钢混组合梁桥面板不同施工方法探讨

2023-01-26郑晓华范广宇姚宝文

城市道桥与防洪 2022年12期

关键词：徐变钢梁现浇

郑晓华，范广宇，姚宝文

[1.广东顺控交通投资有限公司，广东佛山 528300；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

0 引言

钢-混组合梁是指钢结构与混凝土通过可靠剪力键连接，共同受力的一种结构形式。组合结构桥梁以其整体受力的经济性、发挥两种材料各自优势的合理性和便以施工的优点，在20世纪60年代的欧美各国和日本的桥梁建设中被广泛应用[1]。

在近些年来，在我国的桥梁建设中，钢-混组合结构得到了充分应用，建成了大量的钢-混组合梁桥。同时，钢混组合（桥面结构）还常用于拱桥、斜拉桥和悬索桥等索承体系桥梁中[2]。

钢-混组合梁桥桥面板受力一直是桥梁设计和建造的关键节点，它与施工方法、施工顺序和施工临时措施紧密相关。其中混凝土桥面板的施工施工方法对结构受力影响较大，是钢-混组合梁桥设计中需要考虑的关键点。

1 工程概况

以佛山市顺德区勒流港口路改造工程（一期）勘察设计项目为例，项目位于佛山市顺德区勒流街道，北起菊花湾大桥，南至龙洲路立交，全长约4 km，采用一河两岸布置。左线为新建道路，右线为改造现状港口路，港口路现状为双向四车道的城市道路，拟改造为双向八车道的一级公路。

主线高架桥跨越东骏路采用40 m简支钢-混组合梁，跨越光明中路采用45 m简支钢-混组合梁。桥型立面见图1、图2。

图1 主线高架桥40 m简支钢-混组合梁总体布置图（单位：cm）

图2 主线高架桥45 m简支钢-混组合梁总体布置图（单位：cm）

本篇以45 m钢-混组合梁为例。45 m跨径简支钢-混组合梁梁高2.2 m，其中钢结构高1.95 m，混凝土板厚0.25 m。单幅桥宽13 m，由三个箱室组成，箱室宽度约为2.3 m，方便运输吊装。跨中顶板厚25 mm，底板厚25 mm，腹板厚14 mm；支点顶板厚25 mm，底板厚20 mm，腹板厚16 mm。钢梁横向包括中横梁和支点横梁，中横梁标准间距为6 m，中横梁间设置腹板两内侧竖向加劲，标准间距为2 m。主梁立面和断面见图3、图4。

图3 45 m简支钢-混组合梁立面图（单位：mm）

图4 45 m简支钢-混组合梁横断面图（单位：mm）

为了提高全线高架桥景观效果，支点处梁高变为1.75 m，横断面的边梁采用4∶1斜率的斜腹板，斜腹板距离桥梁边线的距离与小箱梁一致，这样，桥梁上部结构外形轮廓基本保持一致，景观效果大大提升。

桥面板采用0.25 m钢筋混凝土板，为了降低现场施工难度，节约工期，桥面以预制为主，现场吊装；预制部分采用C50混凝土，在顶板现浇缝处设置集束式剪力钉，现浇C50无收缩混凝土。湿接缝横断面见图5。

图5 45 m简支钢-混组合梁湿接缝横断面图（单位：mm）

连接件采用连续式焊钉连接件，焊钉规格采用ϕ22×180 mm，预留束钉孔洞620 mm×500 mm，焊钉间距顺横桥向均为120 mm。

2 混凝土桥面板浇筑方案

混凝土板通过剪力连接件与钢结构梁结合，共同参与受力，对桥梁纵向抗弯承载力有贡献，参与上部梁体的横向力传递，约束开口箱形截面跨中受压翼缘[3]。

混凝土桥面板根据施工顺序和截面构成的不同可以分为三类：现浇混凝土桥面板、分段浇筑混凝土桥面板和预制混凝土桥面板[3]。

2.1 混凝土板的施工方法论述

现浇混凝土桥面板，是指采用全支架或部分支架设置桥面板浇筑模板，在木板上绑扎钢筋和浇筑混凝土的施工过程。这种施工方法是一次浇筑到位，桥面板整体性较好。但现浇混凝土需要搭设支架和模板，需要支架预压，需要考虑较长的施工工期和临时费用；同时，桥面板浇筑完成之后，收缩徐变会引起钢梁和混凝土板的附加应力。

分段浇筑混凝土桥面板，是指根据混凝土桥面板的位置特点，将桥面板划分成若干块，难于搭设支架和模板的部分，采用预制，钢结构顶板及混凝土外侧挑臂采用现浇施工。这种方法可以减少收缩和徐变引起的钢-混凝土组合梁的附加应力。但还是需要搭设部分支架，还是需要稍长工期和部分临时费用。

预制混凝土桥面板是指桥面板分块预制，预留槽口浇筑混凝土使桥面板与钢结构通过剪力钉连接，桥面板之间采用较小的湿接缝连接。这种方案的优点是工厂预制率比较高，可以很大程度减少现场浇筑的工作量，达到快速施工的目的。桥面板采用预制混凝土板，最大程度地减小了收缩和徐变效应对组合梁的影响。但这种施工方法主要预制的精度提出比较高的要求，预制板预留槽口是有桥面板钢筋的，桥面板钢筋和剪力钉均需要精准定位，避免相互影响。同时，这种施工方法用于预制混凝土板件种类较少的等宽桥面或标准梁段的优势较为明显，若用于变宽段，则预制难度会相应增加。

