賀國棟, 李 瑜, 周 旋, 曾滿良

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司, 湖南 長沙 410200)

1 概述

鋼混組合結(jié)構(gòu)由鋼梁和混凝土橋面板組成，該結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮混凝土材料受壓性能好、鋼材受拉性能好的特點，具有良好的受力性能和經(jīng)濟(jì)性，從而在橋梁工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。鋼混組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于連續(xù)梁橋主要存在負(fù)彎矩區(qū)橋面板易開裂的問題，橋面板開裂后組合梁的剛度減弱，裂縫較大時有害介質(zhì)會通過裂縫滲入混凝土中，嚴(yán)重腐蝕混凝土，銹蝕鋼筋，降低了組合梁的耐久性，增加維護(hù)養(yǎng)護(hù)工作的困難[2]。因此，如何處理中支點負(fù)彎矩區(qū)的設(shè)計和施工，成為鋼混組合連續(xù)梁橋工程實踐中的關(guān)鍵問題。

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，簡稱UHPC)作為具有超高強度、超高韌性、超長耐久性等優(yōu)異性能的新型水泥基復(fù)合材料，其構(gòu)件具有強度高、抗裂性能好、韌性高、耐久性高等優(yōu)點，在土木工程中應(yīng)用廣泛[3]。

為提高組合梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂性能，提高結(jié)構(gòu)耐久性，本文提出一種鋼-UHPC-NC組合梁結(jié)構(gòu)形式，即在傳統(tǒng)鋼混組合梁的基礎(chǔ)上，負(fù)彎矩區(qū)域采用薄層超高性能混凝土(UHPC)替代部分普通混凝土(NC)。以主跨80 m鋼混組合梁橋為背景，介紹了鋼-UHPC-NC組合梁的構(gòu)造特征，并借助有限元軟件對該橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，重點分析了鋼梁和橋面板在施工階段及運營階段的受力性能，為今后同類橋梁設(shè)計提供技術(shù)支持。

2 鋼-UHPC-NC組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 工程概況

佛山市塘西大道三期(桃園路-S263廣云路段)整體呈北-南走向，起點接塘西三期公路建設(shè)工程設(shè)計終點，往南依次上跨桃園西路、下穿廣佛肇城軌、上跨西南涌、與規(guī)劃翠云路相交，上跨廣三高速、終于塘西三期南延線(廣海大道-進(jìn)港路)，路線全長4.18 km。項目采用的主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：①道路等級：一級公路標(biāo)準(zhǔn)兼顧城市道路功能；②設(shè)計車速：80 km/h；③設(shè)計荷載：公路-I級；④橋梁寬度：單幅寬度13.75 m；⑤設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a；⑥ 環(huán)境類別：I類。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

塘西大道三期工程跨越西南涌水域橋梁采用(49.5+80+49.5)m連續(xù)梁橋，主梁采用鋼-UHPC-NC組合梁結(jié)構(gòu)(見圖1)。鋼混組合梁全高3800mm，高跨比為1/21.1。

圖1 橋跨布置圖(單位： m)

2.2.1鋼梁設(shè)計

組合梁中鋼梁截面常用的有工字型、箱形、槽型等。本橋綜合考慮鋼梁縱向受力、橋面板橫向受力、運輸條件、起吊重量等因素，單幅橋橫向布置3片槽型鋼箱梁，由上翼緣板、腹板與其加勁肋、底板與其加勁肋、橫隔板、橫向聯(lián)系等組成(見圖2)。鋼梁凈高3400mm，腹板中心間距為2250mm，厚度均為14mm；上翼緣板標(biāo)準(zhǔn)寬度600mm，中支點位置加寬至800mm，根據(jù)受力需要板厚有24、34、44 mm這3種；底板標(biāo)準(zhǔn)寬度2350mm，根據(jù)受力需要板厚有16、24、32mm這3種；鋼梁各板件均采用Q345qD鋼材。

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位： cm)

