桥梁设计中组合拼装钢混叠合梁的应用

2022-10-17徐聪

交通世界 2022年27期

徐聪

（华设设计集团股份有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

组合拼装钢混叠合梁是由混凝土桥面板、钢主梁共同形成截面受力，以有效发挥混凝土受压性能，提升钢梁的受弯性能，呈现良好耐久性、良好结构性能，施工难度较小，进度较快。因结构多样化的特点，可满足不同建设条件要求，有效简化桥梁施工程度，后期维修管理难度较低，在国内桥梁设计中得到了广泛运用。本文主要分析组合拼装钢混叠合梁在桥梁设计中的运用。

1 工程概况

某船闸桥全宽23.5m，全桥设计4 跨，桥塔属于钻石型混凝土索塔，高度为994m，主梁选择工字型钢纵梁，顺桥在人行道、行车道交会处的正下方，梁高为28m，横向中心距为255m。桥墩基础在导航墙后，设计选择现浇结构，因结构高度较大，路线纵断面存在较大抬高，与两侧引导不能顺接。若选择全钢箱梁设计，会使项目造价增加。通过综合比对，选择58m的钢混叠合梁结构，可在混凝土桥面板强度形成之前，减少钢主梁风险。

1.1 总体设计

利用钢筋+混凝土技术开展现场施工，与普通技术相比，具有较多的水平层面，每个层面需互相配合，方可保证施工工艺顺利开展。针对钢混叠合梁组合拼装，对工序进行调整，有效解决水域内搭设临时支撑的难题，运用桥尾处的水运优势，结合大型浮吊吊装方式，建立受力结构，通过整体浮运，实现整孔吊装，建立横向联系（如图1 所示）。针对本文所用的钢混叠合梁，在钢箱部分，选择开口断面小箱梁，钢筋混凝土构件作为桥面板。横梁顶板、钢箱上顶板可焊接剪力钉，在预制场地对桥面板进行混凝土整体浇筑，然后运输到现场吊装，在横向布置5片梁，设计梁间距为4.8cm。在完成吊装之后，对浇筑桥面板和横向连接部分，实现混凝土接缝。

图1 组合拼装钢混叠合梁总体设计（单位：cm）

1.2 结构设计

针对主梁截面，对于现浇预应力混凝土桥面板、开口钢箱梁，可使用抗剪连接器连接。针对叠合梁钢结构部分，进行钢梁全焊接。钢梁由主梁、加劲肋、横隔梁构成，因本桥桥跨选择混凝土预制小箱梁，为保证外观协调，钢混叠合梁可选择倒梯形钢箱。在横桥向设计5片钢箱，并设计中距4.8m，每片钢箱梁底宽为2.0m，设计桥面板厚度为0.3m，顶板板厚为25mm。针对底板、腹板上部，在钢梁上翼缘板顶面设计板肋，将钢筋混凝土桥面和剪力键连接成一个整体，其中剪力键选择180mm×23m 焊钉（如图2 所示）。主梁应在工厂进行焊接制作，保证接口焊接强度比母材强度大。同时，针对台架的纯钢断面，与桥面板进行绑扎，在箍筋、纵向钢筋完成绑扎之后，需按照实际状况进行科学处理。如果钢梁尺寸过大，加之柱纵筋数量较多，可切断处理纵筋，利用钢梁翼缘板，或钢筋连接器进行稳固连接，然后再进行混凝土浇筑。在该设计阶段，需确保台架的稳定性、支撑性良好。桥面板混凝土满足设计强度后，才能将台架吊离，并运输到施工现场进行吊装，再实施钢横梁连接，对横向湿接缝进行混凝土现浇，增加二期恒载，最终形成桥梁。

图2 钢混叠合梁中梁断面（单位：mm）

1.3 结构计算

1.3.1 基本假定

针对叠合梁设计，需选择弹性计算方式，使假定混凝土、钢材为最佳线弹性材料。针对承载力极限状态，对截面边缘应力进行计算，满足材料的设计强度。在本桥工程设计中，根据弹性方式，对叠合梁的抗弯承载力进行计算，主要包含如下假设：

（1）混凝土、钢材的线弹性材料较为理想，应变与应力是一种线性关系；

（2）叠合梁截面与平截面假定相符；

（3）忽略混凝土桥面板、钢梁的平行滑移，保证两者的连接牢固度。

1.3.2 计算结果

在本桥工程中，选择多主梁小断面的钢混叠合梁，在设计中，选择梁格法，构建桥梁结构模型。通过模型获取计算结果，确保抗剪、抗弯、应力满足施工规范。如表1所示。

表1 桥梁工程的持久状况应力验算

验算结果表明，钢混叠合梁具有良好受力性能，其结构刚度较强，具备良好的抗疲劳性。同时，混凝土桥面的受压状态、耐久性能良好。此外，混凝土收缩变形对梁体变形具有较大影响，特别是收缩附加变形。

1.4 桥梁设计难点

（1）构造设计。在组合桥梁结构设计中，为充分发挥结构性能，需保证混凝土与钢构件具备牢固、可靠的连接性能。传统钢筋混凝土结构，钢筋与混凝土可以轻易地充分结合。而钢混叠合梁的钢筋与混凝土上下分层，结构处于复杂应力状态下，应力大小以及有无滑移问题会影响结构受力的安全性。因此，连接件、剪力键如何设置成为其设计的关键。

（2）截面设计。针对不同的钢混组合梁，选择不同截面方式，也存在不同设计难题。钢混组合梁一般更适用于单跨简支桥梁，若用于连续桥梁结构，需充分考虑负弯矩的区域开裂问题，截面在负弯矩区进行科学合理的调整。

