段銀龍，余海輝，徐東進(jìn)

（1 廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510507；2. 中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510507）

0 引言

鋼混組合結(jié)構(gòu)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)三四十年代[1]，歐美等發(fā)達(dá)國家在深入研究的基礎(chǔ)上，建立了一些新的設(shè)計方法和施工方法，并在上世紀(jì)八十年代在西方國家得到了高度的發(fā)展。出于某種原因，在國內(nèi)一直沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。近幾年來，隨著國家政策導(dǎo)向，國內(nèi)掀起一股推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的熱潮，多個省市都在大規(guī)模的開始使用鋼混組合梁橋。其中已建成的或在建的大跨徑鋼混組合梁有：上海長江大橋非主通航孔橋采用的是85 m+5×105 m+90 m 連續(xù)組鋼混合梁[2]、杭州九堡大橋主梁采用的是3×85 m 的連續(xù)鋼混組合梁[1]、港珠澳淺水區(qū)域采用6×85 m 的連續(xù)鋼混組合梁[3]、牛田洋快速通道工程水中引橋采用的為5×70m 連續(xù)鋼混組合梁等。相對于其它結(jié)構(gòu)類型，鋼混組合梁橋具有：強(qiáng)度高、韌性好；結(jié)構(gòu)輕、延性好、抗震性能好[4]；工廠化生產(chǎn)程度高，質(zhì)量易控制；鋼結(jié)構(gòu)工廠制作與現(xiàn)場施工可同步進(jìn)行，工期短，效率高；可無支架施工，方便交通組織；可重復(fù)利用，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。雖具有較多優(yōu)點(diǎn)，但其耐腐蝕性差，對養(yǎng)護(hù)要求高。

在建的國道G206 跨線橋位于汕頭市，是汕頭市牛田洋快速通道工程中的一個跨路橋梁，橋下為現(xiàn)狀道路，要求施工過程中保持橋下交通不中斷。項目位于海邊，具有海運(yùn)條件，鋼結(jié)構(gòu)部分施工可考慮通過水運(yùn)至于附近碼頭，通過施工便道轉(zhuǎn)運(yùn)至橋位處。

1 工程概況

國道G206 跨線橋橋?qū)?2.3 m，上部結(jié)構(gòu)采用分幅式設(shè)置，單幅寬度16.14 m，跨徑布置為45.5 m+75 m+45.5 m。主梁采用雙槽形斜腹板鋼梁斷面，中支點(diǎn)梁高3.5 m，邊支點(diǎn)及跨中梁高為2.5 m，梁高采用二次拋物線變化。單幅橋設(shè)2 道槽形梁，主梁間距為4.2 m。橋面板厚0.28 m，梗腋處加厚至0.38 m。該橋的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面及總體布置分別見圖1、圖2。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：mm）

圖2 總體布置（單位：mm）

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

（1）荷載等級: 公路-Ⅰ級。

（2）設(shè)計車速: 100 km/h。

（3）地震動峰值加速度: 0.2g。

（4）設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a。

（5）橋梁設(shè)計安全等級為一級。

（6）耐久性設(shè)計環(huán)境類別：Ⅰ類。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計

2.2.1 鋼梁的設(shè)計

槽形鋼主梁采用Q345qD 材質(zhì)，梁高中支點(diǎn)處3.12 m，邊支點(diǎn)及跨中處為2.12 m。頂板寬度0.6～1.2 m，板厚24 mm、32 mm、48 mm。腹板厚度為16 mm、18 mm、24 mm，底板厚度為20 mm、32 mm、36 mm、48 mm。腹板與頂?shù)装宓膴A角保持不變，腹板間距頂寬4.2 m，跨中及邊支點(diǎn)處底寬3.02 mm，中支點(diǎn)處底寬2.46 m。腹板及底板設(shè)縱向加勁肋，橫向設(shè)置橫肋和K 形隔板，邊中跨K 形隔板間距分別為5.55 m和6.25 m，每道隔板內(nèi)設(shè)置兩道橫肋。箱間設(shè)置隔板，每隔一道箱內(nèi)隔板設(shè)置一道箱間隔板，即邊中跨隔板間距分別為11.3 m 和12.5 m。邊支點(diǎn)處設(shè)置端橫梁，中支點(diǎn)處設(shè)置箱型暗蓋梁。