2.2.2橋面板設(shè)計

在正彎矩區(qū)段，混凝土橋面板采用C50普通混凝土，橋面板全寬13.75m，標(biāo)準(zhǔn)厚度25cm，在鋼梁上翼緣處加厚至40cm。在負(fù)彎矩區(qū)段，橋面板采用分層設(shè)計，底層15cm厚度范圍內(nèi)采用C50普通混凝土，頂層10cm范圍內(nèi)采用超高性能混凝土(見圖3和圖4)，強度等級為UHPC160(設(shè)計參數(shù)取值見表1)。組合梁負(fù)彎矩區(qū)段長度約為中支點兩側(cè)各0.15L，L為主跨長度，本文研究對象主跨80m，負(fù)彎矩區(qū)段長度約為中支點兩側(cè)各12m。鋼梁與橋面板之間采用群釘槽口連接，焊釘規(guī)格為φ 22×220mm。負(fù)彎矩區(qū)橋面板主要施工工藝為： ①預(yù)制底層C50混凝土橋面板，頂面鑿毛深度不小于6mm，并預(yù)留垂直方向鋼筋增強界面抗剪強度；②現(xiàn)場吊裝預(yù)制橋面板，并清除表層灰塵、碎屑等；③綁扎UHPC層對應(yīng)普通鋼筋，澆筑群釘槽口和10cm厚度UHPC。

圖3 主梁中支點斷面圖(單位： cm)

圖4 UHPC與普通混凝土結(jié)合區(qū)構(gòu)造詳圖(單位： cm)

表1 橋面板材料主要設(shè)計參數(shù)Table 1 Main design parameters of bridge deck materialsMPa材料立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值軸心抗壓強度設(shè)計值軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值軸心抗拉強度設(shè)計值彈性模量UHPC160160112 77 7.55.247 100C5050 32.422.42.651.8334 500

2.2.3負(fù)彎矩抗裂措施

橋面板的設(shè)計理念主要包括以下4類： ①按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，即不允許橋面板出現(xiàn)拉應(yīng)力，一般適用于對耐久性要求極高的環(huán)境；②按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，即允許橋面板出現(xiàn)拉應(yīng)力，但限制拉應(yīng)力的大??；③按B類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，即允許橋面板出現(xiàn)裂縫，但限制其裂縫寬度；④按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計，即允許橋面板出現(xiàn)裂縫，但限制其裂縫寬度。

有效解決鋼混組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩混凝土橋面板的開裂問題，主要從2個方向出發(fā)：①降低負(fù)彎矩內(nèi)力，即從“效應(yīng)”的層面減小效應(yīng)；②增強橋面板抗裂能力，即從“抗力”的層面增大抗力。調(diào)研國內(nèi)外鋼混組合梁研究成果及工程案例，針對負(fù)彎矩區(qū)常用的抗裂措施有：增強普通鋼筋配置、張拉預(yù)應(yīng)力鋼束、橋面板滯后結(jié)合、支點頂升法、中跨壓重法等[4-10]。

本橋結(jié)合技術(shù)特點和實際情況，同時滿足施工便捷、造價經(jīng)濟(jì)的要求，按限制裂縫寬度的方法設(shè)計，采用如下措施達(dá)到控制負(fù)彎矩裂縫寬度的目的：①優(yōu)化橋面板施工順序：先施工正彎矩區(qū)段橋面板，然后施工負(fù)彎矩區(qū)段橋面板，降低恒載產(chǎn)生負(fù)彎矩效應(yīng)。②增強普通鋼筋配置：正彎矩區(qū)域橋面板縱向鋼筋采用直徑16mm的HRB400鋼筋，橫向間距12.5cm，在負(fù)彎矩區(qū)保證鋼筋間距不變的情況下，鋼筋直徑增大為25mm。③采用支點頂升法：安裝負(fù)彎矩區(qū)橋面板之前，對中支點支座進(jìn)行頂升，負(fù)彎矩區(qū)橋面板施工完成并達(dá)到強度后，對中支點支座進(jìn)行回落，可使負(fù)彎矩區(qū)混凝土形成預(yù)壓效果。支點頂升法簡單易行、效果明顯，能有效降低橋面板開裂風(fēng)險，關(guān)鍵在于頂升位移量的確定。位移量太大會造成鋼梁上翼緣拉應(yīng)力超標(biāo)，位移量太小則達(dá)不到抗裂效果。本橋綜合考慮鋼梁與橋面板的應(yīng)力水平，頂升位移量取40cm，約為主跨跨徑的1/200。④負(fù)彎矩區(qū)段橋面板混凝土采用分層設(shè)計，即在負(fù)彎矩區(qū)段頂層10cm厚度范圍內(nèi)采用超高性能混凝土(UHPC)，其余采用普通混凝土(NC)，權(quán)衡考慮降低開裂風(fēng)險和造價經(jīng)濟(jì)。

