宗金東 周孫基 劉 婧

（1.湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，武漢 430051；2.奧來國信（北京） 檢測技術(shù)有限責任公司，北京 101138）

鋼混組合梁橋， 以混凝土橋面板和鋼結(jié)構(gòu)主梁，通過剪力鍵連接在一起共同承受荷載的一種橋梁結(jié)構(gòu)型式。 其采用混凝土橋面板避免了鋼橋面板的疲勞耐久性破壞和鋪裝破壞， 而鋼結(jié)構(gòu)主梁可充分發(fā)揮鋼材的受拉特點， 從而成為了一種強度高、剛度大、延性好的橋梁結(jié)構(gòu)型式[1]。 自20 世紀50 年代，組合梁橋在歐美和日本得到了廣泛的應用，例如法國，在40～60 m 跨徑的橋梁中，組合梁占比達到40%，而60～80 m 跨徑橋梁中，組合梁占比達到80%以上，日本、德國和美國的應用也相當廣泛。 在我國，最近幾十年，隨著橋梁建設的不斷發(fā)展，鋼混組合梁因其合理性、耐久性、施工快捷等優(yōu)越性能而越來越廣泛應用于市政公路與普通公路建設中。

組合連續(xù)梁橋，在跨越能力、抗傾覆能力、經(jīng)濟性等方面明顯優(yōu)于簡支橋， 因此在組合梁橋中占據(jù)較大比例。但是，組合連續(xù)梁橋作為一種超靜定結(jié)構(gòu)，在各種作用下，其中支點附近會產(chǎn)生負彎矩，將鋼筋混凝土橋面板置于受拉區(qū)，而鋼梁下翼緣處于受壓區(qū)， 這樣在負彎矩區(qū)域的組合梁就沒有發(fā)揮混凝土和鋼材的力學特性， 其構(gòu)件受力是不合理的[2]。 在這種受力作用下，橋面板的極易開裂將導致組合梁剛度的降低及鋼筋和鋼梁的腐蝕，影響橋梁的工作性能和使用壽命。 因此，中支座附近負彎矩區(qū)橋面板設計是鋼混組合連續(xù)梁設計的一個關(guān)鍵問題。

1 負彎矩橋面板的抗裂設計方法

鋼混組合連續(xù)梁負彎矩區(qū)混凝土橋面板上緣拉應力主要由以下幾個方面造成：①混凝土的收縮徐變；②溫度作用。 包括結(jié)構(gòu)整體升溫—由于鋼材與混凝土的熱膨脹系數(shù)不同， 鋼梁拉扯混凝土，混凝土受拉；頂板的非線性降溫—鋼梁阻礙混凝土的收縮，混凝土受拉；③活載作用。 在荷載作用下，中支點承受負彎矩，使混凝土受拉；④恒載作用。 在豎向恒載作用下，中支點負彎矩區(qū)域混凝土受拉。

由以上分析可知中支點附近負彎矩區(qū)橋面板混凝土受拉主要由恒載、活載、溫度等產(chǎn)生，對于中小跨徑橋梁， 這種混凝土拉應力可達到7 MPa 左右。 若不采取有效設計措施，混凝土橋面板將會很容易開裂破壞。 而橋梁的收縮徐變、溫度及活載很難改變，要減小負彎矩，降低橋面板拉應力，唯有從恒載考慮。 目前國內(nèi)外采取的抗裂設計方法主要分為兩類，一類是施加預應力法，另一類是強配筋法。

1.1 施加預應力法

該方法主要是通過一定措施，給負彎矩區(qū)橋面板施加一定的預壓應力，從而抵消混凝土板的拉應力。 主要措施如下：

（1）支座頂升法，又稱為支座位移法。 該方法是在澆筑負彎矩區(qū)域橋面板混凝土前，將連續(xù)梁的中支座頂升一定高度， 提前給鋼梁施加一定的負彎矩。 然后在鋼梁上澆筑混凝土橋面板，待混凝土橋面板達到設計強度，下降中支座至設計高度，使混凝土橋面板受壓，這就相當于給橋面板施加了一個預壓應力（圖1）。 這種方法可以部分或者全部抵消混凝土橋面板的拉應力，從而達到減小或者消除裂縫的作用。 該方法施工較為方便，可結(jié)合其它措施一起使用，效果明顯，在實際設計中應用較多[3]。

圖1 支座頂升法示意圖

（2）預加靜載法。 該方法是在鋼梁施工完成后，先澆筑正彎矩混凝土，并在正彎矩區(qū)域施加一定的臨時荷載，使負彎矩區(qū)域鋼梁產(chǎn)生足夠拉應力。 然后在拉應力的狀態(tài)施工負彎矩區(qū)域橋面板，待混凝土達到設計強度后，撤除正彎矩區(qū)域臨時荷載（圖2）。 這樣負彎矩區(qū)域橋面板拉應力將得到一定的抵消或者消除。 該方案要求施工實時監(jiān)控正彎矩壓重狀態(tài)，鑒于壓重效應不易控制，工作量較大，施工不便，實際采用較少[3]。

