張大偉
(天津城建設計院有限公司,天津市 300122)
相對于鋼筋混凝土橋梁,鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有自重輕、材料力學性能明確、破壞機理清晰、質(zhì)量可靠度高、耐久性好、易于工廠化、自動化生產(chǎn)、施工速度快、建筑周期短、抗震性能好、節(jié)能環(huán)??裳h(huán)利用等優(yōu)點,是橋梁發(fā)展的趨勢。由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁的跨越能力較強,國內(nèi)很多大橋已經(jīng)普遍采用鋼結(jié)構(gòu),但是在中、小跨徑橋梁中應用的并不多。伴隨著國家的經(jīng)濟發(fā)展、鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)能提高以及國家產(chǎn)業(yè)政策的支持,在中、小跨徑橋梁中大量采用鋼結(jié)構(gòu)是目前橋梁發(fā)展的趨勢。
中、小跨徑橋梁可采用的鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)主要有鋼箱梁、鋼-混組合梁等。鋼箱梁抗扭能力強、整體性好、適用城市立交中異型、曲線橋以及大跨度連續(xù)梁橋,鋼箱梁整體用鋼量較大,造價較高,同時由于鋼橋面的特殊性,需采用特殊鋪裝結(jié)構(gòu),施工難度大且經(jīng)濟性較差。鋼-混凝土組合梁可以充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)受拉、混凝土受壓的材料特點,充分利用材料性能,從而達到節(jié)省鋼材的目的,用鋼量較低。同時橋面可以采用常規(guī)的鋪裝形式,施工簡單,造價低。因此在中、小跨徑橋梁中采用鋼-混組合梁是比較合理的結(jié)構(gòu)形式。
在鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)中,鋼板組合梁更具有優(yōu)越性,鋼板組合梁的鋼縱梁多采用開口工字鋼,由于是開口截面,因此鋼板組合梁在制作及安裝等方面都很便捷(見圖1);從受力性能方面考慮,鋼板組合梁比較適合于中、小跨徑橋梁(30~50 m);同時鋼板組合梁體積和重量都比較適中,更便于運輸以及安裝;相對于鋼箱組合梁,鋼板組合梁用鋼量更小,經(jīng)濟性更好[1-4]。
圖1 鋼板組合梁
為了保證橋梁線形的流暢性以及行車舒適性,中、小跨徑鋼板組合梁多采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu),而鋼板組合梁的特點在于發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)受拉、混凝土受壓的材料特點,充分利用材料性能,從而達到節(jié)省鋼材的目的。而對于連續(xù)梁的支點處負彎矩區(qū),組合梁的受力方式為鋼結(jié)構(gòu)受壓、混凝土受拉。鋼結(jié)構(gòu)受壓可以通過設置局部加勁肋等構(gòu)造措施解決,而混凝土拉應力過大則會產(chǎn)生裂縫,如果裂縫寬度過大則難以滿足規(guī)范要求,同時裂縫過大也不利于橋梁的耐久性。因此解決鋼板組合梁負彎矩區(qū)混凝土受拉裂縫問題是鋼板組合梁設計的難點。
在鋼板組合梁結(jié)構(gòu)設計過程中,通??刂曝搹澗貐^(qū)混凝土裂縫的方法主要有以下幾種:
(1)采用高性能混凝土(微膨脹纖維混凝土),
用現(xiàn)代混凝土技術(shù)提高普通混凝土性能,以耐久性作為設計的主要指標,針對于不同的用途要求,保證混凝土的適用性和強度,并達到高耐久性、高體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。