2.3 施工要點

鋼梁和NC橋面板均為預(yù)制構(gòu)件，通過吊裝設(shè)備現(xiàn)場安裝，負(fù)彎矩區(qū)UHPC采用現(xiàn)場澆筑。上部結(jié)構(gòu)主要施工流程見圖5。

圖5 施工工序圖

3 鋼-UHPC-NC組合梁受力分析

3.1 有限元模型

組合梁施工過程經(jīng)歷了純鋼梁受力階段和組合梁受力階段，結(jié)構(gòu)體系、荷載作用也多有變化，因此，采用Midas Civil軟件建立考慮施工過程梁格模型，鋼梁和橋面板均采用梁單元模擬，采用彈性連接中的剛性連接模擬鋼梁與橋面板連接件作用，不考慮兩者之間相對滑移。全橋共劃分成2118個節(jié)點和2442個單元，計算模型見圖6。計算模型模擬施工過程按照圖5所示施工工序，其中支點頂升和回落工序采用“支座強制位移”方法進(jìn)行考慮。

圖6 有限元計算模型

計算考慮的荷載及作用如下：①恒載：鋼材容重按78.5kN/m3計；普通鋼筋混凝土容重按28kN/m3計；UHPC容重按30kN/m3計；瀝青混凝土容重按24kN/m3計；防撞護(hù)欄按單側(cè)12kN/m計。②收縮徐變：混凝土的收縮徐變作用為10 a。③支座沉降：按1cm計。④汽車荷載：公路-Ⅰ級，單幅3車道。⑤溫度作用：整體溫度按±30℃考慮；梯度升溫為14℃～5.5℃，梯度降溫為-7℃～-2.75℃。

3.2 鋼梁計算結(jié)果與分析

3.2.1施工階段效應(yīng)分析

施工過程各步驟鋼梁上緣、下緣應(yīng)力見圖7和圖8(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，下同)。鋼梁的應(yīng)力變化主要呈現(xiàn)如下規(guī)律：①中跨跨中鋼梁下緣首先處于受壓狀態(tài)，步驟2安裝跨中橋面板后壓應(yīng)力進(jìn)一步增加，步驟3拆除跨中臨時墩后由于結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，下緣轉(zhuǎn)換為受拉狀態(tài)，步驟4中支點頂升后，拉應(yīng)力明顯降低，步驟7中支點回落后，拉應(yīng)力又明顯增加；②邊跨跨中鋼梁上緣首先處于受壓狀態(tài)，步驟1～步驟4過程中，壓應(yīng)力逐漸減小并轉(zhuǎn)換為受拉狀態(tài)，步驟4～步驟8過程中，拉應(yīng)力逐漸減小并轉(zhuǎn)換為受壓狀態(tài)；③中支點鋼梁上緣首先處于受拉狀態(tài)，步驟1～步驟6過程中，拉應(yīng)力不斷增加并在步驟6達(dá)到峰值148MPa，步驟6～步驟8過程中，拉應(yīng)力略有降低。整個施工階段鋼梁最大拉應(yīng)力為148MPa，最大壓應(yīng)力為-124MPa，均小于Q345qD鋼材強度設(shè)計值260MPa，結(jié)構(gòu)受力安全。

