吳志勇

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200431）

鋼混組合梁在服役過程中其負彎矩區(qū)混凝土橋面板在拉應力作用下會產(chǎn)生裂縫，后期維護費用較高，這個問題一直困擾著國內(nèi)外橋梁工程界。目前設計主要依靠在負彎矩區(qū)施加預應力或采用預加荷載法、支點位移法等予以緩解，但成橋狀態(tài)的內(nèi)力仍主要取決于施工階段的控制水平，對施工技術要求較高，且造價較高。歐美、日本等在鋼混組合連續(xù)梁工程實踐中也普遍出現(xiàn)了這個問題。另外，常規(guī)鋼混組合梁的單位用鋼量一般在220 kg/m2以上，且施工混凝土橋面板時需設臨時支撐，大大增加了施工成本，沒有發(fā)揮組合梁的優(yōu)勢。

針對上述2 個問題，本文提出全組合連續(xù)梁的概念，并通過預制裝配式工藝將傳統(tǒng)的“兩階段受力”［1-2］工況調(diào)整為“一階段受力”工況進行施工，為解決負彎矩區(qū)混凝土受拉開裂和用鋼量較大的問題提供一種新方案。

1 全組合連續(xù)梁的特點

鋼混組合連續(xù)梁是將上層連續(xù)的混凝土橋面板通過剪力釘和鋼梁聯(lián)結在一起形成組合截面共同受力，負彎矩區(qū)不僅承受自重、活載的作用，還承受溫度、混凝土收縮徐變產(chǎn)生的次內(nèi)力作用，受力較為復雜。負彎矩區(qū)混凝土橋面板在拉應力作用下開裂后，正負彎矩區(qū)的剛度會產(chǎn)生較大差異，并導致內(nèi)力和變形的計算誤差過大，同時會影響結構的耐久性［3］。另外，為了加強負彎矩區(qū)受壓鋼梁底板的局部穩(wěn)定性，常采用“雙結合”技術在鋼梁底板鋪設一層無收縮混凝土。

連續(xù)組合梁相對于簡支組合梁，具有以下優(yōu)點［4］：

1）減少了支座和伸縮縫的數(shù)量，避免了伸縮縫處鋼梁銹蝕，降低了養(yǎng)護成本；

2）具有更大的超載能力，內(nèi)力重分配作用明顯；

3）剛度較大，高跨比較??；

4）跨徑超過15 m 后，單位用鋼量較小，具有一定的經(jīng)濟性。

隨著橋梁工業(yè)化建造技術的推進，預制裝配式理念也在不斷沖擊鋼混組合梁的應用市場，“兩階段受力”現(xiàn)澆橋面板組合梁的優(yōu)勢日益不明顯。業(yè)內(nèi)在鋼混組合梁快速化、標準化、機械化方面也有了一些探索和嘗試，如長沙湘府路3×30 m鋼板組合連續(xù)梁采用疊合橋面板，但沒有解決負彎矩區(qū)的問題。

不同于傳統(tǒng)的鋼混組合連續(xù)梁，全組合連續(xù)梁是在正彎矩區(qū)采用混凝土頂板和鋼梁通過剪力釘結合形成正組合截面，在負彎矩區(qū)采用鋼梁頂板和通過剪力釘結合的鋼混組合底板形成負組合截面，在零彎矩點附近將混凝土頂板和鋼梁通過PBL 剪力鍵、剪力釘與預應力筋等連接構造形成混合橋面板，并保證鋼梁受力是連續(xù)的。為了減小用鋼量，鋼梁可優(yōu)先采用鋼板梁，必要時可采用開口鋼箱梁，其腹板采用波形鋼腹板，跨中設置1道橫隔板。

本文首次將混合橋面板應用于鋼混組合連續(xù)梁，全組合連續(xù)梁具有以下優(yōu)點：

1）充分發(fā)揮了鋼材受拉和混凝土受壓強度高的特性，從根本上解決了鋼混組合連續(xù)梁長期沒有解決負彎矩區(qū)混凝土橋面板受拉開裂的問題，也避免了設置預加力的繁瑣工藝。

2）減小了混凝土橋面板收縮徐變的次內(nèi)力和剪力釘?shù)氖芰Α?/p>

3）解決了橋面連續(xù)處橋面鋪裝易破壞的問題。

4）多主梁可采用工廠化分片預制，可將鋼梁與混凝土橋面板在工廠內(nèi)結合，分片吊裝，形成“一階段受力”，提高了預制裝配化水平，大大減小了下部結構的規(guī)模。