（3）体系设计。组合拼装钢混叠合梁的结构的自重相较于传统结构更轻，且小型钢箱横向之间可看作铰接，因此当横向宽度较大时，设计时需注重验算极限偏载情况下横向的稳定性以及连接处的可靠性。

2 组合拼装钢混叠合梁的设计要点

2.1 构造设计

组合拼装钢混叠合梁的构造设计，需科学处理混凝土、钢材间的连接问题，保证两者之间具有良好稳固性。由于混凝土和钢材在弹性变量和变形性能方面的差异较大，为充分发挥两者变形作用、协同受力，需提升两者的整体性。对于型钢、钢板和混凝土面板的有机连接，常见方法一般为组合连接件及嵌入连接方式，型钢连接和栓钉连接方式也较为常用。针对组合桥梁的截面连接，还需考虑滑移问题，如有必要，可通过弹塑性计算方式，科学计算连接处抗剪能力，并验证共同截面的承载力。

2.2 截面设计

组合拼装钢混叠合梁用于连续结构时，若截面与跨中相同，则混凝土和钢材受力均不合理。

一方面，如果负弯矩区的底板处于受压状态，极易发生局部钢梁的弯曲问题，进而扩散至结构体系层次，对整个梁体造成影响。可以通过增设加劲肋，防止底部部位发生弯曲状况。但负弯矩区底板和腹板的应力水平较高，也极易发生屈曲问题。为此，在腹板位置，也需科学设置加劲肋，同时增加板件厚度。在负弯矩区内，可采取全截面混凝土浇筑方式，对负弯矩区钢板进行全面包裹，有效消除底板弯曲、屈曲问题。

另一方面，在负弯矩区域还存在混凝土受拉开裂问题。特别是跨中处于活载作用之下时，中支点负弯矩导致顶板产生较大拉应力，极易导致混凝土开裂。对于这种状况，可采取如下措施：

（1）桥面板滞后钢梁浇筑。通过预先施加相应的应力，使钢梁预先变形，再将处于中支点区域内的桥面板采取后浇的方式，以改善混凝土桥面板、钢梁之间的收缩性能，进而提升整体质量；

（2）通过支点顶升回落法施加预压力。将中支点临时支承适当顶升，高于实际支座高度，此时架设钢梁使钢梁略呈“∩”状上凸变形，然后进行负弯矩区桥面板浇筑，待桥面板具备强度后，放置支座并落梁，此时钢梁弹性变形恢复，使负弯矩区混凝土获得预压应力；

（3）中支点处顶板设置额外预应力。对于极易开裂的负弯矩区，可在混凝土桥面板内额外增设钢束或其他形式的预应力，以更有效地抵抗后续运营阶段的顶板拉应力，减少顶板开裂概率，这种方式在大跨径桥梁设计中较为适用。

2.3 体系设计

钢混组合桥梁处于外界荷载作用状态下，如超重车辆偏载、梁下刮蹭撞击、风载等，极易出现倾覆、失稳问题，主要是梁体支座脱空后受力体系变化，结构失稳，发生绕轴翻转。如果超过固定临界值，使组合拼装钢混叠合梁形成机动体系，极易引起倾覆破坏。为此，可采取如下设计方式：

①加大横向支座间隔。因空间受限而不得不采用独柱墩时，必须通过验算，合理确定独柱墩横向支座间隔，以提升抗扭性能。必要时可将桥墩、梁体按刚性固结设计；②桥梁平面尽量采用大曲率、直线线型设计，避免桥梁受扭状态；③可通过抗拉支座、抗拉钢筋等构造措施，提升桥梁的横向稳定性。

2.4 钢梁施工控制设计

以箱型截面的钢混组合梁桥为例：①必须合理布置桥梁跨径，充分考虑施工吊装重量以及沿途穿越、跨越的运输条件。②考虑上下部构造的技术经济性，此处主要指施工人员投入、是否节省现场工时等。③根据计算合理确定钢梁吊点位置，现场做到准确定位，保证吊装安全性和可操作性。④在梁高设计中，应结合桥梁吊装实际受力，考虑各施工环节。⑤在截面选取时，优先选用多箱室、小箱室的截面布置，各钢梁间设置横向联结系，便于吊装、运输。⑥钢梁应由具有经验的合格生产厂家进行制作，在制作之前根据设计图纸做进一步优化设计、细化设计，在构件生产制作完成之后，要求厂家必须进行厂内预拼装，并按顺序进行编码；⑦针对腹板、梁翼缘板，需做到重点处理。⑧剪力键等细部构件的设计，应充分考虑其焊接的空间可操作性，便于施工单位可以控制和检查焊接质量。

2.5 混凝土施工控制设计

①除支点负弯矩区域外，其他一般段混凝土可考虑采用分块预制、现场湿接缝拼装；②桥面板湿接缝，必须选用与桥面板同等级的自密实微膨胀混凝土；③预制桥面板与钢梁之间连接处应设置剪力槽口。④将护栏底座与桥面板一同设计预制。⑤待正弯矩区桥面板湿接缝、剪力槽口的混凝土全部达到设计强度和弹性模量要求后，才能进行中支点负弯矩区的剪力槽口、湿接缝混凝土浇筑。⑥若负弯矩区混凝土需要设置额外预应力，在相对位置、张拉空间等方面应注意其施工的可行性。⑦中支点区域的“全截面双结合”混凝土，设计时应充分考虑其空间范围的大小，便于施工单位可以控制振捣质量，保证其有效消除底板弯曲、屈曲问题的效果。⑧设计图纸应强调施工单位对钢梁进行定位和校正工作，并开展安装、检查、验收工序，使其达到相关标准后，才能进行混凝土浇筑。