王振平 張夢源 沈理斌

關(guān)鍵詞： 負(fù)彎矩 受力 剪力鍵 裂縫控制

中圖分類號： U441+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2024）01-0130-06

鋼-混凝土組合梁是通過抗剪連接件將鋼梁和混凝土板連成整體的橫向承重構(gòu)件。組合梁截面充分發(fā)揮材料特性，其中混凝土受壓，鋼梁受拉，承載力提高，在承載力相同時(shí)，比非組合梁節(jié)約鋼材約15%～25%，減小截面高度20% 以上。但使用過程中，鋼-混凝土連續(xù)組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土板受拉過早地出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重影響支座截面的強(qiáng)度、剛度。在裂縫開裂時(shí)將直接導(dǎo)致負(fù)彎矩區(qū)鋼筋銹蝕，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力超過正常使用狀態(tài)。因此，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硖岣哓?fù)彎矩區(qū)混凝土板的抗裂性能［1］。

1 組合梁負(fù)彎矩區(qū)受力特點(diǎn)

1.1 截面受力特點(diǎn)

處于負(fù)彎矩區(qū)的組合梁則使鋼材處于受壓狀態(tài)和使混凝土處于受拉狀態(tài)，這恰好體現(xiàn)兩種材料各自不利的材料行為。對于連續(xù)組合梁橋，混凝土板開裂將引起結(jié)構(gòu)剛度下降、承載能力降低。外界環(huán)境中的水和有害物質(zhì)侵入混凝土裂縫后，將加快混凝土板內(nèi)鋼筋和鋼梁銹蝕，造成結(jié)構(gòu)耐久性顯著降低，按照截面分力法，力偶N_s·d 與彎矩M_s的比例由拉伸剛度及其鋼梁彎曲剛度決定［2］。將狀態(tài)Ⅰ設(shè)為橋面板完好無損，狀態(tài)Ⅱ設(shè)為橋面板完全損壞，具體如圖1 所示。

當(dāng)橋面板的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度后，力偶N_s·d 逐漸減少，彎矩M_s逐漸增大。力偶的力臂d 不變，橋面板上的軸力Ns不斷變化，因而把連續(xù)組合梁負(fù)彎矩區(qū)的橋面板當(dāng)作是中心受拉的鋼筋混凝土拉伸構(gòu)件探討其力學(xué)性能。

1.2 拉伸性能

按照拉伸變形過程，軸力N 與應(yīng)變的關(guān)系分成3個(gè)階段，具體如圖2 所示。

階段一：混凝土未產(chǎn)生裂縫，即處于狀態(tài)Ⅰ，這時(shí)基本上可以按照彈性理論計(jì)算。

階段二：粘結(jié)區(qū)間l_b內(nèi)，伴隨著混凝土的作用力向鋼筋的轉(zhuǎn)移，兩者間產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力τ_b與滑移變形s，裂縫寬度為w=2s，應(yīng)力分布如圖3 所示。應(yīng)力處于圖3階段軸力基本不變，當(dāng)應(yīng)變增大時(shí)新的裂縫逐漸產(chǎn)生。我們稱該階段為初期裂縫階段，其裂縫間距不會超過2l_b。

階段三：初期裂縫基本上穩(wěn)定后，如軸力增大，將產(chǎn)生新的裂縫，如圖4 所示。隨著裂縫寬度逐漸變大，最終導(dǎo)致完全裂縫階段。此時(shí)的狀態(tài)稱為完全開裂狀態(tài)，曲率x快速增長。

設(shè)計(jì)上一般把軸力N 與應(yīng)變b 的關(guān)系對應(yīng)于上述的3 階段，用3 折線來表示，其某段構(gòu)件發(fā)生的平均應(yīng)變，也是鋼筋的平均應(yīng)變ε_sm就可以用下式求出。

ε_sm= ε - Δε （1）

式（1）中，ε的理想狀態(tài)為H/d ≥5.5。

1.3 負(fù)彎矩區(qū)的彎曲性能

組合梁負(fù)彎矩區(qū)軸力N 與應(yīng)變的關(guān)系，其裂縫過程如圖5 所示。它與鋼筋混凝土拉伸構(gòu)件的軸力N 與應(yīng)變的關(guān)系相對應(yīng)，其彎曲變形過程可以看成3 個(gè)階段［3］。

