卿前志

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

連續(xù)鋼桁架疊合梁橋面板裂縫控制技術(shù)

卿前志

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

寧波梅山春曉大橋工程水中引橋采用3×72 m連續(xù)鋼桁架疊合梁結(jié)構(gòu)。連續(xù)結(jié)構(gòu)鋼-混凝土疊合梁設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)需要解決結(jié)構(gòu)墩頂開(kāi)裂的問(wèn)題。論述了常規(guī)鋼-混凝土疊合梁控制墩頂裂縫的方法，結(jié)合春曉大橋工程實(shí)際，對(duì)其采用的控制墩頂混凝土橋面板裂縫的措施進(jìn)行了論述。同時(shí)，針對(duì)采用預(yù)制混凝土橋面板結(jié)構(gòu)的疊合梁墩頂裂縫計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。該工程主要采用了調(diào)整支點(diǎn)高度方法，計(jì)算表明，該方法對(duì)控制墩頂裂縫寬度是有效的。

連續(xù)鋼桁架；疊合梁；混凝土橋面板；裂縫控制

1 概述

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼梁及鋼-混凝土疊合梁在橋梁建設(shè)中運(yùn)用得越來(lái)越多。與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼-混凝土疊合梁由于采用混凝土橋面板，避免了鋼橋面在汽車荷載作用下的疲勞開(kāi)裂問(wèn)題日益受到青睞。鋼-混凝土疊合梁分簡(jiǎn)支疊合梁及連續(xù)疊合梁。簡(jiǎn)支疊合梁采用鋼結(jié)構(gòu)抗拉，混凝土橋面板受壓，充分發(fā)揮了鋼及混凝土兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)，因而在常規(guī)橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用。然而，由于簡(jiǎn)支疊合梁需要在梁端設(shè)置伸縮縫，對(duì)行車的舒適性有一定的影響，近年來(lái)，連續(xù)疊合梁在我國(guó)橋梁建設(shè)中的運(yùn)用日益增多。

連續(xù)鋼-混凝土疊合梁的橋面板可以現(xiàn)澆施工，也可以在工廠預(yù)制，待鋼梁架設(shè)完畢進(jìn)行安裝，然后澆筑疊合梁橋面板之間的濕接縫。常規(guī)的鋼-混凝土疊合梁根據(jù)采用鋼結(jié)構(gòu)形式的不同分為鋼板梁疊合梁橋、鋼箱梁疊合梁橋、波形鋼腹板箱梁疊合梁橋及鋼桁架疊合梁橋[1]。不論采用哪種結(jié)構(gòu)，橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中均需要解決中支點(diǎn)墩頂位置混凝土橋面板開(kāi)裂問(wèn)題。

2 控制墩頂裂縫方法

連續(xù)鋼-混凝土疊合梁中支點(diǎn)位置，在恒載及汽車等活載作用下，主梁承受負(fù)彎矩作用。在墩頂負(fù)彎矩作用下，上緣混凝土橋面板受拉。為抵抗負(fù)彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力，通?？梢圆捎玫墓こ檀胧┯蓄A(yù)加荷載法、調(diào)整支點(diǎn)高度法、設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋、優(yōu)化橋面板施工順序、限制混凝土裂縫寬度方法以及部分組合梁法[2]。

2.1 預(yù)加荷載法

預(yù)加荷載法一般是鋼梁施工完成后，首先在主梁的正彎矩區(qū)段澆筑混凝土橋面板，并施加一定的臨時(shí)荷載，使中支點(diǎn)附近鋼梁負(fù)彎矩區(qū)承受一定的預(yù)應(yīng)力，然后在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下澆筑負(fù)彎矩區(qū)段混凝土，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，撤去臨時(shí)荷載。由于正彎矩區(qū)段臨時(shí)荷載的卸載，在負(fù)彎矩區(qū)段產(chǎn)生一個(gè)反向的正彎矩，從而使混凝土橋面板產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，減小或消除正常使用階段混凝土橋面板的拉應(yīng)力。

