楊敏捷

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070)

1 引言

近年來，我國(guó)各城市軌道交通建設(shè)發(fā)展如火如荼，在城際線路和市郊區(qū)段，多采用高架敷設(shè)方式。軌道交通橋梁所承受的荷載、移動(dòng)荷載的沖擊力以及行車密度均較大，且對(duì)于行車時(shí)的舒適度要求較為嚴(yán)格。因此，需要橋梁結(jié)構(gòu)能夠提供更大的剛度、更高的強(qiáng)度、更好的耐疲勞特性和耐久性能。鋼-混組合梁相比于鋼梁剛度更大，相比于混凝土梁強(qiáng)度更高、更不易開裂，且施工速度明顯提升，因此在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

鋼-混組合梁的特點(diǎn)在于負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板由于受拉作用容易損傷開裂，極大地影響到橋梁安全及其耐久性。本文不僅歸納對(duì)比了改善負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的處理措施，并介紹了一種已成功應(yīng)用于眾多實(shí)際工程中的新型抗拔不抗剪連接件，以此來解決鋼-混組合梁混凝土橋面板損傷開裂的問題。

2 工程概述

本文以長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線北延一期工程跨越開順路橋梁工點(diǎn)進(jìn)行論述。開順路寬43 m，與線路正交，線路采用(40＋60＋40)m鋼-混組合連續(xù)梁橋跨越。

鋼-混組合連續(xù)梁采用單箱單室等截面結(jié)構(gòu)，梁寬為10.2 m，梁高為2.9 m，其中鋼梁高2.5 m，橋面板高0.4 m。

沿梁體縱向，全橋混凝土橋面板均采取統(tǒng)一厚度，橫向采用變截面設(shè)計(jì)。兩側(cè)懸挑2.55 m，懸臂外緣厚200 mm，從懸臂外緣到鋼梁腹板上緣變化至400 mm，再逐漸減小至鋼箱梁內(nèi)保持在250 mm。

縱向以中支點(diǎn)為中心前后各12 m范圍內(nèi)鋼箱梁為閉口截面，其余部分為開口截面。梁的開口截面段腹板所對(duì)應(yīng)的上翼緣寬度為600 mm，邊跨的正彎矩區(qū)厚度為25 mm，中跨正彎矩區(qū)厚25 mm，支座負(fù)彎矩區(qū)厚38 mm。梁底板厚度:邊跨正彎矩區(qū)為20 mm，橋墩處負(fù)彎矩區(qū)為34 mm，中跨正彎矩區(qū)為25 mm，梁腹板跨中為16 mm，支點(diǎn)增至20 mm。梁內(nèi)每隔6 m需設(shè)置橫隔板一道，橫隔板厚14 mm，每隔1.5 m需設(shè)置豎向加勁肋一道。組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位:mm)

3 組合梁負(fù)彎矩區(qū)常規(guī)處理方法

鋼-混組合梁相較于其他梁型結(jié)構(gòu)，最顯著的影響就是橋墩處負(fù)彎矩區(qū)的混凝土橋面板因拉應(yīng)力作用而產(chǎn)生裂縫。這種情況的存在極具破壞性，若不加以控制，將影響橋梁的安全性與耐久性。因此需采取措施對(duì)負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行處理，以控制橋面板的裂縫[1-2]。

結(jié)合鋼-混組合梁負(fù)彎矩區(qū)的力學(xué)特點(diǎn)，常規(guī)的處理方案可采用張拉預(yù)應(yīng)力鋼束法、強(qiáng)配筋法、支點(diǎn)升降法、雙層組合法、部分組合梁法、跨中施加配重法、優(yōu)化混凝土橋面板施工順序法等來防止混凝土橋面板損傷開裂。

(1)張拉預(yù)應(yīng)力鋼束法

將預(yù)應(yīng)力鋼束布置在混凝土橋面板的負(fù)彎矩區(qū)，增大開裂荷載，以此抵抗橋面板損傷開裂(見圖2)。

圖2 施加預(yù)應(yīng)力流程

(2)強(qiáng)配筋法

橋墩處(負(fù)彎矩區(qū))橋面板中配置合理數(shù)量的鋼筋，增加混凝土的抗拉能力和截面剛度，控制橋面板損傷開裂使之處于允許范圍內(nèi)。經(jīng)研究，橋面板配筋率為3% ～4.5%，裂縫寬度≤0.2 mm。