2.2 混凝土板的施工方法对桥梁的影响

钢-混组合梁混凝土桥面板的施工方法对工程的相应主要分为两个方面，一方面为建设过程的措施费用及施工工期；另外一方面是混凝土的收缩与徐变对梁体受力的影响。本文主要对后者展开论述。

混凝土的收缩与徐变效用一般可以通过有效弹性模量的虚拟荷载法来计算效应引起的截面应力增量。它是假定钢梁与混凝土结合前增加虚拟荷载P0，等代于混凝土板收缩徐变产生的自由形变εc，然后在钢梁与混凝土结合后施加相应的荷载P0[4]。

混凝土桥面板截面应力增量计算公式[4]：

钢梁截面应力增量计算公式：

虚拟荷载P0的确定应考虑徐变引起的永久作用截面应力增量和考虑徐变影响的收缩截面应力增量。

徐变引起的永久作用截面应力增量计算公式：

有效弹性模量比：

考虑徐变影响的收缩截面应力增量计算公式：

有效弹性模量比：

温度作用的截面应力增量是与施工方法无关的，本篇暂不单独对比。

3 桥面板施工方法对组合梁受力影响分析

3.1 有限元模型建立

本篇通过钢-混组合梁桥面板全现浇施工方案和预制施工方案就混凝土的收缩与徐变两项对主梁受力做详细对比分析。采用midas civil建立有限元计算模型，分析混凝土桥面的收缩徐变效应对主梁的应力和挠度的影响，见图6。

图6 45 m简支钢-混组合梁湿计算模型消隐图

桥面板现浇施工方案采用搭设支架和模板，桥面板一次性浇筑完成，混凝土养生7 d后拆除模板及支架。

桥面板预制施工方案采用分块式预制，预留剪力钉现浇槽口及湿接缝，预制桥面板吊装后采用C60无收缩混凝土浇筑剪力钉现浇槽口及湿接缝。预制混凝土的吊装龄期为180 d。

3.2 计算结果分析

两种施工方法主要的区别是混凝土的龄期差，混凝土的收缩徐变在不同工况下对混凝土桥面和钢梁都有影响，同时对主梁挠度也有较大影响。

（1）混凝土收缩徐变对混凝土板的应力影响

从计算结果可以看出，随着时间的推移，混凝土的收缩徐变对混凝土桥面都有较大影响，这种影响是一种不利影响，见表1。

表1 桥面板结合工况下桥面板应力对比表（“+”为拉应力，“-”为压应力）

在桥面板与钢结构结合工况下，两种施工方法的混凝土压应力均满足规范要求。但现浇桥面板上下缘的压应力储备比预制桥面上下缘压应力储备小，预制桥面板对结构受力更加有利，见表2。

表2 成桥工况下桥面板应力对比表（“+”为拉应力，“-”为压应力）

在成桥工况下，两种施工方法的混凝土压应力均满足规范要求。但现浇桥面板上下缘的压应力储备比预制桥面板上下缘压应力储备小，预制桥面板对结构受力更加有利，见表3。

表3 10 a收缩徐变工况下桥面板应力对比表（“+”为拉应力，“-”为压应力）

在10 a收缩徐变工况下，两种施工方法的混凝土压应力均满足规范要求。主要受混凝土徐变的影响，两种施工方法的桥面板上下缘压应力储备与成桥工况相比均有下降，但现浇桥面板上下缘的压应力储备比预制桥面板上下缘压应力储备小，预制桥面板对结构受力更加有利。

（2）混凝土收缩徐变对钢梁的应力影响

从计算结果可以看出，随着时间的推移，混凝土的收缩徐变对钢结构应力也是有影响的，特别是钢梁上缘，这种影响是一种不利影响，见表4。

表4 桥面板结合工况下钢梁应力对比表（“+”为拉应力，“-”为压应力）

在桥面板与钢结构结合工况下，两种施工方法下的钢梁的拉、压应力均满足规范要求。但相比之下，现浇施工给钢梁上缘产生了较大的压应力，预制桥面板对钢梁受力更加有利；预制施工方法给钢梁下缘产生较大的拉应力，见表5。

表5 成桥工况下钢梁应力对比表（“+”为拉应力，“-”为压应力）

在成桥工况下，两种施工方法下的钢梁的拉、压应力均满足规范要求。但相比之下，现浇施工给钢梁上缘产生了较大的压应力，预制桥面板对钢梁受力更加有利，两种施工方法对钢梁下缘应力影响稍小，见表6。

表6 收缩徐变10a工况下钢梁应力对比表（“+”为拉应力，“-”为压应力）

在收缩徐变10 a工况下，两种施工方法下的钢梁的拉、压应力均满足规范要求。但相比之下，现浇施工给钢梁上缘产生了较大的压应力，预制桥面板对钢梁受力更加有利，两种施工方法对钢梁下缘应力影响稍小。

（3）混凝土收缩徐变对主梁挠度的影响

混凝土的收缩徐变对主梁跨中的挠度影响较大，计算结果显示，采用现浇桥面板的主梁跨中10 a收缩徐变工况下的最大挠度是-122.2 mm，采用预制桥面板的主梁跨中10 a收缩徐变工况下的最大挠度是-104.0 mm，两种方法差值为18.2 mm，差值占比为17.5%。通过对比可知，预制桥面对桥梁挠度控制更有利。具体数值对比详见图7。