彭亞東 何維利 徐德標(biāo)

（北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 100082）

引言

鋼-混凝土疊合梁是指通過在鋼梁和混凝土翼緣板之間設(shè)置剪力連接件（目前實(shí)際工程主要為栓釘），抵抗兩者在交界面處的掀起及相對滑移，使之成為一個整體而共同工作的主梁。鋼-混凝土疊合梁橋剛度更大，噪音較小［1］。同混凝土梁相比能夠有效降低梁高，減輕自重，提升跨越能力；同鋼梁相比能夠減少用鋼量，節(jié)約造價，增大剛度和穩(wěn)定性，且采用預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板比鋼橋面耐久性、耐疲勞性能更好。從施工上來說，鋼-混凝土疊合梁橋采用的是工廠預(yù)制和現(xiàn)場澆筑相結(jié)合，這樣能發(fā)揮預(yù)制與現(xiàn)澆各自的優(yōu)點(diǎn)。從造價上來看，鋼-混凝土疊合梁橋比鋼箱梁橋更加經(jīng)濟(jì)合理。由于城市空間限制以及施工階段交通不中斷等要求，鋼-混凝土疊合梁橋無支架施工被廣泛應(yīng)用［2］。

本文以海淀區(qū)上莊路跨京密引水渠橋?yàn)槔?，通過優(yōu)化鋼-混凝土疊合梁橋構(gòu)造使其充分發(fā)揮鋼材和混凝土的材料性能，改善閉口封閉斷面的檢查維護(hù)困難問題，控制鋼-混凝土疊合梁橋橋面板預(yù)制時段和澆筑順序及鋼梁制作段安裝階段，并優(yōu)化橋面板鋼束布置方式，從而達(dá)到改善結(jié)構(gòu)受力降低材料用量的目的。

1 工程概況

上莊路跨京密引水渠橋全長667m，橋?qū)?7m，跨徑組合為2×（30+30+30）+（32+63+32）+4×（30+30+30）m，其中引橋?yàn)?×30m先簡支后連續(xù)小箱梁，主橋?yàn)椋?2+63+32）m鋼-混凝土疊合梁。圖1為京密引水渠主路橋布置示意。

主橋中跨跨越京密引水渠，邊跨跨越現(xiàn)況黑龍?zhí)堵?，受橋下凈空等邊界條件限制，主梁梁高為2.4m，主梁高跨比達(dá)到1/26.25。為盡可能降低橋梁施工對現(xiàn)況黑龍?zhí)堵方煌ê途┟芤踩挠绊?，主橋?混疊合梁中跨擬不設(shè)置臨時支墩，采用無支架工法施工。

2 方案設(shè)計

鋼-混凝土疊合梁的典型斷面為鋼梁在下混凝土橋面板在上，兩者通過剪力釘連接。由于鋼梁部分主要在截面中性軸以下，混凝土橋面板在截面中心軸以上，故當(dāng)截面在承受正彎矩內(nèi)力時（如荷載作用下的簡支梁中跨跨中和連續(xù)梁中跨跨中），下緣鋼材受拉、上緣混凝土受壓，這樣充分發(fā)揮了兩種材料的性能；但當(dāng)截面在承受負(fù)彎矩內(nèi)力時（如荷載作用下的連續(xù)梁中支點(diǎn)），上緣的橋面板承受較大的拉應(yīng)力，同時考慮收縮徐變和溫度的作用，此處混凝土橋面板極易開裂，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全和耐久性。在實(shí)際工程中，為了使連續(xù)梁中支點(diǎn)上緣橋面板滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）抗裂要求，通常需要在此處設(shè)置大量頂板負(fù)彎矩鋼束。

以京密引水渠橋?yàn)槔?，常?guī)疊合梁斷面如圖2所示。

為降低橋面板的厚度減輕自重，分離式鋼箱單箱寬度取1.8m，兩箱橫向間距1.3m，橋面板懸臂1.075m。

常規(guī)鋼-混疊合梁的施工方式為：搭設(shè)臨時支架→架設(shè)鋼梁制作段并連接成整體→澆筑橋面板混凝土→橋面板混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后張拉體外預(yù)應(yīng)力、橋面板鋼束→拆除支架，施工橋面附屬。