圖7 施工階段鋼梁上緣應(yīng)力

圖8 施工階段鋼梁下緣應(yīng)力

3.2.2運營階段效應(yīng)分析

運營階段基本組合鋼梁上緣及下緣應(yīng)力見圖9和圖10。鋼梁上緣最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中支點截面，數(shù)值為193MPa；鋼梁上緣最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在跨中截面，數(shù)值為-115MPa；鋼梁下緣最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在跨中截面，數(shù)值為175MPa；鋼梁下緣最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中支點截面，數(shù)值為-178MPa。鋼梁各部位應(yīng)力均小于Q345qD鋼材強度設(shè)計值260 MPa，結(jié)構(gòu)受力安全。

圖9 基本組合鋼梁上緣應(yīng)力

圖10 基本組合鋼梁下緣應(yīng)力

3.3 橋面板計算結(jié)果與分析

3.3.1運營階段效應(yīng)分析

運營階段的作用主要包括汽車荷載、溫度作用、支座沉降等(不包括恒載、收縮徐變)，這些作用對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)與施工過程是否采用了相關(guān)抗裂措施無關(guān)，完全由結(jié)構(gòu)體系本身決定。運營階段各項荷載對主跨80 m鋼混組合梁橋面板各部位產(chǎn)生的應(yīng)力見表2。在中支點位置，由作用頻遇組合產(chǎn)生的橋面板拉應(yīng)力為5.04 MPa，該應(yīng)力本身已經(jīng)足夠引起橋面板開裂，尚未考慮結(jié)構(gòu)自重、收縮、徐變引起的拉應(yīng)力，因此必須在施工階段采取降低橋面板拉應(yīng)力的措施，降低開裂風(fēng)險。

3.3.2施工階段效應(yīng)分析

如前文所述，通過合理優(yōu)化橋面板的施工順序并采用支點頂升法改善負(fù)彎矩區(qū)橋面板受力，橋面板無滯后結(jié)合、橋面板滯后結(jié)合的計算結(jié)果見表3，采用支點頂升法計算結(jié)果見表4?？梢钥闯?，通過調(diào)整橋面板的施工順序可以有效降低橋面板拉應(yīng)力，中支點位置橋面板拉應(yīng)力可降低1.86 MPa。支點頂升法效果更為明顯，中支點位置橋面板拉應(yīng)力可降低3.98 MPa，其他部位的拉應(yīng)力均較大幅度降低。

3.3.3橋面板抗裂驗算

運營階段作用頻遇組合下橋面板應(yīng)力計算結(jié)果見圖11，橋面板采用超高性能混凝土(UHPC)的區(qū)段頂緣最大拉應(yīng)力為4.58 MPa，小于UHPC軸心抗拉強度設(shè)計值5.2 MPa，滿足抗裂要求；橋面板采用普通混凝土(NC)的區(qū)段頂緣最大拉應(yīng)力為2.72 MPa，根據(jù)鋼筋配置情況計算橋面板最大裂縫寬度為0.07 mm，小于規(guī)范限值0.20 mm，滿足抗裂要求。

表2 運營階段橋面板應(yīng)力計算結(jié)果Table 2 Calculation results of bridge deck stress during operationMPa類別汽車荷載整體升溫整體降溫梯度升溫梯度降溫支座沉降標(biāo)準(zhǔn)組合頻遇組合邊跨跨中1.220.77-0.34-3.251.630.414.033.34邊跨四分點1.610.99-0.41-3.531.770.544.914.07中支點2.341.24-0.56-3.841.920.636.135.04中跨四分點0.761.17-0.34-3.751.880.364.173.57中跨跨中0.541.13-0.35-3.701.850.163.683.15