荷載組合下的構(gòu)件截面力及變形需進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，這時(shí)要考慮的荷載有鋼梁架設(shè)、澆筑混凝土橋面板、死荷載與活荷載作用、溫差、徐變及其收縮變形等。如果采用在活荷載作用下允許橋面板負(fù)彎矩區(qū)裂縫發(fā)生的設(shè)計(jì)方法，橋面板在橋墩上的剛度（EI）_eff是隨著荷載不斷變化（見圖6）。依據(jù)前述的彎矩與曲率關(guān)系，采用逐漸迭代的計(jì)算方法能夠求出各裂縫階段的截面力。采用對應(yīng)于狀態(tài)Ⅱ的截面剛度（EI）_Ⅱ，其他區(qū)間采用對應(yīng)于狀態(tài)Ⅰ的截面剛度（EI）_Ⅰ（見圖7）。截面剛度（EI）_Ⅰ、（EI）_Ⅱ是分別假定混凝土橋面板全截面有效與僅鋼筋有效兩種情況下與鋼梁的組合剛度。兩跨連續(xù)梁在發(fā)生裂縫后，負(fù)彎矩區(qū)的彎矩隨著剛度的變化狀態(tài)，即內(nèi)力重分配（見圖8）。由此可以看出，對于通常的（EI）_Ⅱ/（EI）_Ⅰ=0.4～0.6，彎矩重分配的大小約為15%～30%。計(jì)算出連續(xù)組合梁的內(nèi)力，進(jìn)行截面強(qiáng)度等驗(yàn)算，然后通過規(guī)定橋面板的最小配筋量、最大主筋的間距、限制主筋直徑等控制裂縫的發(fā)生或?qū)挾取?/p>

2 負(fù)彎矩區(qū)裂縫控制措施

組合梁橋裂縫控制方法通常有施加作用、釋放作用、加強(qiáng)抗力3 種措施。施加作用措施包括支點(diǎn)升降法，預(yù)加靜載，鋼梁預(yù)彎，張拉高強(qiáng)鋼筋等［4］；釋放作用措施包括設(shè)置接縫、減弱連接剛度和預(yù)制混凝土板等。加強(qiáng)抗力措施包括加強(qiáng)連接件剛度、墩梁固結(jié)和設(shè)置支點(diǎn)橫梁等［5］。

2.1 施加作用措施

2.1.1 支點(diǎn)升降法

支點(diǎn)升降法是通過改善結(jié)合梁內(nèi)力，加強(qiáng)混凝土板和鋼梁結(jié)合的有效方法。在鋼梁架設(shè)后，位于中間支點(diǎn)鋼梁頂升，澆筑的混凝土橋面板達(dá)到強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)周期后，降下抬升的支點(diǎn)，如圖9 所示。

2.1.2 預(yù)加靜載法

架設(shè)鋼梁完成后即澆搗混凝土，受壓區(qū)達(dá)到整體強(qiáng)度后預(yù)加靜荷載。在靜荷載狀態(tài)下，待其硬化后去除預(yù)加荷載，從而在受拉區(qū)混凝土中得到希望的預(yù)應(yīng)力。

預(yù)加靜荷載嚴(yán)格按規(guī)定執(zhí)行，將壓重加在結(jié)構(gòu)上并控制壓重?cái)?shù)值，需要間斷地鋪設(shè)橋面，給施工帶來極大的不方便，工作量相當(dāng)大。

2.1.3 鋼梁預(yù)彎法

鋼梁預(yù)彎法是采用反向加力方式向上預(yù)彎，澆筑的混凝土達(dá)到強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)周期后，從而對混凝土施加預(yù)壓力，具體如圖10 所示，這種施加預(yù)應(yīng)力的方法要求組合梁段完全預(yù)制，然后整體吊裝，對吊裝要求很高，并且梁段間的結(jié)合難度較大。

2.1.4 張拉高強(qiáng)鋼筋

對混凝土橋面板施加預(yù)應(yīng)力應(yīng)在橋面板與鋼梁組合前施加，具體如圖11 所示。該組合前施工可分為兩種方法：一是混凝土板與鋼梁分離，施加預(yù)應(yīng)力后，待收縮徐變發(fā)展一段時(shí)間后再與鋼梁組合，這種方法的預(yù)應(yīng)力施加效率很高，但消耗時(shí)間過長；二是混凝土板張拉完成后即與鋼梁組合，隨后一起發(fā)生變形對混凝土橋面板施加預(yù)應(yīng)力采用預(yù)應(yīng)力在橋面板與鋼梁組合后施加，是對整體施加預(yù)應(yīng)力，沿整個(gè)橋長架設(shè)鋼梁后鋪設(shè)混凝土板，使兩者結(jié)合在一起，并張拉高強(qiáng)鋼筋，完成后進(jìn)行管道壓漿，該方法對混凝土徐變的預(yù)應(yīng)力損失較大，并且負(fù)彎矩區(qū)段破損翻修困難。

2.1.5 鋼梁熱處理法

鋼梁加熱法，即利用鋼梁受熱膨脹和冷卻收縮比混凝土大的特性對混凝土施加預(yù)應(yīng)力的施工方法。該方法的施工工序?yàn)椋杭茉O(shè)鋼梁→加熱均勻并維持溫度→澆筑混凝土板→維持加熱不變→拆除加熱，冷卻至常溫。通過連續(xù)梁試驗(yàn)，80 ℃時(shí)，連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)施加約4.8 MPa 壓應(yīng)力儲備，70 ℃時(shí)，施加壓應(yīng)力儲備為3.8MPa，6 個(gè)月后損失28%，預(yù)計(jì)長期損失最終為56%，和絕大多數(shù)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)差不多，在可以接受的范圍內(nèi)，該方法可行，鋼梁的具體加熱施工步驟如圖12所示。