圖2 預加靜載法示意圖

（3）預應力鋼束先結(jié)合法。 該方法是通過在負彎矩區(qū)域橋面板布置縱向預應力鋼束或鋼筋，待澆筑完橋面板后達到一定強度， 張拉預應力鋼束，使混凝土橋面板產(chǎn)生足夠的壓應力，在各種荷載作用下混凝土橋面板均保持受壓狀態(tài)。 由于混凝土與鋼梁先結(jié)合共同作用，這種方法容易造成鋼梁上翼緣及腹板在預應力作用下壓應力增大，而施加在橋面板的預應力明顯損失（圖3）。聶建國[4]采用了抗拔不抗剪剪力連接件，通過“抗放結(jié)合”的理念，縱向釋放剪力連接件的連接效應，豎向充分發(fā)揮剪力連接件的功能，從而避免了施加于混凝土橋面板的預應力對鋼主梁的不利影響。 采用抗拔不抗剪連接件的預應力鋼束先結(jié)合法具有施工簡便，經(jīng)濟合理的優(yōu)點，在中大跨徑橋梁得到了一定應用。

圖3 抗拔不抗剪預應力先結(jié)合法示意圖

（4）預應力鋼束后結(jié)合法。 該方法是為了避免先結(jié)合法中橋面板施加的預應力對鋼梁產(chǎn)生不利影響，將橋面板張拉預應力后，再與鋼主梁結(jié)合的方法。 設計一般將剪力釘間隔群釘布置，橋面板在群釘處預留后澆槽，施加完預應力后，再澆筑后澆槽結(jié)合橋面板和鋼主梁。 該方法主要受限于槽口的尺寸與群釘數(shù)量，橋面板和鋼主梁的結(jié)合面耐久性不能保證，并且后期預應力損失也較大[5]。 此方法在小跨徑橋梁可以采用，中大跨徑橋梁須與其他方法綜合運用。

1.2 高配筋率法

該方法又稱為限制混凝土裂縫寬度法。 即按照普通鋼筋混凝土構(gòu)件設計橋面板，橋面板的設計準則由拉應力限制轉(zhuǎn)變?yōu)榱芽p寬度限制，通過較高的橋面板縱向鋼筋配筋率將裂縫寬度控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。 由于在負彎矩區(qū)域不施加預應力，也無支座頂升等其他的施工要求， 混凝土現(xiàn)場澆筑，施工非常方便，并且較高配筋可以一定程度提高截面剛度，所以是目前中小跨徑組合連續(xù)梁橋中應用較為廣泛的一種設計方法[6]。 通常情況下，混凝土名義拉應力在6 MPa 以下，配筋率達到3%～5%，裂縫寬度可控制在0.15 mm 左右。

2 工程案例分析

武漢城市圈環(huán)線高速公路孝感北段G107 分離式立交橋，跨越G107，設計采用（30+45+30）m 鋼混組合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，橋梁主跨為45 m 箱型組合梁，鋼主梁梁高170 cm，橋面板厚度25 cm。 該項目楊寨東互通主線橋，跨越麻安高速，設計采用（42+60+36）m 鋼混組合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，橋梁主跨為60 m 箱型組合梁，鋼主梁梁高210 cm，橋面板30 cm(圖4)。

十堰至淅川高速公路丁家營樞紐互通B 匝橋，跨越福銀高速，設計采用（36+54+36）m 組合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)跨越福銀高速，橋梁主跨為54 m 箱型組合梁，鋼主梁梁高210 cm，橋面板厚度30 cm。 該項目丁家營樞紐互通C 匝橋， 跨越福銀高速， 設計采用（45+70+45）m 組合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)跨越福銀高速，橋梁主跨為70 m 箱型組合梁，鋼主梁梁高270 cm，橋面板厚度30 cm。

圖4 案例橋梁典型斷面圖

表1 負彎矩區(qū)混凝土橋面板軸力與拉應力

表2 負彎矩區(qū)混凝土橋面板配筋與裂縫寬度計算

設計對以上橋梁采用MIDAS2015 建立有限元模型進行分析，在鋼主梁各項指標滿足規(guī)范要求前提下，計算負彎矩區(qū)混凝土橋面板軸力與應力，見表1。

負彎矩區(qū)橋面板采用高配筋率法計算，見表2。

從表2 可以看出，45 m 與54 m 跨徑組合梁橋，采用高配筋法，配筋率及配筋截面均較好，可以達到很好的抗裂計算要求。 但是對于60 m 以上跨徑，三層鋼筋，配筋率達到4.9%～5.5%才能滿足裂縫寬度要求， 這對于截面配筋和施工將造成困難，并且三層鋼筋發(fā)揮的抗裂作用也難以達到理想效果。 在以上實例橋梁設計中，對于60 m 以下跨徑采用高配筋法進行了橋面板設計， 而大于60 m 的跨徑橋梁，采用了抗拔不抗剪的預應力先結(jié)合法與普通鋼筋組合進行抗裂設計。

3 結(jié)論

組合連續(xù)梁橋作為一種自重輕， 性能優(yōu)越的橋梁結(jié)構(gòu)型式，應用相當廣泛。本文對連續(xù)組合梁負彎矩區(qū)橋面板的設計方法進行了探討， 并通過幾座中小跨徑實例橋梁進行分析計算， 得到以下結(jié)論。

（1）負彎矩區(qū)橋面板設計應根據(jù)跨徑大小、施工組織等因素綜合考慮，采取適當?shù)目沽逊椒ㄟM行負彎矩區(qū)橋面板的設計。 對于中小跨徑橋梁，應優(yōu)先采用施工方便的高配筋法與預應力先結(jié)合法。

（2）對于目前應用最為廣泛的負彎矩區(qū)橋面板高配筋率抗裂設計法， 對跨徑小于60 m 的橋梁有明顯效果。

（3）高配筋法對于跨徑大于60 m 的組合梁，難以達到理想效果，應綜合采用預應力法和配筋法進行設計。