2.2.2 橋面板及剪力釘?shù)脑O(shè)計

橋面板采用C50 混凝土，單幅寬度16.14 m，橫向支撐間距3×4.2 m，懸臂1.77 m。板厚0.28 m，梗腋處及中支點(diǎn)暗蓋梁范圍加厚至0.38 m 加厚至0.38 m，倒角為600 mm×100 mm。在梁端處，考慮伸縮縫的安裝，端部局部加厚至0.5m。橋面在中支點(diǎn)墩頂負(fù)彎矩范圍（中支點(diǎn)23.6 m），預(yù)留0.5 m×0.7 m剪力槽，采用集束式剪力釘設(shè)置，并設(shè)置齒塊用于頂板預(yù)應(yīng)力錨固；在接近負(fù)彎矩范圍處設(shè)置1 m 的后澆帶，其余范圍內(nèi)剪力釘均勻布置。橋面板構(gòu)造見圖3。

圖3 橋面板構(gòu)造圖（單位：mm）

橋面橫向主筋采用C20＠100 mm，縱橋向在正彎矩區(qū)域采用C16＠100 mm，墩頂負(fù)彎矩范圍采用C22。剪力釘采用?22×150 和?22×200 兩種型號，靠近外側(cè)設(shè)置較長剪力釘以提供抗拔。

2.3 有限元模型的建立

2.3.1 設(shè)計荷載取值

結(jié)構(gòu)一期恒載鋼梁自重和混凝土面板由程序自行考慮，二期恒載：10 cm 鋪裝取38.74 kN/m，內(nèi)側(cè)護(hù)欄取10 kN/m，外側(cè)護(hù)欄及花池取值20.6 kN/m；整體升溫按25℃，降溫按-25℃；梯度升溫按10 cm瀝青鋪裝考慮；不均勻沉降按2.5 cm 考慮，車道荷載按規(guī)范取值。

2.3.2 有限元模型的建立

利用Midas Civil 軟件建立梁格模型（見圖4），全橋共1 078 個節(jié)點(diǎn)，1 241 個單元。結(jié)構(gòu)荷載按組合梁分階段受力模式考慮，即鋼梁承擔(dān)一期恒載，組合后承擔(dān)二期恒載與活載。鋼梁與混凝土板間用剛臂連接，張拉預(yù)應(yīng)力時混凝土未與鋼結(jié)構(gòu)共同受力。模型施工階段與實際施工步驟一一對應(yīng)。

圖4 Mida s Civil 全橋有限元模型

3 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

組合梁的計算主要包括鋼梁、剪力釘及橋面板三部分內(nèi)容。下文將分別對其進(jìn)行驗算。

3.1 鋼主梁的計算

3.1.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算

根據(jù)圖5～圖7，基本組合作用下，鋼梁上翼緣最大拉應(yīng)力201.6 MPa，最大壓應(yīng)力233.5 MPa；下翼緣最大拉應(yīng)力226.6 MPa，最大壓應(yīng)力208.0 MPa；腹板最大剪應(yīng)力102.7 MPa。鋼主梁應(yīng)力均滿足要求。

圖5 基本組合鋼梁上翼緣正應(yīng)力圖（單位：MP a）

圖6 基本組合鋼梁下翼緣正應(yīng)力圖（單位：MP a）

圖7 基本組合鋼梁剪應(yīng)力圖（單位：MP a）

3.1.2 結(jié)構(gòu)位移及預(yù)拱度

最大活載豎向撓度39.4 mm＜L/500=150 mm，剛度滿足要求。組合梁應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，預(yù)拱度大小宜為結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值加1/2 車道荷載頻遇值產(chǎn)生的撓度值，經(jīng)計算跨中處預(yù)拱度值為219 mm，由此來設(shè)置預(yù)拱度。

3.1.3 穩(wěn)定驗算

穩(wěn)定驗算主要包括整體穩(wěn)定及局部加勁驗算。對于箱形截面，成橋后整體穩(wěn)定不控制設(shè)計。底板加勁驗算按剛性加勁檢算，均滿足要求；腹板按規(guī)范兩道縱向加勁梁進(jìn)行驗算，橫肋間距及橫肋慣性矩均滿足規(guī)范要求。支點(diǎn)加勁驗算，按局部承壓及加勁板角焊縫分別驗算均滿足要求。

3.1.4 疲勞強(qiáng)度

疲勞驗算采用疲勞荷載模型Ⅰ，考慮多車道的影響，并考慮折減。底板縱肋與底板采用自動雙面角焊縫，細(xì)節(jié)類別為110；箱梁腹板與頂?shù)装宀捎檬止ず?，?xì)節(jié)類別為100。對應(yīng)力幅較大的截面進(jìn)行驗算。選擇邊跨跨中、中支點(diǎn)和中跨跨中三個位置的截面進(jìn)行疲勞驗算，三個截面均為拉- 壓循環(huán)截面，經(jīng)驗算均滿足要求。