2.2 釋放作用措施

2.2.1 接縫設(shè)置

在負(fù)彎矩區(qū)設(shè)置接縫，負(fù)彎矩區(qū)的混凝土板分段設(shè)置板塊，避免混凝土板和鋼梁之間剪切位移的積累和結(jié)構(gòu)的破壞，也可在中間支座的上方直接做一個(gè)橫向接縫以保證臨近接縫的混凝土板段可沿鋼梁自由滑動(dòng)，具體如圖13 所示。

2.2.2 預(yù)制混凝土橋面板

鋼梁架設(shè)完成后，進(jìn)行拼裝預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土板，預(yù)應(yīng)力在澆筑剪力鍵預(yù)留孔后再施加預(yù)應(yīng)力?？紤]該結(jié)構(gòu)在接縫部位仍十分薄弱，很容易產(chǎn)生裂縫，須加強(qiáng)監(jiān)測記錄。

2.2.3 減弱連接剛度

在負(fù)彎矩區(qū)內(nèi)布置剪力鍵時(shí)，會導(dǎo)致中間支點(diǎn)的鋼筋拉應(yīng)力增大，而采用柔性剪力鍵可以有效地減小拉應(yīng)力。因此，負(fù)彎矩區(qū)采用柔性剪力鍵對橋梁整體剛度有一定影響，使橋梁截面剛度減小，結(jié)構(gòu)的撓度增大。

2.3 抗力加強(qiáng)方法

2.3.1 墩梁固結(jié)

墩梁固結(jié)是指在連續(xù)梁橋中，橋墩和梁固結(jié)為一體。這樣，荷載產(chǎn)生的中支座處負(fù)彎矩將會減小，有利于改善負(fù)彎矩處混凝土板受力。而墩梁固結(jié)中，結(jié)合部的技術(shù)特點(diǎn)是關(guān)鍵，合理的結(jié)合方式，使主梁的力能順利傳遞到橋墩上，提高墩梁固結(jié)的有效性。

2.3.2 設(shè)置支點(diǎn)橫梁

對于中小跨徑橋梁，在歐洲較為常見的一種做法是在支點(diǎn)處鋼梁斷開，鋼梁直接插入支點(diǎn)混凝土橫梁，具體如圖14 所示。

主梁采用焊接或者軋制鋼截面，全部在工廠中制作加工。鋼筋混凝土橋面板可以在工廠預(yù)制也可以現(xiàn)澆。橫梁只設(shè)置在支點(diǎn)處，并且采用普通鋼筋混凝土橫梁。施工時(shí)先澆筑跨中段混凝土橋面板，后澆筑支承橫梁和支點(diǎn)處混凝土橋面板。這種簡易的施工方法避免了現(xiàn)場施焊。

2.3.3 加強(qiáng)連接件剛度

就負(fù)彎矩區(qū)構(gòu)造而言，在鋼梁上翼緣加厚和焊接加勁板，可以較好地防止組合梁截面形心上移，并減小距離，施工過程中，加勁板焊于上翼緣后還需要與混凝土板有效的連接［6］。

3 結(jié)語

通過對組合梁負(fù)彎矩區(qū)截面受力特點(diǎn)進(jìn)行了理論分析，把傳統(tǒng)負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板裂縫控制措施分為施加作用、釋放作用、加強(qiáng)抗力三類；通過負(fù)彎矩區(qū)模型試驗(yàn)，研究鋼-混凝土組合截面的非線性受力性能得到以下結(jié)論。

（1）組合梁試件從開始加載到最終破壞，主要經(jīng)過3 個(gè)受力階段：①彈性階段，混凝土板尚未開裂，混凝土和鋼筋應(yīng)力均可按彈性理論求解；②帶裂縫工作階段，部分混凝土開裂而退出工作，鋼筋應(yīng)力顯著增加直至屈服；③破壞階段，鋼筋屈服后，完全由鋼梁承擔(dān)荷載增量，最終鋼梁屈曲，結(jié)構(gòu)失效。

（2）經(jīng)多次研究和試驗(yàn)，組合梁混凝土板裂縫在加載點(diǎn)現(xiàn)行出現(xiàn)，通過橫向?qū)捳关灤?，隨著裂縫數(shù)量增多，其寬度明顯增大，最后導(dǎo)致裂縫向縱深發(fā)展。

（3）焊釘連接件應(yīng)變測試結(jié)果說明兩個(gè)模型試件的結(jié)合性能良好，可以確保組合梁在設(shè)計(jì)荷載下的正常使用。并且在試驗(yàn)梁破壞狀態(tài)下，連接件仍然處于較低的應(yīng)力水平。