當(dāng)連續(xù)梁跨徑較大且梁高受限時，采用該方案施工，中支點(diǎn)負(fù)彎矩內(nèi)力較大，橋面板需要配置較多負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力短束，以滿足抗裂要求，而大量短束錨固會在橋面板內(nèi)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，為了抵消此拉應(yīng)力又需要設(shè)置通長頂板束，這樣既增加造價又提高了施工難度。本文提出以下幾種成橋施工方案，通過比較關(guān)鍵點(diǎn)處的計算指標(biāo)，探索較優(yōu)方案。

為避免預(yù)應(yīng)力鋼束布置對計算結(jié)果的影響，在荷載相同，不張拉預(yù)應(yīng)力的前提下，比較各施工方案中墩墩頂、中跨跨中幾個關(guān)鍵點(diǎn)處混凝土橋面板和鋼梁的應(yīng)力及主梁中跨跨中撓度值。

本文采用橋梁博士V3.6有限元程序建立平面桿系模型進(jìn)行施工階段計算，主梁和墩柱采用梁單元模擬，中墩采用固定支座，邊墩采用板式橡膠支座，墩底固結(jié)。模型計算參數(shù)如下：

（1）一期恒載包括主梁材料重，預(yù)應(yīng)力混凝土容重取26kN/m3；

（2）二期恒載包括鋼梁橫向加勁肋、橋面鋪裝、防撞護(hù)欄等；

（3）鋼梁橫向加勁肋：荷載4kN/m；

（4）鋼模板、橫向聯(lián)系：荷載2kN/m；

（5）橋面鋪裝：瀝青混凝土鋪裝厚11cm，容重25kN/m3；

（6）鋼筋混凝土鋪裝厚：10cm，容重25kN/m3；

（7）防撞護(hù)欄：單側(cè)荷載9kN/m；

（8）收縮徐變時間取10年，即3600天；

（9）汽車荷載等級：城市A級；

（10）橫向偏載增大系數(shù)：1.20；

（11）車道折減系數(shù)：按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）要求取值；

（12）沖擊系數(shù)：程序自動計算；

（14）局部溫差：按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中第4.3.10條計算；

（15）各基礎(chǔ)不均勻沉降均按5mm計算，程序自動按最不利進(jìn)行組合。

各方案施工順序及計算結(jié)果見第3節(jié)。

3 成橋方案對比

常規(guī)方案一（以下簡稱方案一）步驟如圖3所示，具體施工順序如下：

圖3 方案一步驟Fig.3 The steps of the first plan

（1）架設(shè)臨時支墩，架設(shè)邊跨鋼梁，施工邊跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖3a；

（2）架設(shè)中跨鋼梁，鋼梁縱向連接成整體，施工中跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖3b；

（3）施工支點(diǎn)橫梁，橋面板鋼模板，見圖3c；

（4）澆筑全橋橋面板，見圖3d；

夸德曼給出的這個紳士定義，明顯體現(xiàn)了“帝國的懷舊”情結(jié)。在一個鐵路和汽船已成為主要交通工具的時代，這位老獵手和爵士懷念的是“廣闊的大海和上帝的狂風(fēng)”，盡管此次出門旅行并非海上冒險，但徒步穿越浩瀚的非洲沙漠和示巴女王的雪山，追尋所羅門國王遺留的寶藏，也足以激發(fā)一個“真正的紳士”的探險激情和男子勇氣了。

（5）橋面板混凝土達(dá)到強(qiáng)度參與結(jié)構(gòu)受力，拆除臨時支架，見圖3e；

（6）進(jìn)行橋面鋪裝等附屬結(jié)構(gòu)施工，見圖3e。

方案一計算結(jié)果見表1，表中成橋狀態(tài)為不配置預(yù)應(yīng)力，短效組合為配置相同預(yù)應(yīng)力，其余表相同。

表1 方案一計算結(jié)果Tab.1 The Result of the first plan

常規(guī)方案二（以下簡稱方案二）步驟如圖4所示，具體施工順序如下：

（1）架設(shè)臨時支墩，架設(shè)邊跨鋼梁，進(jìn)行邊跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖4a；

（2）吊裝中跨鋼梁，與邊跨鋼梁連接成整體，進(jìn)行中跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖4b；

