殷 亮，胡小康，黃 浩（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司， 安徽 合肥 230088）

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工字鋼-混凝土板組合梁在跨線橋改造中的應(yīng)用

殷 亮，胡小康，黃 浩
（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司， 安徽 合肥 230088）

以某高速公路跨線橋改造工程為背景，闡述了工字鋼-混凝土板組合梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其特點，運用允許混凝土橋面板產(chǎn)生裂縫的設(shè)計理念，通過采取合理的施工順序和配筋設(shè)計等措施，減小了中墩橋面板負彎矩大小，控制了橋面板裂縫寬度，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性，為同類橋梁設(shè)計提供參考。

鋼-混組合梁；混凝土橋面板；裂縫；負彎矩

1　概述

鋼-混組合梁橋是指采用剪力傳遞器將鋼板梁、鋼箱梁、鋼桁梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件和鋼筋混凝土結(jié)合成組合截面共同工作的一種復合式結(jié)構(gòu)［1］。為充分發(fā)揮混凝土板受壓和鋼梁受拉的性能，組合梁橋多設(shè)計成簡支結(jié)構(gòu)。隨著組合梁技術(shù)的不斷發(fā)展，其使用范圍已擴展到連續(xù)梁橋，且鋼梁部分也由多工字鋼主梁發(fā)展到少工字鋼主梁。

工字鋼-混凝土板組合梁構(gòu)造簡單、設(shè)計和建造的適用條件廣泛、制作與施工方便，是一種非常經(jīng)濟和耐久的結(jié)構(gòu)，在歐美等發(fā)達國家的橋梁建設(shè)中已得到廣泛應(yīng)用。在法國，最近幾年建造的公路組合結(jié)構(gòu)橋梁有90%都是工字鋼-混凝土板組合梁橋［2］。

近年來，鋼-混組合梁橋在我國發(fā)展迅速，但鋼梁多為鋼箱梁或鋼槽形梁，采用雙工字鋼梁的實例較少。本文依托某高速公路跨線橋改造工程項目，通過對工字鋼-混凝土板組合梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計，闡述該橋型結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點，并對連續(xù)結(jié)構(gòu)中負彎矩區(qū)橋面板的開裂問題進行了探討。

2　工程概況

某高速公路跨線橋是一座無腹式拱橋，上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土板拱，下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺接擴大基礎(chǔ)。橋梁跨徑43 m，矢高3.653 m，矢跨比1/12。因拱頂下?lián)希澳_發(fā)生了明顯的水平位移等嚴重病害，需要進行改造，改造前的立面布置如圖1所示。

工字鋼-混凝土板組合梁具有工廠化和預制化程度高、施工方便、工期短等優(yōu)點，成為該跨線橋改造后的施工方案。該方案充分利用老橋的拱座基礎(chǔ)，在高速公路中央分隔帶增設(shè)鋼管混凝土組合支墩，將老橋上部結(jié)構(gòu)拱橋改造為兩跨工字鋼-混凝土板組合梁橋，改造后的立面布置如圖2所示。

圖1　改造前的無腹式拱橋立面圖（單位：cm）

圖2　改造后的鋼板組合梁橋立面圖（單位：cm）

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計

主梁采用2×23.25 m連續(xù)工字鋼-混凝土板組合梁，其中鋼梁采用雙工字型梁，橋面板采用預制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋面板通過預留濕接縫和剪力釘群與鋼梁形成組合結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)標準橫斷面如圖3所示。

圖3　工字鋼-混凝土板組合梁標準橫斷面（單位：cm）

3.1雙工字型鋼梁設(shè)計

主梁兩片工字型縱梁中心間距3 m，鋼梁中心線處的梁高為1.1 m。鋼縱梁上翼緣寬度500 mm，板厚為20～24 mm；下翼緣寬度700 mm，板厚為24～30 mm；腹板縱向加勁肋標準間距為1.5 m。在兩片工字型縱梁間設(shè)置有小橫梁，標準間距為4.5 m，采用焊接H形截面，截面寬度260 mm，高度均為400 mm。

主梁和小橫梁由T形斷面的加勁肋連接，T形肋焊接于主梁腹板上，該加勁肋被稱為橫梁連接加勁［2］。橫梁連接加勁的翼緣在頂部與主梁翼緣焊接，以保證其可以抵抗橫向彎曲荷載，而加勁肋的翼緣在底部不與主梁下翼緣焊接，并采取漸變縮窄的措施，以減少疲勞產(chǎn)生的不利影響。小橫梁、橫梁連接加勁、主梁及其之間連接的具體構(gòu)造如圖4所示。

