全组合连续梁设计关键技术

2019-12-05吴志勇

铁道建筑 2019年11期

吴志勇

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200431）

钢混组合梁在服役过程中其负弯矩区混凝土桥面板在拉应力作用下会产生裂缝，后期维护费用较高，这个问题一直困扰着国内外桥梁工程界。目前设计主要依靠在负弯矩区施加预应力或采用预加荷载法、支点位移法等予以缓解，但成桥状态的内力仍主要取决于施工阶段的控制水平，对施工技术要求较高，且造价较高。欧美、日本等在钢混组合连续梁工程实践中也普遍出现了这个问题。另外，常规钢混组合梁的单位用钢量一般在220 kg/m2以上，且施工混凝土桥面板时需设临时支撑，大大增加了施工成本，没有发挥组合梁的优势。

针对上述2 个问题，本文提出全组合连续梁的概念，并通过预制装配式工艺将传统的“两阶段受力”［1-2］工况调整为“一阶段受力”工况进行施工，为解决负弯矩区混凝土受拉开裂和用钢量较大的问题提供一种新方案。

1 全组合连续梁的特点

钢混组合连续梁是将上层连续的混凝土桥面板通过剪力钉和钢梁联结在一起形成组合截面共同受力，负弯矩区不仅承受自重、活载的作用，还承受温度、混凝土收缩徐变产生的次内力作用，受力较为复杂。负弯矩区混凝土桥面板在拉应力作用下开裂后，正负弯矩区的刚度会产生较大差异，并导致内力和变形的计算误差过大，同时会影响结构的耐久性［3］。另外，为了加强负弯矩区受压钢梁底板的局部稳定性，常采用“双结合”技术在钢梁底板铺设一层无收缩混凝土。

连续组合梁相对于简支组合梁，具有以下优点［4］：

1）减少了支座和伸缩缝的数量，避免了伸缩缝处钢梁锈蚀，降低了养护成本；

2）具有更大的超载能力，内力重分配作用明显；

3）刚度较大，高跨比较小；

4）跨径超过15 m 后，单位用钢量较小，具有一定的经济性。

随着桥梁工业化建造技术的推进，预制装配式理念也在不断冲击钢混组合梁的应用市场，“两阶段受力”现浇桥面板组合梁的优势日益不明显。业内在钢混组合梁快速化、标准化、机械化方面也有了一些探索和尝试，如长沙湘府路3×30 m钢板组合连续梁采用叠合桥面板，但没有解决负弯矩区的问题。

不同于传统的钢混组合连续梁，全组合连续梁是在正弯矩区采用混凝土顶板和钢梁通过剪力钉结合形成正组合截面，在负弯矩区采用钢梁顶板和通过剪力钉结合的钢混组合底板形成负组合截面，在零弯矩点附近将混凝土顶板和钢梁通过PBL 剪力键、剪力钉与预应力筋等连接构造形成混合桥面板，并保证钢梁受力是连续的。为了减小用钢量，钢梁可优先采用钢板梁，必要时可采用开口钢箱梁，其腹板采用波形钢腹板，跨中设置1道横隔板。

本文首次将混合桥面板应用于钢混组合连续梁，全组合连续梁具有以下优点：

1）充分发挥了钢材受拉和混凝土受压强度高的特性，从根本上解决了钢混组合连续梁长期没有解决负弯矩区混凝土桥面板受拉开裂的问题，也避免了设置预加力的繁琐工艺。

2）减小了混凝土桥面板收缩徐变的次内力和剪力钉的受力。

3）解决了桥面连续处桥面铺装易破坏的问题。

4）多主梁可采用工厂化分片预制，可将钢梁与混凝土桥面板在工厂内结合，分片吊装，形成“一阶段受力”，提高了预制装配化水平，大大减小了下部结构的规模。

5）施工简单，缩短了施工周期。

6）相邻2 片组合梁间少横隔梁或无横梁，采用波形钢腹板可提高抗剪扭性能，节省用钢量。

图1 全组合连续梁构造设计（单位：cm）

2 结构设计计算

2.1 结构设计

本文以桥宽25.7m、一联3×30 m 钢混连续组合梁为研究对象，将混合桥面板应用于钢混组合连续梁，其构造设计见图1。连续梁梁高1.4 m，钢梁高1.1 m，桥面板标准厚度为20 cm，承托处厚度为30 cm；相邻2片组合梁通过现浇湿接缝或叠合湿接缝连接。零弯矩点附近距离中支点5.75 m 处在正弯矩区设置混合桥面板混合段连接构造，包括PBL 剪力键和承压板上剪力钉，并采用预应力筋施加预应力进行锚固。相邻混合点之间负弯矩区上层为钢桥面板，钢梁底板通过剪力钉与20 cm 厚钢筋混凝土进行叠合，从而形成负组合截面；正弯矩区钢梁上翼缘板应通长设置。中间支座处设置3 道中支点横隔板，并采用折线分段线对钢梁进行分段，以便后期对接施焊。一联钢混连续组合梁单位用钢量约170 kg/m2。