（3）施工支點(diǎn)橫梁以及橋面板鋼模板，見圖4c；

（4）拆除所有臨時支架，見圖4c；

（5）澆筑全橋橋面板，見圖4d；

（6）橋面板混凝土達(dá)到強(qiáng)度參與結(jié)構(gòu)受力，見圖4d；

（7）進(jìn)行橋面鋪裝等附屬結(jié)構(gòu)施工，見圖4d。

方案二計算結(jié)果見表2。

表2 方案二計算結(jié)果Tab.2 The Result of the second plan

圖4 方案二步驟Fig.4 The steps of the second plan

由表1、表2可知，方案二較方案一中墩墩頂橋面板拉應(yīng)力降低近40%，這樣能節(jié)約大量中墩墩頂橋面板短束。但由于短束錨固、混凝土收縮和溫度梯度的共同作用，使得短效組合中跨跨中橋面板混凝土上緣產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力（約-4.8MPa），要滿足規(guī)范B類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件抗裂要求，仍需配置一定量的負(fù)彎矩短束［3］。經(jīng)橋梁博士V3.6有限元程序計算，需要在中墩墩頂橋面板配置24根15-10預(yù)應(yīng)力鋼束，此時中墩墩頂橋面板拉應(yīng)力為-1.37MPa。

如要消除這部分拉應(yīng)力，目前常規(guī)做法是增加橋面板通長鋼束，但這樣會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼束用量大幅提高。為了解決這一問題，我們研究提出了一種成橋新方案，即中跨采用吊裝疊合梁，橋面板為部分預(yù)制加現(xiàn)澆濕接縫的形式，利用先期疊合梁自重產(chǎn)生的橋面板壓應(yīng)力來抵消這部分拉應(yīng)力。具體斷面如圖5所示。

圖5 成橋新方案中跨采用預(yù)制橋面板斷面Fig.5 The steel-concrete beam with Prefabricated bridge deck diagram

成橋新方案（以下簡稱新方案）步驟如圖6所示，具體施工順序如下：

（1）架設(shè)臨時支墩，架設(shè)邊跨鋼梁，進(jìn)行邊跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖6a；

（2）施工支點(diǎn)橫梁、橋面板鋼模板，見圖6b；

（3）吊裝中跨疊合梁（采用無支架工法），鋼梁連接成整體，進(jìn)行中跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖6c；

（4）拆除所有邊跨臨時支架，見圖6d；

（5）澆筑剩余邊跨橋面板、中墩墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面板，見圖6d；

（6）橋面板混凝土達(dá)到強(qiáng)度參與結(jié)構(gòu)受力，見圖6d；

（7）進(jìn)行橋面鋪裝等附屬結(jié)構(gòu)施工，見圖6d。

新方案計算結(jié)果見表3。

表3 新方案計算結(jié)果Tab.3 The result of new plan

圖6 新方案步驟Fig.6 The steps of new plan

由表3可知，在不配置預(yù)應(yīng)力的情況下，成橋時新方案中跨跨中橋面板上緣產(chǎn)生3.35MPa的壓應(yīng)力，該壓應(yīng)力能有效抵消橋面板由于短束錨固、混凝土收縮和溫度梯度產(chǎn)生的拉應(yīng)力，且新方案為疊合梁吊裝，故中跨跨中撓度也較方案二顯著降低，同時新方案取消了中跨臨時支架，既方便施工，又避免了施工臨時支架對京密引水渠的污染。

經(jīng)計算當(dāng)新方案配置與方案二同樣的鋼束時，短效組合中墩墩頂橋面板拉應(yīng)力相對于方案二降低了0.06MPa，中跨跨中上緣橋面板拉應(yīng)力顯著降低了4.2MPa，節(jié)省了橋面板通長鋼束的設(shè)置，既節(jié)約造價又方便施工。

新方案第（3）步吊裝中跨疊合梁，目的是在中跨跨中上緣橋面板產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力儲備，抵消橋面板由于短束錨固、混凝土收縮和溫度梯度產(chǎn)生的拉應(yīng)力。實(shí)際上如果條件允許，要達(dá)到此目的還可以采取在中跨跨中設(shè)置臨時支墩再澆筑中跨跨中橋面板，然后拆除中跨跨中臨時支架的方法。新方案的等效方案步驟如圖7所示，具體施工順序如下：

（1）在邊跨及中跨跨中設(shè)置臨時支墩，架設(shè)邊跨鋼梁，進(jìn)行邊跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖7a；