3.1.5 支反力及傾覆

標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，邊支座最小反力為489 kN，最大為3 923 kN；中支座小反力為6 575 kN，最大為21 874 kN。在正常使用過程中，支座不脫空，經(jīng)計算傾覆系數(shù)為28＞2.5 滿足要求。

3.2 剪力釘?shù)挠嬎?/h3>

根據(jù)計算結(jié)果，剪力釘設(shè)計不控制設(shè)計，設(shè)計采用橫橋向每排4 個剪力釘?shù)男问竭M(jìn)行布置，縱向間距分別取100 mm、200 mm、300 mm 三個等級。

3.3 橋面板的計算

橋面板計算主要包括橫橋向面板計算及縱橋向計算。橫向計算取一個節(jié)段（5.55 m），采用Midas Civil 進(jìn)行計算，模型見圖8。模型中橋面板及K 形撐為梁單元，鋼梁頂?shù)装寮案拱宀捎冒鍐卧M。根據(jù)計算內(nèi)力進(jìn)行配筋，橫向主筋采用C20＠100 mm 時，腹板根部及跨中部分裂縫寬度均小于0.12 mm。

圖8 橋面板橫向計算模型

負(fù)彎矩區(qū)混凝的橋面板內(nèi)配置24 束?15.2-5的預(yù)應(yīng)力鋼束，采用先張拉橋面板預(yù)應(yīng)力后與鋼梁疊合的施工方法。負(fù)彎矩區(qū)鋼梁上翼緣布置群釘，澆筑混凝土?xí)r預(yù)留剪力釘槽口，張拉預(yù)應(yīng)力后再澆筑剪力釘槽口，使混凝土板與鋼梁共同受力。因墩頂區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)對混凝土截面進(jìn)行抗裂驗算。經(jīng)驗算，考慮鋼筋及預(yù)應(yīng)力效應(yīng)后，混凝土裂縫小于0.1 mm，抗裂驗算滿足要求。

4 關(guān)鍵技術(shù)的研究

大跨徑連續(xù)鋼混組合梁的設(shè)計關(guān)鍵在于施工方法、施工工序的選擇及墩頂負(fù)彎矩區(qū)的抗裂的控制措施。下文將對此關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討研究。

4.1 施工方法及施工工序

鋼混組合梁施工方案的選擇，直接決定其受力，設(shè)計時應(yīng)充分考慮。大跨徑的連續(xù)鋼混組合梁，一般受制于地面交通或者通航限制，通常選取先架設(shè)鋼梁，再施工面板的方案，面板也可采用預(yù)制或現(xiàn)澆。本橋的施工方案為：架設(shè)鋼梁（拆除支架）→正彎矩區(qū)混凝土澆筑→負(fù)彎矩區(qū)混凝土澆筑→負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力張拉（疊合前）→澆筑負(fù)彎矩剪力釘槽口→施工后澆帶→鋪裝與欄桿→成橋運(yùn)營。

為研究施工工序、施工方法對成橋內(nèi)力的影響，本文通過下列四個方案研究：（1）支架的拆除時機(jī)；（2）正彎矩區(qū)壓重；（3）預(yù)應(yīng)力的張拉與否及張拉時機(jī)。其中方案一為實際工程設(shè)計，方案二調(diào)整支架在完成混凝土澆筑參與受力后拆除，方案三為正彎矩區(qū)域壓重（荷載按1 m 高水箱考慮），方案四為負(fù)彎矩區(qū)橋面板與鋼梁疊合后張拉預(yù)應(yīng)力。方案五為橋面板不施加預(yù)應(yīng)力。各方案的具體計算結(jié)果見表1。

表1 各方案鋼梁及橋面板的內(nèi)力和應(yīng)力結(jié)果

根據(jù)表2 計算結(jié)果：對比方案一和方案二可知，支架拆除時機(jī)對鋼梁內(nèi)力影響非常大，對鋼梁下緣應(yīng)力影響8%～15%，后拆除支架對鋼梁內(nèi)力改善較多，但對施工支架及面板較為不利，設(shè)計時應(yīng)著重考慮支架拆除時機(jī)；對比方案一和方案三可知，正彎矩區(qū)域壓重是在正彎矩區(qū)疊合后，對正彎矩區(qū)域頂板應(yīng)力基本無影響，對正彎矩底板及負(fù)彎矩區(qū)域頂?shù)装鍛?yīng)力較大，本方案可用犧牲鋼梁受力來改善混凝土的受力，以達(dá)到調(diào)整鋼梁與混凝土面板的內(nèi)力分配比例；對比方案一和方案時四可知，疊合后張拉預(yù)應(yīng)力，鋼梁要參與受力，預(yù)應(yīng)力部分效應(yīng)轉(zhuǎn)移到鋼梁上，會改善鋼梁的受力，但對面板受力較為不利，對比方案一和方案時五可知，先張拉橋面板預(yù)應(yīng)力后與鋼梁疊合的施工方法，預(yù)應(yīng)力的張拉對鋼梁幾乎無影響，全部效應(yīng)由混凝土承擔(dān)，受力較好。