(3)支點(diǎn)升降法

在中支座位置將鋼箱梁豎向頂升，后澆負(fù)彎矩橋面板，待兩者結(jié)合后將梁下降至設(shè)計(jì)高程。此時(shí)，橋面板內(nèi)會(huì)因梁體的“一升一降”產(chǎn)生部分預(yù)壓應(yīng)力，由此實(shí)現(xiàn)減小甚至消除裂縫(見圖3)。

圖3 支座頂升流程

(4)雙層組合法

在負(fù)彎矩區(qū)上下緣同時(shí)設(shè)置混凝土段，形成“夾心漢堡”一樣的鋼混結(jié)構(gòu)，增大截面抗彎慣性矩，由此使鋼梁頂部橋面板受拉作用大大削弱，混凝土損傷開裂的概率大幅減小(見圖4)。

圖4 鋼梁混凝土板澆筑流程

(5)部分組合梁法

在正彎矩區(qū)進(jìn)行鋼混組合，而在負(fù)彎矩區(qū)不組合或者柔性組合，從而顯著減小橋墩處混凝土橋面板內(nèi)的拉應(yīng)力，避免裂縫出現(xiàn)。

(6)跨中配重法

采用跨中配重也是防止橋面板損傷開裂的有效方法。先對(duì)主邊跨跨中分別進(jìn)行加載配重(一般選用水箱)，然后將橋墩處(負(fù)彎矩區(qū))橋面板澆筑完成，待混凝土硬化且強(qiáng)度達(dá)到要求后撤去臨時(shí)配重荷載。因跨中(正彎矩區(qū))壓重被卸載，讓橋墩處(負(fù)彎矩區(qū))橋面板內(nèi)存在預(yù)壓應(yīng)力，即可有效避免開裂(見圖5)。

圖5 預(yù)加荷載流程

(7)優(yōu)化橋面板施工順序法

采取“先鋼梁，分段橋面板”的方法，盡可能滯后澆筑橋墩處(負(fù)彎矩區(qū))的橋面板，從而減小橋墩處由于負(fù)彎矩產(chǎn)生的橋面裂縫。但本方法無法從根本上解決橋梁運(yùn)營(yíng)后荷載引起的橋面板損傷開裂問題。

4 新型抗拔不抗剪連接件

所謂抗拔不抗剪連接技術(shù)[3]，就是在墩頂處(負(fù)彎矩區(qū))設(shè)置新型的抗拔不抗剪連接件。通過這種新型的抗拔不抗剪連接件將鋼梁與橋面混凝土連接組合，連接件抗拔作用保證鋼梁與橋面板不分離，而連接件不抗剪則允許橋面板縱向滑動(dòng)。這種特殊設(shè)定降低了混凝土板所受拉應(yīng)力的影響，不會(huì)引起損傷開裂。此種連接件材質(zhì)跟傳統(tǒng)栓釘連接件一致，主體結(jié)構(gòu)分為螺桿與螺帽兩個(gè)部分。具體步驟為:先將螺桿焊接于鋼梁頂部，然后將低彈模材料(泡沫塑料、橡膠等)固定于螺桿周圍，最后擰上螺帽即可。整個(gè)操作簡(jiǎn)單方便，除了連接效果優(yōu)良，便捷性的優(yōu)勢(shì)更加凸顯(見圖6)[4-6]。

圖6 新型抗拔不抗剪連接件構(gòu)造

低彈模材料是指具有低彈性模量的材料，比如常用的泡沫塑料，是由大量氣體微孔分散于固體塑料中而形成的一類高分子材料，具有質(zhì)輕、絕熱、吸音、防振、耐潮、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，尤其是耐久性能很大程度匹配結(jié)構(gòu)全壽命周期[7-9]。

為保證設(shè)計(jì)中螺桿頸縮被拉斷前混凝土不出現(xiàn)沖切破壞，由此得到抗拔不抗剪連接件的設(shè)計(jì)參數(shù)，其表達(dá)式如下:

式中，fys為螺桿抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Sh＝π[(2h0＋dh)2-]/4；h0為沖切破壞面高度，即螺桿有效埋置深度。