(2)調(diào)整混凝土橋面板的施工順序
合理調(diào)整混凝土的澆筑順序,如在連續(xù)組合梁中先澆正彎矩區(qū)混凝土,后澆支座負彎矩區(qū)混凝土,能夠減少負彎矩區(qū)混凝土的受力,同時也可以降低收縮徐變等不利因素對混凝土開裂的影響。
(3)支點強迫位移法
該方法在橋梁架設時,增加中支點臨時支座的高度,待負彎矩區(qū)混凝土澆筑硬化以后,再降低中支點的高度(落梁),從而使受拉區(qū)的混凝土橋面板受壓,從而達到抗裂目的。
(4)張拉預應力鋼束
通過在連續(xù)組合梁橋負彎矩區(qū)段張拉縱向預應力筋的方法,對受拉區(qū)混凝土橋面板施加壓應力,保證受拉區(qū)混凝土橋面板的抗裂性。
(5)采用預制橋面板(存梁6個月)
預制橋面板需要存梁6個月以上,可以有效減小收縮徐變的不利影響,從而達到控制裂縫的目的。
組合梁橋負彎矩張拉預應力是一種比較常見的做法,但是一般常用于大跨徑組合梁橋,小跨徑組合梁橋負彎矩預應力鋼束較短,預應力損失較大,難以達到理論的鋼束應力值要求,同時施工工序也比較復雜。中、小跨徑橋梁施工時,施工工期以及施工的便利性都是需要重點考慮的因素,因此在中、小跨徑組合梁施工時,采用調(diào)整混凝土橋面板的施工順序以及支點強迫位移法是合理的方式。如果有充足的存梁時間和場地,采用預制混凝土橋面板也是一種有效的方法。
本工程為城市跨線立交橋,現(xiàn)狀交通十分繁忙,擁堵問題嚴重,同時本項目施工期間難以實現(xiàn)有效的交通分流。為了最大程度較少對交通的影響,在不斷交的前提下最大程度減少工期,本項目全橋采用鋼板組合梁結(jié)構(gòu),在實現(xiàn)橋梁快速施工,保證現(xiàn)場不斷交的前提下,同時解決傳統(tǒng)橋梁的交通、污染、養(yǎng)護等方面的問題。
橋梁上部結(jié)構(gòu)采用5×30 m跨鋼板組合梁形式,結(jié)構(gòu)連續(xù),單幅橋梁寬度10.5 m,為了保證橋下通行凈空,最大程度降低梁高,橫橋向設置四片鋼縱梁。為了確定合理的梁高以及混凝土橋面板的施工方法,分別對不同縱梁高度、落梁高度以及負彎矩區(qū)橋面板施工方法進行了計算比選,結(jié)果見表1~表3。
表1 負彎矩橋面板現(xiàn)澆、落梁(1、3號墩:400 mm;2 號墩:530 mm)
表2 負彎矩橋面板現(xiàn)澆、落梁(1、3號墩:450 mm;2 號墩:600 mm)
表3 負彎矩橋面板預制、落梁(1、3號墩:400 mm;2號墩:530 mm)
通過表1可見,三種梁高的鋼梁應力以及裂縫大小變化有限,從經(jīng)濟性以及減小梁高的角度考慮,選擇1 200 mm梁高較合理;通過表1與表2對比可見,在1、3號墩落梁400 mm、2號墩落梁530 mm的基礎上再增加落梁高度效果不明顯,因此維持原落梁高度(1、3號墩:400 mm;2 號墩:530 mm)較合理;通過表1與表3對比可見,負彎矩區(qū)橋面板采用預制橋面板(存梁6個月),可以有效的減少混凝土收縮徐變的不利影響,從而減小負彎矩混凝土裂縫。橋梁最終方案采用1 200 mm梁高,鑒于本項目規(guī)模不大,負彎矩區(qū)混凝土推薦采用現(xiàn)澆的方式,并且采用落梁施工。
(1)中、小跨徑橋梁采用鋼板組合梁,通過調(diào)整施工順序以及采用落梁等施工方式,可以有效的解決負彎矩區(qū)裂縫過大的問題,從而滿足規(guī)范要求。
(2)負彎矩區(qū)混凝土采用預制結(jié)構(gòu)(存梁6個月),可以有效的減少混凝土收縮徐變的不利影響,從而減小混凝土裂縫。
(3)如果工程規(guī)模較大,具備存梁的時間以及場地要求,建議采用預制橋面板方案。
(4)如果橋梁規(guī)模有限,同時受到整體工期安排、存梁場地的限制,可采用負彎矩混凝土現(xiàn)澆結(jié)合落梁的施工方案。