4.2 墩頂負(fù)彎矩區(qū)抗裂控制措施

大跨連續(xù)鋼混組合梁墩頂負(fù)彎矩區(qū)域橋面板易出現(xiàn)裂縫，負(fù)彎矩區(qū)抗裂問題是設(shè)計必須要考慮的。針對此問題的常用方法有：（1）施加預(yù)應(yīng)力荷載[5]；（2）支點(diǎn)強(qiáng)迫位移[6]；（3）負(fù)彎矩區(qū)橋面板采用超高性能材料[7]；（4）壓重法；（5）調(diào)整施工工序法；（6）柔性連接件組合法[8]。

對于墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂的處理，受不同設(shè)計理念的影響，各設(shè)計單位采取的方法不盡相同。通常上述方法（1）、（2）、（3）、（6）可選取一種，結(jié)合（4）和（5）來改善橋面板受力，但同時應(yīng)考慮鋼梁的受力。本橋設(shè)計采用調(diào)整施工工序的方法和先張拉橋面板預(yù)應(yīng)力后與鋼梁疊合的施工方法。

根據(jù)表1 可知：張拉預(yù)應(yīng)力可以改善墩頂橋面板受力，但對鋼梁內(nèi)力有影響，先張拉預(yù)應(yīng)力后疊合的方案效果更好。拆除支架時機(jī)及壓重法對橋面受力均有改善，但會使鋼梁受力變的不利，設(shè)計可結(jié)合具體情況選用。

另外各方法選擇時還應(yīng)注意：支點(diǎn)強(qiáng)迫位移法包括支點(diǎn)落梁法和頂落梁法，它們更適用于兩跨或三跨橋梁。以抗拔不抗剪剪力釘為代表的柔性連接件組合法，在北京、深圳的中小跨徑組合梁中有較多應(yīng)用，但調(diào)研到的運(yùn)用于實際項目的跨徑都在60 m以下。瑞士的Jean-Paul Lebet 和Manfred A.Hirt 認(rèn)為強(qiáng)迫位移法適更用于中小跨徑橋梁，大跨徑橋梁應(yīng)優(yōu)先考慮預(yù)應(yīng)力方案[6]。對于預(yù)應(yīng)力及強(qiáng)迫位移法，隨著時間的推移，歐洲的部分學(xué)者認(rèn)為預(yù)應(yīng)力效應(yīng)會逐漸消失，設(shè)計理念允許采用橋面板開裂的設(shè)計理念[9-10]，這也與邵長宇大師的思路不謀而合。

綜上，對于大跨連續(xù)鋼混組合梁，先張拉橋面板預(yù)應(yīng)力后與鋼梁疊合是一種較為合理的施工方法，并且對鋼梁應(yīng)力基本無影響，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)又能較大發(fā)揮出來，較好的控制墩頂面板的應(yīng)力和裂縫水平。

5 結(jié)語

該文通過對國道G206 45.5 m+75 m+45.5 m 大跨度鋼混組合梁的設(shè)計構(gòu)造、計算內(nèi)容及設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)的探討研究，得出以下結(jié)論：

（1）國道G206 大跨度鋼混組合梁鋼梁的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定及疲勞均滿足規(guī)范要求；

（2）橋面板橫向及縱向計算裂縫均滿足規(guī)范要求；

（3）施工工序和施工方法對鋼梁及墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面受力均有較大影響，兩者之間處于此消彼長的關(guān)系，設(shè)計時應(yīng)著重考慮，選擇合理的方法使得鋼梁與混凝土面板處于合理的內(nèi)力分配比例；

（4）墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋梁面板的控制措施是設(shè)計難點(diǎn)與痛點(diǎn)，綜合考慮鋼梁及面板受力，認(rèn)為先張拉橋面板預(yù)應(yīng)力后與鋼梁疊合的方法是一種可用于大跨連續(xù)鋼混組合梁較為合理的施工方法，可有效的控制墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面板的應(yīng)力和裂縫水平。