為了發(fā)揮抗拔不抗剪連接件的作用，需遵循如下施工要點(diǎn):(1)架設(shè)鋼梁以及臨時(shí)支撐，在負(fù)彎矩區(qū)下部澆筑混凝土；(2)在正彎矩區(qū)澆筑橋面板混凝土；(3)拆除臨時(shí)支撐；(4)在負(fù)彎矩區(qū)澆筑橋面板混凝土；(5)進(jìn)行預(yù)留槽混凝土施工。

該連接件己成功應(yīng)用于眾多實(shí)際工程中，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在:一是依靠鋼梁和混凝土橋面板之間的滑動(dòng)，在保證鋼梁與橋面板不分離的前提下，有效釋放墩頂處(負(fù)彎矩區(qū))橋面板中的拉應(yīng)力；二是能提高鋼-混組合梁的使用性能、耐久性能；三是連接件構(gòu)造簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、施工方便[10]。

各類負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)方法的優(yōu)劣比較分析見表1。

表1 設(shè)計(jì)方法對(duì)比

通過負(fù)彎矩區(qū)設(shè)計(jì)方法比較分析，新型抗拔不抗剪連接件作為一種方便經(jīng)濟(jì)且能很好地提供更大剛度、更高強(qiáng)度、更好耐疲勞特性和耐久性能的方法，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于軌道交通鋼-混組合梁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中。

5 設(shè)計(jì)方案

軌道交通1號(hào)線北延一期工程(40＋60＋40)m鋼混組合連續(xù)梁的鋼箱梁與混凝土橋面板，通過連接件連接在一起共同工作。正彎矩區(qū)采用傳統(tǒng)栓釘，負(fù)彎矩區(qū)采用新型抗拔不抗剪連接件，布置范圍為中支點(diǎn)兩側(cè)各10 m，以有效解決負(fù)彎矩區(qū)開裂問題。

5.1 剪力釘抗剪強(qiáng)度計(jì)算

剪力釘直徑d＝22 mm，長(zhǎng)度l＝200 mm，滿足l/d＝9＞4。剪力釘在支點(diǎn)附近沿縱向布置間距為150 mm，跨中部分沿縱向布置間距為300 mm，均大于6d＝132 mm，小于4倍混凝土板厚1 800 mm，且小于400 mm；每個(gè)腹板頂橫向布置5個(gè)剪力釘，間距為100 mm，大于4d＝88 mm，剪力釘至翼緣邊緣凈距為89 mm，大于20 mm限值。剪力釘布置均滿足《城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]第7.5.8～7.5.14條構(gòu)造要求。依據(jù)《城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.4.13條，單個(gè)剪力釘抗剪強(qiáng)度見表2，抗剪強(qiáng)度包絡(luò)圖見圖7～圖8。

表2 圓柱頭焊釘抗剪承載力

圖7 主力組合剪力釘抗剪強(qiáng)度包絡(luò)圖(單位:kN)

圖8 主＋附組合剪力釘抗剪強(qiáng)度包絡(luò)圖(單位:kN)

5.2 剪力釘滑移驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[12]9.3.2及9.3.5條規(guī)定，剪力釘?shù)目辜魟偠纫约盎朴?jì)算結(jié)果見表3。

表3 圓柱頭焊釘抗剪剛度及滑移計(jì)算結(jié)果

5.3 剪力釘疲勞驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，疲勞細(xì)節(jié)類別抗力Δτc＝90 MPa，計(jì)算單釘疲勞承載力見表4。

表4 單個(gè)剪力釘疲勞承載力

根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中第7.4條的規(guī)定，在疲勞荷載作用下剪力釘?shù)钠趶?qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 疲勞荷載作用下剪力釘疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

實(shí)際剪力釘個(gè)數(shù)每延米33個(gè)，大于需求個(gè)數(shù)，滿足要求。

6 結(jié)束語

鋼-混組合梁優(yōu)點(diǎn)顯著，契合了城市軌道交通高架橋跨度大、剛度大、景觀好、乘坐舒適等要求。本文在研究負(fù)彎矩區(qū)解決混凝土開裂方法的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡釋了一種新型抗拔不抗剪連接件，不僅能保證結(jié)構(gòu)的極限承載力，而且能保障結(jié)構(gòu)的整體剛度。本方法很好地解決了負(fù)彎矩區(qū)橋面板的抗裂關(guān)鍵設(shè)計(jì)難點(diǎn)，鋼-混組合梁將在軌道交通領(lǐng)域具有更好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。