5）施工簡單，縮短了施工周期。

6）相鄰2 片組合梁間少橫隔梁或無橫梁，采用波形鋼腹板可提高抗剪扭性能，節(jié)省用鋼量。

圖1 全組合連續(xù)梁構造設計（單位：cm）

2 結構設計計算

2.1 結構設計

本文以橋?qū)?5.7m、一聯(lián)3×30 m 鋼混連續(xù)組合梁為研究對象，將混合橋面板應用于鋼混組合連續(xù)梁，其構造設計見圖1。連續(xù)梁梁高1.4 m，鋼梁高1.1 m，橋面板標準厚度為20 cm，承托處厚度為30 cm；相鄰2片組合梁通過現(xiàn)澆濕接縫或疊合濕接縫連接。零彎矩點附近距離中支點5.75 m 處在正彎矩區(qū)設置混合橋面板混合段連接構造，包括PBL 剪力鍵和承壓板上剪力釘，并采用預應力筋施加預應力進行錨固。相鄰混合點之間負彎矩區(qū)上層為鋼橋面板，鋼梁底板通過剪力釘與20 cm 厚鋼筋混凝土進行疊合，從而形成負組合截面；正彎矩區(qū)鋼梁上翼緣板應通長設置。中間支座處設置3 道中支點橫隔板，并采用折線分段線對鋼梁進行分段，以便后期對接施焊。一聯(lián)鋼混連續(xù)組合梁單位用鋼量約170 kg/m2。

施工時采用工廠化分片預制架設，中支點永久支座直接安裝于中跨梁端牛腿底部，鋼梁對接施焊后，再澆筑負組合截面的下部底板疊合混凝土。鋼橋面板頂部與現(xiàn)澆整平層平齊。

2.2 受力機理

由于鋼主梁是連續(xù)的，車輪荷載作用于混合橋面板上第一體系主梁的傳力路徑并沒有發(fā)生改變；第二體系正彎矩區(qū)混凝土橋面板應按單向板傳力路徑分析，負彎矩區(qū)鋼橋面板應按正交異性橋面板傳力路徑分析。傳力路徑的變化主要發(fā)生在第一體系主梁的上層縱向纖維上，即由常規(guī)的上層混凝土橋面板轉(zhuǎn)變?yōu)樯蠈踊旌蠘蛎姘?，上層縱向纖維傳力變化位置在混合段。

橋面板混合段位于全組合連續(xù)梁零彎矩點附近，靠近正彎矩區(qū)。橋面板受壓有利于混合段連接構造不發(fā)生疲勞破壞。不同于正彎矩區(qū)正組合截面的受力行為，負彎矩區(qū)負組合截面上翼緣鋼橋面板受拉伸長，下翼緣鋼混組合底板受壓變短，截面受力行為的分界點在零彎矩點附近。

從剪力釘受力情況來看，在傳統(tǒng)的“兩階段受力”工況下，鋼梁在混凝土濕重作用下發(fā)生下?lián)?，剪力釘并不承受混凝土橋面板自重產(chǎn)生的剪力；而“一階段受力”工況下組合梁下?lián)?，剪力釘需承受自重作用下結合面處的剪力，但由于組合梁截面剛度較大，且橋面板不連續(xù)，剪力釘承受的剪力會有所抵消。

2.3 計算分析

采用MIDAS/Civil 2018對一聯(lián)3×30 m全組合連續(xù)梁和普通鋼混連續(xù)組合梁進行了對比分析計算。計算結果表明：一階段受力鋼梁的上下翼緣正應力較二階段受力減小約100 MPa；靜活載跨中撓度與普通鋼混連續(xù)組合梁接近，撓跨比為1/1200，受力指標滿足規(guī)范要求。

3 設計關鍵技術

3.1 混合橋面板

國內(nèi)相關規(guī)范關于混合橋面板連接構造形式已有規(guī)定［5］。混合橋面板的設計關鍵在于混合段連接構造，其主要包括承壓板、預應力筋、過渡加勁板和抗剪連接件，見圖2。承壓板作為混凝土橋面板和鋼橋面板的分界，一方面要利用過渡加勁板傳力給鋼橋面板的加勁肋，另一方面要利用預應力筋和抗剪連接件均勻傳力給混凝土橋面板。為了保證鋼梁的整體穩(wěn)定和剛度過渡，必須在承壓板處設置橫隔板，這是關鍵構造。另外，為了保證混凝土橋面板在承壓板處的鋼筋受力連續(xù)，鋼筋應焊接于承壓板上，并避開抗剪連接件。

圖2 混合點連接構造

3.2 工廠預制與架設

長期以來，組合梁的預制裝配化沒有得到重視，原因是鋼結構加工和混凝土澆筑分屬不同的工種，管理不協(xié)調(diào)。鋼梁分段加工、運輸至現(xiàn)場就位于臨時支撐上拼裝，這個工藝在機械設備落后的情況下有其合理性。但是隨著機械設備的提升和EPC 總承包模式的推進，鋼梁分段加工、運輸至梁場拼裝，澆筑混凝土橋面板，整體吊裝或架設施工，符合快速化施工理念，已經(jīng)得到不斷推廣。全組合連續(xù)梁通過工廠預制、分片運輸架設的工藝，可以大大提高預制裝配化水平。

“一階段受力”要求橋面板在工廠內(nèi)澆筑，在顯著提高施工質(zhì)量、保證預制精度的同時，單片組合梁的重量仍低于目前平均吊重，對于實現(xiàn)快速化、標準化、機械化和裝配化是有意義的。

工廠內(nèi)完成混合橋面板的混凝土澆筑和連接構造是比較容易的，重點在于預制臺座。預制臺座的預拱度應與組合梁截面的“一階段受力”預拱度一致，以保證在鋼梁上澆筑混凝土不能引起鋼梁的變形，否則就會出現(xiàn)“兩階段受力”問題。

中支點鋼梁的分段切口應充分考慮組合梁的預拱度，在組合梁支座就位后，切口應滿足成橋線形要求。在組合梁吊裝前，應通過模擬支座就位后的情況判斷鄰近鋼梁切口是否縱向匹配。如不匹配，應在吊裝前進行配切，以保證組合梁就位后的對接精度，從而保證順利對接拼焊［6-7］。

當“一階段受力”施工確實困難時，可在鋼梁現(xiàn)場節(jié)段拼接后，采用集束式剪力釘?shù)念A制橋面板［8］進行組合，以保證施工進度。

3.3 疊合濕接縫

疊合濕接縫可以滿足全組合連續(xù)梁快速化施工的要求，并滿足受力要求。在混凝土橋面板工廠預制時，疊合濕接縫寬度采用30 cm窄濕接縫，預留7 cm的懸出小牛腿和1 cm 縱向梁縫，通過翼緣板和小牛腿伸出的鋼筋可實現(xiàn)濕接縫鋼筋的綁扎，并與整平層鋼筋網(wǎng)綁扎固定，再與整平層混凝土一同澆筑。先澆筑濕接縫處混凝土，再均勻澆筑橋面板處整平層，形成整體受力。疊合濕接縫構造見圖3。需要強調(diào)的是，1 cm 縱向梁縫設計考慮的是混凝土施工誤差，而在施工過程中可按無梁縫進行預制安裝，澆筑梁縫混凝土時可將梁縫填塞。

圖3 疊合濕接縫構造（單位：cm）

3.4 橋面鋪裝

鋼橋面鋪裝的耐久性和開裂問題一直是困擾橋梁界的難題。全組合連續(xù)梁負彎矩區(qū)也會有這個問題，但是與常規(guī)鋼橋面鋪裝相比，具有以下優(yōu)勢：

1）鋼橋面板長度約占1/4，鋼橋面鋪裝較為集中；

2）中支點區(qū)域橫隔板較多，剛度大，相對于跨中整體變形??；

3）整聯(lián)豎向剛度比鋼梁大，鋪裝層相對錯動較小。

綜上所述，全組合連續(xù)梁正彎矩區(qū)采用混凝土橋面板避免了鋼橋面鋪裝，負彎矩區(qū)鋼橋面受力性能較好，有利于提高鋼橋面鋪裝的連續(xù)性和耐久性。

需要指出，混合段承壓板是混凝土橋面板鋪裝和鋼橋面鋪裝的分界，可不進行特殊處理，但是應盡量通過過渡加勁板使鋼橋面板的局部剛度足夠大，以保證變形協(xié)調(diào)。

3.5 波形鋼腹板

波形鋼腹板是全組合連續(xù)梁的重要組成部分，其作用是為了控制單位用鋼量，改善鋼梁的抗扭性能和減小箱形截面橫向加勁肋的成本。在大跨度全組合連續(xù)梁中波形鋼腹板的優(yōu)勢更明顯。波形鋼腹板僅作為腹板設計時，可通過上翼緣板和剪力釘與混凝土橋面板聯(lián)結，必要時可設置橫隔板提高整體穩(wěn)定性。

4 結語

本文首次提出了“全組合”、“正組合截面”與“負組合截面”的概念，從根本上解決了組合連續(xù)梁負彎矩區(qū)混凝土橋面板受拉開裂的問題。此外，提出了多片主梁“一階段受力”工況下分片預制架設工藝等多項關鍵技術及構造措施，可大大滿足施工快速化要求。這些對于連續(xù)組合梁的推廣應用具有很大的參考價值和實踐意義。