（2）施工支點(diǎn)橫梁、橋面板鋼模板，見圖7b；

（3）吊裝中跨鋼梁（采用無支架工法），鋼梁連接成整體，進(jìn)行中跨鋼梁橫向聯(lián)系，見圖7b；

（5）澆筑中跨跨中部分橋面板，見圖7c；

（6）中跨跨中橋面板混凝土達(dá)到強(qiáng)度參與結(jié)構(gòu)受力，見圖7c；

（7）拆除臨時支墩，見圖7d；

（8）澆筑剩余部分橋面板混凝土，見圖7d；

（9）進(jìn)行橋面鋪裝等附屬結(jié)構(gòu)施工，見圖7d。

圖7 新方案的等效方案Fig.7 The steps of another new plan

4 截面優(yōu)化

根據(jù)4個方案比較可知，新方案不需要搭設(shè)中墩臨時支架，且新方案中跨跨中上緣橋面板有一定的壓應(yīng)力儲備，不需要設(shè)置通長鋼束，既節(jié)省造價又方便施工。但4個方案有一個共同特點(diǎn)，即成橋狀態(tài)時，中跨跨中下緣鋼梁的拉應(yīng)力不足70MPa，鋼材的受拉性能沒有充分發(fā)揮，故有必要研究是否可以取消跨中鋼箱底板。

因此提出鋼-混疊和梁截面優(yōu)化方案，即將跨中部分箱形斷面改為工字形斷面，優(yōu)化后的斷面見圖8。

按優(yōu)化后的斷面，利用橋梁博士V3.6有限元程序建立模型，按新方案施工順序進(jìn)行縱向整體計算。計算結(jié)果見表4。

表4 截面優(yōu)化方案計算結(jié)果Tab.4 The result of plan with optimized section

在不配置預(yù)應(yīng)力的情況下，成橋時截面優(yōu)化方案較新方案中跨跨中鋼梁下緣拉應(yīng)力增大26MPa，撓度稍微增大12mm。當(dāng)與新方案配置同樣鋼束時，截面優(yōu)化方案相對于新方案短效組合中墩墩頂橋面板拉應(yīng)力又降低了0.54MPa，中跨跨中上緣橋面板拉應(yīng)力顯著降低了0.4MPa。

圖8 中跨跨中斷面（隔板處）Fig.8 The cross section at middle span

截面優(yōu)化方案由于將箱形斷面改為工字形斷面，取消了鋼箱底板，材料用量大幅降低，且便于鋼梁的后期維護(hù)［4］。

5 綜合對比

綜合各方案計算結(jié)果見表5。

表5 各方案對比結(jié)果Tab.5 The results of different plans

由表5可知截面優(yōu)化方案應(yīng)力情況最好，且其材料用量指標(biāo)也較低，新方案與截面優(yōu)化方案的主要材料用量指標(biāo)對比見表6。

表6 材料用量指標(biāo)Tab.6 The material consumption index of different plans

6 結(jié)語

鋼-混疊合梁的成橋狀態(tài)與施工方案息息相關(guān)，合理的施工方案既方便了施工，又能充分發(fā)揮材料性能。本文通過對以上三種施工方案的整體數(shù)據(jù)對比可以得出如下結(jié)論：①先吊裝中跨疊合梁（或在中跨跨中設(shè)置臨時支墩，澆筑中跨跨中橋面板）→②拆除臨時支架→③最后澆筑中支點(diǎn)橋面板，該施工方案能夠有效降低橋面板的成橋拉應(yīng)力。吊裝中跨疊合梁（或在中跨跨中設(shè)置臨時支墩）能夠在中跨跨中儲備一定的壓應(yīng)力，抵消橋面板由于短束錨固、混凝土收縮和溫度梯度產(chǎn)生的拉應(yīng)力，避免設(shè)置通長預(yù)應(yīng)力鋼束，既節(jié)省材料又方便施工。先澆筑中跨跨中橋面板，然后拆除臨時支架再澆筑中支點(diǎn)橋面板，能夠有效降低中墩墩頂橋面板負(fù)彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而減少負(fù)彎矩鋼束用量。而采用工字型鋼梁截面可以充分發(fā)揮鋼材受拉的性能，減少鋼材用量，降低后期維護(hù)難度。希望該工程實(shí)踐能夠給類似工程設(shè)計提供借鑒。

致謝

本文在撰寫過程中得到了院專業(yè)副總工何維利教授、室主任徐德標(biāo)教授的無私指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝。