中小跨径钢混组合连续梁桥负弯矩区桥面板设计分析

2021-03-22宗金东周孙基

福建交通科技 2021年2期

宗金东周孙基刘婧

（1.湖北省交通规划设计院股份有限公司，武汉 430051；2.奥来国信（北京）检测技术有限责任公司，北京 101138）

钢混组合梁桥，以混凝土桥面板和钢结构主梁，通过剪力键连接在一起共同承受荷载的一种桥梁结构型式。其采用混凝土桥面板避免了钢桥面板的疲劳耐久性破坏和铺装破坏，而钢结构主梁可充分发挥钢材的受拉特点，从而成为了一种强度高、刚度大、延性好的桥梁结构型式[1]。自20 世纪50 年代，组合梁桥在欧美和日本得到了广泛的应用，例如法国，在40～60 m 跨径的桥梁中，组合梁占比达到40%，而60～80 m 跨径桥梁中，组合梁占比达到80%以上，日本、德国和美国的应用也相当广泛。在我国，最近几十年，随着桥梁建设的不断发展，钢混组合梁因其合理性、耐久性、施工快捷等优越性能而越来越广泛应用于市政公路与普通公路建设中。

组合连续梁桥，在跨越能力、抗倾覆能力、经济性等方面明显优于简支桥，因此在组合梁桥中占据较大比例。但是，组合连续梁桥作为一种超静定结构，在各种作用下，其中支点附近会产生负弯矩，将钢筋混凝土桥面板置于受拉区，而钢梁下翼缘处于受压区，这样在负弯矩区域的组合梁就没有发挥混凝土和钢材的力学特性，其构件受力是不合理的[2]。在这种受力作用下，桥面板的极易开裂将导致组合梁刚度的降低及钢筋和钢梁的腐蚀，影响桥梁的工作性能和使用寿命。因此，中支座附近负弯矩区桥面板设计是钢混组合连续梁设计的一个关键问题。

1 负弯矩桥面板的抗裂设计方法

钢混组合连续梁负弯矩区混凝土桥面板上缘拉应力主要由以下几个方面造成：①混凝土的收缩徐变；②温度作用。包括结构整体升温—由于钢材与混凝土的热膨胀系数不同，钢梁拉扯混凝土，混凝土受拉；顶板的非线性降温—钢梁阻碍混凝土的收缩，混凝土受拉；③活载作用。在荷载作用下，中支点承受负弯矩，使混凝土受拉；④恒载作用。在竖向恒载作用下，中支点负弯矩区域混凝土受拉。

由以上分析可知中支点附近负弯矩区桥面板混凝土受拉主要由恒载、活载、温度等产生，对于中小跨径桥梁，这种混凝土拉应力可达到7 MPa 左右。若不采取有效设计措施，混凝土桥面板将会很容易开裂破坏。而桥梁的收缩徐变、温度及活载很难改变，要减小负弯矩，降低桥面板拉应力，唯有从恒载考虑。目前国内外采取的抗裂设计方法主要分为两类，一类是施加预应力法，另一类是强配筋法。

1.1 施加预应力法

该方法主要是通过一定措施，给负弯矩区桥面板施加一定的预压应力，从而抵消混凝土板的拉应力。主要措施如下：

（1）支座顶升法，又称为支座位移法。该方法是在浇筑负弯矩区域桥面板混凝土前，将连续梁的中支座顶升一定高度，提前给钢梁施加一定的负弯矩。然后在钢梁上浇筑混凝土桥面板，待混凝土桥面板达到设计强度，下降中支座至设计高度，使混凝土桥面板受压，这就相当于给桥面板施加了一个预压应力（图1）。这种方法可以部分或者全部抵消混凝土桥面板的拉应力，从而达到减小或者消除裂缝的作用。该方法施工较为方便，可结合其它措施一起使用，效果明显，在实际设计中应用较多[3]。

图1 支座顶升法示意图

（2）预加静载法。该方法是在钢梁施工完成后，先浇筑正弯矩混凝土，并在正弯矩区域施加一定的临时荷载，使负弯矩区域钢梁产生足够拉应力。然后在拉应力的状态施工负弯矩区域桥面板，待混凝土达到设计强度后，撤除正弯矩区域临时荷载（图2）。这样负弯矩区域桥面板拉应力将得到一定的抵消或者消除。该方案要求施工实时监控正弯矩压重状态，鉴于压重效应不易控制，工作量较大，施工不便，实际采用较少[3]。

图2 预加静载法示意图

（3）预应力钢束先结合法。该方法是通过在负弯矩区域桥面板布置纵向预应力钢束或钢筋，待浇筑完桥面板后达到一定强度，张拉预应力钢束，使混凝土桥面板产生足够的压应力，在各种荷载作用下混凝土桥面板均保持受压状态。由于混凝土与钢梁先结合共同作用，这种方法容易造成钢梁上翼缘及腹板在预应力作用下压应力增大，而施加在桥面板的预应力明显损失（图3）。聂建国[4]采用了抗拔不抗剪剪力连接件，通过“抗放结合”的理念，纵向释放剪力连接件的连接效应，竖向充分发挥剪力连接件的功能，从而避免了施加于混凝土桥面板的预应力对钢主梁的不利影响。采用抗拔不抗剪连接件的预应力钢束先结合法具有施工简便，经济合理的优点，在中大跨径桥梁得到了一定应用。

图3 抗拔不抗剪预应力先结合法示意图

（4）预应力钢束后结合法。该方法是为了避免先结合法中桥面板施加的预应力对钢梁产生不利影响，将桥面板张拉预应力后，再与钢主梁结合的方法。设计一般将剪力钉间隔群钉布置，桥面板在群钉处预留后浇槽，施加完预应力后，再浇筑后浇槽结合桥面板和钢主梁。该方法主要受限于槽口的尺寸与群钉数量，桥面板和钢主梁的结合面耐久性不能保证，并且后期预应力损失也较大[5]。此方法在小跨径桥梁可以采用，中大跨径桥梁须与其他方法综合运用。

1.2 高配筋率法

该方法又称为限制混凝土裂缝宽度法。即按照普通钢筋混凝土构件设计桥面板，桥面板的设计准则由拉应力限制转变为裂缝宽度限制，通过较高的桥面板纵向钢筋配筋率将裂缝宽度控制在规范要求的范围内。由于在负弯矩区域不施加预应力，也无支座顶升等其他的施工要求，混凝土现场浇筑，施工非常方便，并且较高配筋可以一定程度提高截面刚度，所以是目前中小跨径组合连续梁桥中应用较为广泛的一种设计方法[6]。通常情况下，混凝土名义拉应力在6 MPa 以下，配筋率达到3%～5%，裂缝宽度可控制在0.15 mm 左右。

2 工程案例分析

武汉城市圈环线高速公路孝感北段G107 分离式立交桥，跨越G107，设计采用（30+45+30）m 钢混组合连续梁结构，桥梁主跨为45 m 箱型组合梁，钢主梁梁高170 cm，桥面板厚度25 cm。该项目杨寨东互通主线桥，跨越麻安高速，设计采用（42+60+36）m 钢混组合连续梁结构，桥梁主跨为60 m 箱型组合梁，钢主梁梁高210 cm，桥面板30 cm(图4)。

十堰至淅川高速公路丁家营枢纽互通B 匝桥，跨越福银高速，设计采用（36+54+36）m 组合连续梁结构跨越福银高速，桥梁主跨为54 m 箱型组合梁，钢主梁梁高210 cm，桥面板厚度30 cm。该项目丁家营枢纽互通C 匝桥，跨越福银高速，设计采用（45+70+45）m 组合连续梁结构跨越福银高速，桥梁主跨为70 m 箱型组合梁，钢主梁梁高270 cm，桥面板厚度30 cm。

图4 案例桥梁典型断面图

表1 负弯矩区混凝土桥面板轴力与拉应力

表2 负弯矩区混凝土桥面板配筋与裂缝宽度计算

设计对以上桥梁采用MIDAS2015 建立有限元模型进行分析，在钢主梁各项指标满足规范要求前提下，计算负弯矩区混凝土桥面板轴力与应力，见表1。

负弯矩区桥面板采用高配筋率法计算，见表2。

从表2 可以看出，45 m 与54 m 跨径组合梁桥，采用高配筋法，配筋率及配筋截面均较好，可以达到很好的抗裂计算要求。但是对于60 m 以上跨径，三层钢筋，配筋率达到4.9%～5.5%才能满足裂缝宽度要求，这对于截面配筋和施工将造成困难，并且三层钢筋发挥的抗裂作用也难以达到理想效果。在以上实例桥梁设计中，对于60 m 以下跨径采用高配筋法进行了桥面板设计，而大于60 m 的跨径桥梁，采用了抗拔不抗剪的预应力先结合法与普通钢筋组合进行抗裂设计。