2.2 調(diào)整支點(diǎn)高度法

調(diào)整支點(diǎn)高度法，一般先在鋼梁架設(shè)完成后，將中支點(diǎn)通過(guò)千斤頂抬升一定高度，然后澆筑混凝土橋面板，待混凝土橋面板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，將中支點(diǎn)下降至設(shè)計(jì)高度，從而使混凝土橋面板產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力。

2.3 設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋

設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋的方法，一般是在中支點(diǎn)附近的混凝土橋面板中，沿順橋向布置預(yù)應(yīng)力鋼筋，從而減小或消除混凝土橋面板的拉應(yīng)力，達(dá)到控制橋面板裂縫寬度，改善橋面板受力狀態(tài)的目的。

2.4 優(yōu)化橋面板施工順序

優(yōu)化橋面板施工順序，通常是鋼梁架設(shè)完成后，首先在正彎矩區(qū)段澆筑混凝土橋面板，然后往兩側(cè)推進(jìn)，最后澆筑中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)的混凝土橋面板，從而達(dá)到減小中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板拉應(yīng)力的目的。

2.5 限制混凝土裂縫寬度的方法

限制混凝土裂縫寬度的方法，是通過(guò)在混凝土橋面板中配置足夠的鋼筋，可以將混凝土橋面板的裂縫寬度限制在容許值以內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)耐久性的要求。當(dāng)鋼-混凝土疊合梁配置足夠的剪力連接件時(shí)，負(fù)彎矩區(qū)混凝土板中的受力鋼筋直至屈服階段，均能夠與鋼梁很好地共同工作。

2.6 部分組合梁法

部分組合梁法，一般是通過(guò)將負(fù)彎矩區(qū)段設(shè)計(jì)為非結(jié)合或柔性結(jié)合結(jié)構(gòu)，即在負(fù)彎矩區(qū)段不布設(shè)鋼-混凝土連接件或僅設(shè)置柔性連接件。采用部分組合梁，在荷載作用下，橋面板負(fù)彎矩處的拉應(yīng)力能夠顯著降低，但是在不設(shè)置連接件的分界處會(huì)造成較大的應(yīng)力集中，必須采取相應(yīng)的構(gòu)造措施。例如使橋面板的縱向鋼筋連續(xù)通過(guò)，并適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)；或者在鋼梁上適當(dāng)焊接錨固鋼筋與混凝土橋面板連接，起到彈性剪力連接件的作用，從而達(dá)到過(guò)渡效果。

在實(shí)際工程中，往往根據(jù)工程具體情況，采用一種或多種方法來(lái)控制負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的拉應(yīng)力，從而達(dá)到橋面板裂縫控制的目的。

3 墩頂橋面裂縫計(jì)算方法

連續(xù)疊合梁橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，外荷載作用下，需驗(yàn)算橋面板中的最大裂縫寬度，使其滿足現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）的相關(guān)規(guī)定[3]。通常，在荷載作用下，混凝土橋面板控制不出現(xiàn)裂縫或?qū)⒘芽p寬度限制在一定范圍內(nèi)。從經(jīng)濟(jì)性考慮，一般將墩頂?shù)牧芽p寬度限定在一定的允許范圍。

負(fù)彎矩區(qū)組合梁混凝土板工作性能接近于混凝土軸心受拉構(gòu)件，規(guī)范《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01—2015）規(guī)定，對(duì)于鋼筋混凝土板應(yīng)按式（1）計(jì)算[4]：

式中：Ms為形成組合作用后，按荷載作用頻遇組合效應(yīng)計(jì)算的組合梁截面彎矩值；Icr為由縱向普通鋼筋與鋼梁形成的組合截面的慣性矩，即開(kāi)裂截面慣性矩；ys為鋼筋截面形心至鋼筋和鋼梁形成的組合截面中性軸的距離。

對(duì)于鋼板梁或鋼箱梁與混凝土橋面板形成的組合梁，換算截面計(jì)算可根據(jù)結(jié)構(gòu)是否開(kāi)裂分別考慮[4]：對(duì)于開(kāi)裂區(qū)即中墩頂兩側(cè)各0.15 L范圍內(nèi)組合梁截面剛度取開(kāi)裂截面剛度EIcr，其余區(qū)段組合梁截面剛度取未開(kāi)裂截面剛度EI。

實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，一般采用有限元的分析方法，根據(jù)施工過(guò)程，建立相應(yīng)的計(jì)算模型，并求解各荷載工況下結(jié)構(gòu)受力，然后進(jìn)行荷載組合。得到橋面板中的內(nèi)力后，便可按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行裂縫寬度的求解。

4 工程概況

寧波市梅山春曉大橋工程西起春曉洋沙山東六路與春曉東八路交叉口，終點(diǎn)位于梅山島鹽湖路與港灣路交叉口，工程全長(zhǎng)約1.971 km。橋梁工程主要包括主橋、春曉側(cè)引橋、梅山側(cè)引橋以及明月湖輔道橋。梅山春曉大橋主橋采用中承式雙層桁架拱橋。水中引橋結(jié)構(gòu)形式為3×72 m連續(xù)鋼桁架-混凝土橋面板疊合梁，包括梅山側(cè)與春曉側(cè)兩聯(lián)。為了解決慢行系統(tǒng)過(guò)江的問(wèn)題，橋梁采用雙層橋面布置：上層為雙向六車道一級(jí)公路，下層為人非專用通道?？紤]到下層橋面系需要布置人非系統(tǒng)，為降低車輛行駛過(guò)程中對(duì)下層慢行交通系統(tǒng)的噪聲影響，同時(shí)避免鋼橋面板在活載作用下的疲勞問(wèn)題，上層機(jī)動(dòng)車橋面系采用混凝土橋面板。

水中引橋采用鋼-混凝土連續(xù)桁架疊合梁形式，設(shè)置上下兩層橋面系。結(jié)構(gòu)總高8.96 m，上層橋面總寬25 m，下層橋面寬12 m。鋼桁架下弦桿采用箱形截面，截面高1.2 m，截面寬1 m。上弦桿采用箱形截面，截面高1.8 m，截面寬1.53 m。腹桿根據(jù)受力采用H形或箱形截面。上層橋面弦桿中心距16.46 m，中間設(shè)置小縱梁一道?？v橋向布置橫隔板，間距4 m。上層橋面為混凝土橋面板，板厚250 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60。下層橋面采用鋼板，加勁采用一字肋。水中引橋疊合梁橫斷面如圖1所示。

圖1 梅山春曉大橋水中引橋斷面圖（單位：cm）

5 裂縫控制措施及裂縫寬度計(jì)算

首先為了減小收縮徐變，水中引橋采用預(yù)制橋面板，橋面板架設(shè)前存放6個(gè)月以上。采用橋梁分析軟件建立結(jié)構(gòu)分析模型，上弦桿、下弦桿、腹桿用梁?jiǎn)卧M，上層及下層橋面板均采用板單元模擬，上層混凝土橋面板與上弦桿間通過(guò)彈簧單元進(jìn)行連接，模擬其中的剪力釘，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 梅山春曉大橋水中引橋計(jì)算模型

經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)不采取任何措施，成橋階段，在欄桿、鋪裝等二期恒載作用下，墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面板中有3.5 MPa的拉應(yīng)力。為了控制墩頂裂縫，采用了調(diào)整支點(diǎn)高度的方法：鋼梁架設(shè)完畢后先將桁架頂升55 cm，然后從安裝預(yù)制橋面板，并從跨中向墩頂澆筑橋面板間現(xiàn)澆接縫，待達(dá)到規(guī)定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后將結(jié)構(gòu)下降到永久支座上。結(jié)構(gòu)建模分析計(jì)算時(shí)考慮的施工階段如下：架設(shè)鋼桁架→兩個(gè)中支點(diǎn)向上頂升55 cm→施工上層橋面板（橋面板自重以荷載形式施加于鋼梁上）→橋面板參與整體受力→中支點(diǎn)回落至原位→施工二期恒載→收縮徐變10年。鋼梁頂升點(diǎn)在永久支座旁進(jìn)行，圖3為鋼梁頂升施工。

圖3 頂升中的鋼桁梁

在橋面板裂縫計(jì)算時(shí)，值得一提的是橋面板受力需要考慮局部受力和整體受力兩個(gè)方面。

5.1 橋面板局部受力計(jì)算

春曉大橋引橋橋面板采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，橫橋向預(yù)制板分為4塊，縱橋向標(biāo)準(zhǔn)間距4 m。分析橋面板局部受力時(shí)，需要首先根據(jù)橋面板的尺寸確定橋面板為單向板還是雙向板，然后計(jì)算恒載下橋面板局部受力與活載下的局部受力。由于橋面板擱置在鋼梁上時(shí)受力狀態(tài)與現(xiàn)澆濕接縫后受力狀態(tài)不同，兩者考慮如下。

對(duì)于濕接縫剛澆筑完成的預(yù)制橋面板，恒載下局部受力計(jì)算時(shí)，受力狀態(tài)與簡(jiǎn)支板一致，可按照簡(jiǎn)支板來(lái)計(jì)算板中的彎矩，然后考慮徐變影響，對(duì)橋面板內(nèi)力進(jìn)行重分配。收縮徐變完成后，橋面板自重作用下受力與四周嵌固板一致。

根據(jù)上述原則，計(jì)算上層混凝土橋面板自重彎矩時(shí)，可通過(guò)查板的靜力計(jì)算公式[5]進(jìn)行計(jì)算。徐變系數(shù)可根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行求解，本工程計(jì)算時(shí)徐變系數(shù)?。╰）=1.5。

以本工程兩上弦之間的橋面板為例，預(yù)制橋面板尺寸如圖4所示，現(xiàn)澆接縫完成階段自重引起彎矩按四邊簡(jiǎn)支板計(jì)算，收縮徐變引起自重彎矩重分配按四邊嵌固板計(jì)算。橋面板順橋向受力計(jì)算過(guò)程如下。

圖4 預(yù)制橋面板尺寸（單位：cm）

荷載集度q=0.25×26=6.5（kN/m2），lx=4，ly= 7.6，泊松比μ=0時(shí)，查靜力計(jì)算手冊(cè)表[5]，取混凝土泊松比μ=1/6，得Mx=0.096 5ql2，相應(yīng)彎矩為M1g=Mx=10.3 kN·m。

考慮橋面板混凝土徐變后，計(jì)算公式如下：

式中：M1g為先期結(jié)構(gòu)自重引起彎矩；M2g為先期結(jié)構(gòu)的自重，按作用于后期結(jié)構(gòu)計(jì)算引起彎矩，即嵌固模式計(jì)算彎矩[3]。

從而得到收縮徐變后的跨中彎矩為

同理可計(jì)算支點(diǎn)彎矩：

考慮收縮徐變后，支點(diǎn)彎矩為

對(duì)于汽車車輪荷載作用在橋面板上引起的方法，同樣可根據(jù)汽車荷載內(nèi)力計(jì)算方法[5]進(jìn)行，不再贅述。

5.2 橋面板整體受力分析

橋面板整體受力可根據(jù)建立的有限元模型進(jìn)行求解，并將結(jié)構(gòu)所受的外荷載在橋面板和鋼梁中根據(jù)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行分配。

本工程整體受力考慮的外荷載包括：恒載；汽車、人群等荷載；混凝土徐變及收縮；溫度荷載，包括整體升降溫及梯度溫度；基礎(chǔ)沉降。

整體計(jì)算得到的橋面板內(nèi)力與局部計(jì)算橋面板中的內(nèi)力進(jìn)行組合，便可對(duì)橋面板裂縫進(jìn)行驗(yàn)算。本工程疊合梁橋面板厚度為250 mm，墩頂位置橋面板縱橋向采用d=28 mm@135 mm，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)承載能力滿足規(guī)范要求，驗(yàn)算最大裂縫寬度為0.158 mm，亦滿足規(guī)范要求。其余位置橋面板配筋根據(jù)內(nèi)力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。圖5給出了在鋼-混凝土疊合梁橋混凝土橋面板的受力計(jì)算流程。