誤差傳遞建模的研究將多工序系統(tǒng)作為動態(tài)時序過程，零件特征作為動態(tài)過程的狀態(tài)變量，不同工序作為動態(tài)過程的不同時間點。零件特征隨工序變化而變化的過程，視為狀態(tài)變量隨時間變化而變化的過程。狀態(tài)空間方程描述了狀態(tài)變量在狀態(tài)空間中隨時間變化的過程，可利用狀態(tài)空間方法解決多工序制造誤差傳遞問題。

3.2預制橋面板設(shè)計

橋面板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，板厚20 cm，在與鋼梁支撐結(jié)合處加厚到30 cm，由預制混凝土板、橫向濕接縫和剪力釘群預留孔3部分構(gòu)成。單塊預制板橫橋向為一塊整板，預留有40 cm×40 cm的剪力釘群孔，縱橋向?qū)挾葹?.88 m。各塊預制混凝土板吊裝就位后，將橫向濕接縫的鋼筋焊接成整體結(jié)構(gòu)，通過剪力釘群與鋼縱梁形成組合體系，全寬度預制橋面板和剪力釘布置如圖5所示。

圖4　小橫梁與主梁的連接構(gòu)造（單位：mm）

圖5　預制橋面板剪力釘群布置圖（單位：cm）

3.3鋼混結(jié)合面防腐設(shè)計

針對工字型鋼梁上翼緣和混凝土結(jié)合面的耐久性問題，采取處理措施如下：在工字型鋼梁上翼緣兩側(cè)粘貼可以壓縮的防腐彈性密封橡膠條，尺寸為50 mm×8 mm，在兩側(cè)橡膠條之間澆筑環(huán)氧砂漿。以上措施實現(xiàn)了結(jié)合面的密封性，避免了環(huán)氧砂漿漏漿對鋼梁涂裝的影響。如圖6所示。

圖6　鋼混結(jié)合面防腐設(shè)計（單位：mm）

3.4鋼管混凝土墩柱設(shè)計

下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱式鋼管混凝土墩柱接挖孔樁基礎(chǔ)，墩柱直徑為0.8 m，頂部設(shè)置有Φ0.6 m的鋼管混凝土系梁，基礎(chǔ)按照嵌巖樁進行設(shè)計，直徑為1.5 m。鋼管墩柱與混凝土樁基設(shè)置有1.3 m的結(jié)合段，樁基內(nèi)鋼管表面設(shè)置96枚Φ22 mm的剪力釘，以保證鋼管橋墩和樁基混凝土的結(jié)合。墩柱鋼管底部預埋封底鋼板，并設(shè)置8塊25 mm厚的鋼板加勁肋，封底鋼板上設(shè)置16根Φ40 mm的錨栓，使得墩柱與樁基完全固結(jié)。鋼管內(nèi)澆筑C40微膨脹混凝土。鋼管混凝土墩柱細部連接構(gòu)造如圖7所示。

圖7　鋼管混凝土墩柱連接構(gòu)造（單位：cm）

工字鋼-混凝土板組合梁采用連續(xù)梁體系，鋼管墩柱與工字鋼梁下翼緣采用盆式橡膠支座連接。

4　連續(xù)組合結(jié)構(gòu)負彎矩區(qū)混凝土裂縫控制

4.1中墩負彎矩區(qū)橋面板的受力特點

連續(xù)工字鋼-混凝土板組合梁中墩附近受到負彎矩作用，上緣受拉區(qū)混凝土一旦開裂，對橋面板的剛度、裂縫寬度以及內(nèi)力重分布等都將產(chǎn)生較大影響。

組合截面承受負彎矩時的內(nèi)力（M、N）分配及內(nèi)力分配比例隨混凝土板裂紋變化而變化的關(guān)系如圖8所示。組合梁承受的彎矩M主要由Nc（混凝土板軸力）、Ng（鋼梁軸力）力偶和鋼梁彎矩Mg分擔。Mg和Nc·y0（y0為混凝土板至鋼梁重心距）的分配比例由鋼梁的彎曲剛度及鋼筋混凝土板和鋼梁的延伸剛度決定。若混凝土應(yīng)力超過其抗拉強度，混凝土開始出現(xiàn)裂紋，裂紋發(fā)生程度與鋼筋混凝土板的延伸剛度有關(guān)，隨著裂紋相繼發(fā)生，延伸剛度逐漸降低，分配給力偶的彎矩（Nc·y0）減少，鋼梁承擔的彎矩Mg相應(yīng)增加。組合梁負彎矩區(qū)的彎矩和曲率的實際關(guān)系，介于圖8中的狀態(tài)I和狀態(tài)Ⅱ之間［2-3］。

圖8　組合截面內(nèi)力分配與裂紋狀態(tài)關(guān)系

4.2中墩負彎矩區(qū)橋面板的抗裂設(shè)計

中墩負彎矩區(qū)橋面板混凝土的抗裂設(shè)計通常采用以下兩種方案：一是通過在橋面板混凝土內(nèi)產(chǎn)生預壓應(yīng)力來防止混凝土開裂；二是允許混凝土橋面產(chǎn)生裂縫，并通過配筋等措施來控制裂縫寬度［4-5］。