表3 橋面板滯后結(jié)合計算結(jié)果分析Table 3 Analysis of calculation results of bridge deck hysteresis combination MPa部位橋面板無滯后結(jié)合橋面板有滯后結(jié)合恒荷載徐變二次收縮二次成橋合計恒荷載徐變二次收縮二次成橋合計實施效果(成橋合計)邊跨跨中1.35-0.531.472.29-0.35-0.061.471.06-1.23邊跨四分點2.96-1.021.923.860.62-0.341.922.20-1.66中支點4.71-1.752.425.381.93-0.842.423.52-1.86中跨四分點-1.98-0.162.280.14-2.550.252.28-0.02-0.16中跨跨中-7.260.842.19-4.23-8.901.422.19-5.28-1.05 說明: “實施效果”一列數(shù)據(jù)為第二種方法的數(shù)據(jù)減去第一種方法的數(shù)據(jù)之差,表4同理。

表4 支點頂升法計算結(jié)果分析Table 4 Analysis of calculation results of pivot lifting method MPa部位未采用支點頂升法采用支點頂升法恒荷載徐變二次收縮二次成橋合計恒荷載徐變二次收縮二次成橋合計實施效果(成橋合計)邊跨跨中-0.35-0.061.471.06-4.121.081.47-1.58-2.64邊跨四分點0.62-0.341.922.20-4.581.311.92-1.35-3.55中支點1.93-0.842.423.52-4.221.342.42-0.46-3.98中跨四分點-2.550.252.28-0.02-5.451.662.28-1.51-1.49中跨跨中-8.901.422.19-5.28-11.602.732.19-6.68-1.40

圖11 頻遇組合橋面板應(yīng)力計算結(jié)果

4 結(jié)語

鋼混組合連續(xù)梁橋中支點負(fù)彎矩區(qū)的設(shè)計和施工，一直以來是組合結(jié)構(gòu)工程實踐中的關(guān)鍵問題。為提高組合梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂性能，本文提出一種鋼-UHPC-NC組合梁結(jié)構(gòu)形式，即在傳統(tǒng)鋼混組合梁的基礎(chǔ)上，負(fù)彎矩區(qū)域采用薄層超高性能混凝土(UHPC)替代部分普通混凝土(NC)。以主跨80 m鋼混組合梁橋為背景，介紹了鋼-UHPC-NC組合梁的構(gòu)造特征，并借助有限元軟件對該橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，重點分析了鋼梁和橋面板在施工階段和運營階段的受力性能，主要得出如下結(jié)論：

a.施工階段鋼梁最大拉應(yīng)力為148 MPa，最大壓應(yīng)力為-124 MPa，均小于Q345qD鋼材強度設(shè)計值260 MPa，結(jié)構(gòu)受力安全。

b.運營階段鋼梁最大拉應(yīng)力為193 MPa，最大壓應(yīng)力為-178 MPa，均小于Q345qD鋼材強度設(shè)計值260 MPa，結(jié)構(gòu)受力安全。

c.通過調(diào)整橋面板的施工順序，中支點位置橋面板拉應(yīng)力可降低1.86 MPa；采用支點頂升法(位移量40 cm，約為主跨跨徑的1/200)，中支點位置橋面板拉應(yīng)力可降低3.98 MPa。

d.鋼-UHPC-NC組合梁橋面板采用超高性能混凝土(UHPC)的區(qū)段頂緣最大拉應(yīng)力為4.58 MPa，小于UHPC軸心抗拉強度設(shè)計值5.2 MPa，滿足抗裂要求；橋面板采用普通混凝土(NC)的區(qū)段頂緣最大拉應(yīng)力為2.72 MPa，最大裂縫寬度為0.07 mm，小于規(guī)范限值0.20 mm，滿足抗裂要求。

e.采用鋼-UHPC-NC組合梁，并結(jié)合采用其他抗裂措施，可以有效解決大跨徑鋼混組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)橋面板開裂問題，本文研究成果可為后續(xù)類似工程提供參考。