圖5 橋面板計(jì)算分析流程

6 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)鋼-混凝土疊合梁在承受外荷載時(shí)，需要重點(diǎn)解決墩頂區(qū)段的混凝土橋面板裂縫問(wèn)題。本文首先綜述了在連續(xù)疊合梁設(shè)計(jì)中常用的控制墩頂區(qū)域橋面板裂縫的方法，并結(jié)合梅山春曉大橋水中引橋進(jìn)行了分析。在橋面板裂縫計(jì)算時(shí)，必須要注意將橋面板整體受力和局部受力進(jìn)行組合，以便得到橋面板中外荷載的最大效應(yīng)。梅山春曉大橋水中引橋采用的是調(diào)整支點(diǎn)位移方法，同時(shí)施工中對(duì)橋面板現(xiàn)澆濕接縫的澆筑順序進(jìn)行了控制，計(jì)算表明，能有效控制墩頂位置橋面板裂縫寬度，可供類似工程項(xiàng)目參考。

[1]聶建國(guó).鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]吳沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JTG/T D64-01—2015，公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

[5]邵旭東，程翔云，李立峰.橋梁設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：人民交通出版社，2007.

四川規(guī)定四類公共建筑須安裝防震減災(zāi)“黑匣子”

日前，由四川省地震局起草的《四川省建設(shè)工程強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)陣技術(shù)要求》（以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)要求》）正式發(fā)布實(shí)施?！都夹g(shù)要求》明確了四川省必須布設(shè)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)陣的四類公共建筑物，分別是：抗震設(shè)防類別為特殊設(shè)防類和重點(diǎn)設(shè)防類的水利工程建筑物，處于地震重點(diǎn)監(jiān)測(cè)防御區(qū)的特殊橋梁，抗震設(shè)防烈度為7度、8度、9度地區(qū)的高度分別超過(guò)160 m、120 m、80 m的公共建筑、核電廠和核設(shè)施建設(shè)工程。

強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)陣，是為加強(qiáng)重大建設(shè)工程的強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)，按專門設(shè)施布設(shè)的多個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站或監(jiān)測(cè)網(wǎng)。目前，強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)在大壩、水電站和核電廠等工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在公共建筑和特殊橋梁等建設(shè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用較少。四川省地震局地震監(jiān)測(cè)專家賴敏表示，此舉是給重大建設(shè)工程安上“黑匣子”，在遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)，能夠監(jiān)測(cè)出工程結(jié)構(gòu)受震動(dòng)的情況，為建筑物抗震設(shè)計(jì)和抗震結(jié)構(gòu)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

根據(jù)《技術(shù)要求》，強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、記錄器、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、傳輸線路四部分組成。地震發(fā)生時(shí)，傳感器會(huì)根據(jù)震動(dòng)記錄下數(shù)據(jù)，然后通過(guò)傳輸線路傳到中心機(jī)房的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。 布設(shè)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)臺(tái)陣規(guī)模應(yīng)根據(jù)工程等級(jí)而異，一般建設(shè)工程不應(yīng)少于12通道（4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)），重要建設(shè)工程不應(yīng)少于18通道（6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)）。賴敏強(qiáng)調(diào)，觀測(cè)點(diǎn)要布置在工程結(jié)構(gòu)反應(yīng)的關(guān)鍵和敏感部位，強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)通過(guò)螺栓固定在觀測(cè)點(diǎn)上，布設(shè)室外電纜時(shí)，須穿入鍍鋅鐵管內(nèi)加以保護(hù)并固定。

U442

B

1009-7716（2017）04-0096-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.028

2017-01-10

卿前志（1985-），男，湖南邵陽(yáng)人，工程師，從事道路橋梁設(shè)計(jì)工作。