施工时采用工厂化分片预制架设，中支点永久支座直接安装于中跨梁端牛腿底部，钢梁对接施焊后，再浇筑负组合截面的下部底板叠合混凝土。钢桥面板顶部与现浇整平层平齐。

2.2 受力机理

由于钢主梁是连续的，车轮荷载作用于混合桥面板上第一体系主梁的传力路径并没有发生改变；第二体系正弯矩区混凝土桥面板应按单向板传力路径分析，负弯矩区钢桥面板应按正交异性桥面板传力路径分析。传力路径的变化主要发生在第一体系主梁的上层纵向纤维上，即由常规的上层混凝土桥面板转变为上层混合桥面板，上层纵向纤维传力变化位置在混合段。

桥面板混合段位于全组合连续梁零弯矩点附近，靠近正弯矩区。桥面板受压有利于混合段连接构造不发生疲劳破坏。不同于正弯矩区正组合截面的受力行为，负弯矩区负组合截面上翼缘钢桥面板受拉伸长，下翼缘钢混组合底板受压变短，截面受力行为的分界点在零弯矩点附近。

从剪力钉受力情况来看，在传统的“两阶段受力”工况下，钢梁在混凝土湿重作用下发生下挠，剪力钉并不承受混凝土桥面板自重产生的剪力；而“一阶段受力”工况下组合梁下挠，剪力钉需承受自重作用下结合面处的剪力，但由于组合梁截面刚度较大，且桥面板不连续，剪力钉承受的剪力会有所抵消。

2.3 计算分析

采用MIDAS/Civil 2018对一联3×30 m全组合连续梁和普通钢混连续组合梁进行了对比分析计算。计算结果表明：一阶段受力钢梁的上下翼缘正应力较二阶段受力减小约100 MPa；静活载跨中挠度与普通钢混连续组合梁接近，挠跨比为1/1200，受力指标满足规范要求。

3 设计关键技术

3.1 混合桥面板

国内相关规范关于混合桥面板连接构造形式已有规定［5］。混合桥面板的设计关键在于混合段连接构造，其主要包括承压板、预应力筋、过渡加劲板和抗剪连接件，见图2。承压板作为混凝土桥面板和钢桥面板的分界，一方面要利用过渡加劲板传力给钢桥面板的加劲肋，另一方面要利用预应力筋和抗剪连接件均匀传力给混凝土桥面板。为了保证钢梁的整体稳定和刚度过渡，必须在承压板处设置横隔板，这是关键构造。另外，为了保证混凝土桥面板在承压板处的钢筋受力连续，钢筋应焊接于承压板上，并避开抗剪连接件。

图2 混合点连接构造

3.2 工厂预制与架设

长期以来，组合梁的预制装配化没有得到重视，原因是钢结构加工和混凝土浇筑分属不同的工种，管理不协调。钢梁分段加工、运输至现场就位于临时支撑上拼装，这个工艺在机械设备落后的情况下有其合理性。但是随着机械设备的提升和EPC 总承包模式的推进，钢梁分段加工、运输至梁场拼装，浇筑混凝土桥面板，整体吊装或架设施工，符合快速化施工理念，已经得到不断推广。全组合连续梁通过工厂预制、分片运输架设的工艺，可以大大提高预制装配化水平。

“一阶段受力”要求桥面板在工厂内浇筑，在显著提高施工质量、保证预制精度的同时，单片组合梁的重量仍低于目前平均吊重，对于实现快速化、标准化、机械化和装配化是有意义的。

工厂内完成混合桥面板的混凝土浇筑和连接构造是比较容易的，重点在于预制台座。预制台座的预拱度应与组合梁截面的“一阶段受力”预拱度一致，以保证在钢梁上浇筑混凝土不能引起钢梁的变形，否则就会出现“两阶段受力”问题。

中支点钢梁的分段切口应充分考虑组合梁的预拱度，在组合梁支座就位后，切口应满足成桥线形要求。在组合梁吊装前，应通过模拟支座就位后的情况判断邻近钢梁切口是否纵向匹配。如不匹配，应在吊装前进行配切，以保证组合梁就位后的对接精度，从而保证顺利对接拼焊［6-7］。

当“一阶段受力”施工确实困难时，可在钢梁现场节段拼接后，采用集束式剪力钉的预制桥面板［8］进行组合，以保证施工进度。

3.3 叠合湿接缝

叠合湿接缝可以满足全组合连续梁快速化施工的要求，并满足受力要求。在混凝土桥面板工厂预制时，叠合湿接缝宽度采用30 cm窄湿接缝，预留7 cm的悬出小牛腿和1 cm 纵向梁缝，通过翼缘板和小牛腿伸出的钢筋可实现湿接缝钢筋的绑扎，并与整平层钢筋网绑扎固定，再与整平层混凝土一同浇筑。先浇筑湿接缝处混凝土，再均匀浇筑桥面板处整平层，形成整体受力。叠合湿接缝构造见图3。需要强调的是，1 cm 纵向梁缝设计考虑的是混凝土施工误差，而在施工过程中可按无梁缝进行预制安装，浇筑梁缝混凝土时可将梁缝填塞。