早期的連續(xù)組合梁橋，混凝土板通常借助于預應(yīng)力筋或安裝措施在支點上方施加預應(yīng)力，但大部分預應(yīng)力直接加到鋼梁上，而且徐變和收縮還將導致預應(yīng)力的進一步損失。支點升降法由于混凝土徐變的影響，施加的壓應(yīng)力將有很大損失。

隨著實踐的深入，人們認識到使混凝土在使用荷載作用下不出現(xiàn)或僅出現(xiàn)有限拉應(yīng)力的方法并不理想。隨著對混凝土板損傷、破壞等方面認識水平的提高以及混凝土開裂對橋梁力學性能與耐久性的影響等方面研究的深入，從設(shè)計方法上，由原來的不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力或限制拉應(yīng)力不允許開裂，轉(zhuǎn)向允許開裂限制裂縫寬度的方法［6］。目前，這一方法已經(jīng)成為大跨連續(xù)組合箱梁最為常用的設(shè)計方法。

本跨線橋改造項目采用的是允許混凝土橋面板產(chǎn)生裂縫的理念，具體的措施如下：

（1）采取合理的施工措施

橋面板采用預制結(jié)構(gòu)，為減少混凝土收縮對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，每塊預制板吊裝前，要求具有6個月以上的存放時間，濕接縫均采用微膨脹混凝土。同時，優(yōu)化混凝土橋面板的施工順序，待兩個邊跨的橋面板全部施工完畢，再焊接中墩區(qū)域的橋面板鋼筋和澆筑濕接縫，以減小橋面板自重而產(chǎn)生的負彎矩。

（2）控制橋面板裂縫寬度

混凝土橋面板控制裂紋寬度的理論較為復雜，設(shè)計通過選定最小配筋率以限制鋼筋拉應(yīng)力；選定鋼筋最大直徑、間距，以便于澆注混凝土，確保質(zhì)量；控制最小周長率（鋼筋圓周長與混凝土截面積之比）以利于增大鋼筋與混凝土握裹面積，從而達到限制裂紋寬度的目的。

目前，國內(nèi)現(xiàn)行的《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》（GB50917—2013）對于控制橋面板裂縫寬度未給出明確的計算方法。參考日本的組合梁設(shè)計規(guī)范規(guī)定：配筋率ρs≥2%，周長率ρs≥0.045 cm/cm2，如滿足這一規(guī)定，裂紋寬度可控制在0.2 mm以下［1］。另外，德國DIN104規(guī)范和英國標準BS5400對組合梁混凝土開裂的控制也有較詳細的要求和計算方法。

5　結(jié)語

本文結(jié)合某高速公路跨線橋改造中的應(yīng)用實例，突出工字鋼-混凝土板組合梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其特點，同時通過采用合理的設(shè)計理念和施工順序，有效地減小中墩負彎矩大??；通過調(diào)整橋面板的配筋，有效地控制了負彎矩區(qū)橋面板的裂縫寬度，確保了結(jié)構(gòu)的耐久性。工字鋼-混凝土板組合梁具有較好的應(yīng)用前景。

［1］吳沖.現(xiàn)代鋼橋［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］邵長宇.梁式組合結(jié)構(gòu)橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2015.

［3］白玲，史永吉.復合結(jié)構(gòu)橋梁的特性［J］.中國鐵道科學，2003（1）：80-87.

［4］邵長宇.大跨度鋼-混凝土連續(xù)組合箱梁橋關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.上海：同濟大學，2007.

［5］葉建龍，余茂峰.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁在跨線橋中的應(yīng)用［J］.公路，2011（8）：29-33.

［6］Jean C B.二十五年來瑞士結(jié)合梁橋的發(fā)展［J］.顏麥，周履編譯.國外橋梁，1986（4）：71-78.

Application of Steel-concrete Composite Beam for Renovation Project of Overpass Bridge

Yin Liang， Hu Xiaokang， Huang Hao
（Anhui Transport Consulting & Design Institute Co.， Ltd，Hefei 230088， China）

Based on the renovation project of the overpass bridge in freeway， this paper described the design and features of steelconcrete composite bridge. By use of the design theory of the allowable cracks of concrete bridge deck， it adopted the reasonable construction order and design of reinforcing bars in order to reduce the negative moment and control the width of bridge deck cracks. The result showed that the durability of the bridge structure had been improved. This method could be taken as a reference for the similar bridge design.

steel-concrete composite beam； concrete bridge deck； crack； negative moment

U448.21+1

A

1672-9889（2016）02-0058-03

殷亮（1983-），男，安徽安慶人，工程師，主要從事橋梁設(shè)計和咨詢工作。

（2015-06-27）