo)和鋼筋用量指標(biāo)，得到用鋼總量指標(biāo)，其中方法4的用鋼總量最大，達(dá)到了320.1 kg/m2。而方法3的用鋼總量指標(biāo)最低，為309.6 kg/m2，比支座無(wú)回落時(shí)降低了9.9 kg/m2。設(shè)鋼材價(jià)格為4 500元/t，該橋橋?qū)?9.3 m，橋長(zhǎng)154 m，當(dāng)采用方法3時(shí)，鋼材材料成本可以降低 4 500×154×39.3×（319.5-309.6）/1 000≈27（萬(wàn)元）?？梢?jiàn)，通過(guò)合理的支座回落方法，可以降低橋梁工程造價(jià)。

4　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)一座（32+45+45+32）m的槽形組合梁橋進(jìn)行四種支座回落方式的研究，對(duì)比分析了不同支座回落方式與無(wú)支座回落時(shí)的鋼梁受力以及材料用鋼量，得到了以下結(jié)論：

（1）中支點(diǎn)混凝土橋面板為偏心受拉構(gòu)件，但是在短期組合下，偏心距僅為橋面板厚度的1/140，可以將中支點(diǎn)混凝土橋面板視為軸心受拉構(gòu)件。

（2）中支點(diǎn)鋼梁頂板的板厚變化對(duì)中支點(diǎn)橋面板裂縫影響很小很小，且減小中支點(diǎn)頂板厚度可以略微減小中支點(diǎn)裂縫。

（3）先落邊中支座會(huì)使中中支點(diǎn)受力不利，先落中中支座會(huì)使邊中支點(diǎn)受力不利。

（4）支座回落與壓重相結(jié)合的施工工藝易引起支點(diǎn)受力不利，需謹(jǐn)慎使用。

（5）與無(wú)支座回落相比，三個(gè)支座同時(shí)回落不僅使中支點(diǎn)鋼梁上下緣應(yīng)力減小，而且用鋼量也得到了減少，通過(guò)材料造價(jià)計(jì)算，方法3可以為該橋節(jié)約近27萬(wàn)元的鋼材成本。但是三個(gè)支座同時(shí)下落，施工監(jiān)控難度大，監(jiān)控費(fèi)用會(huì)有所增加。