賀國(guó)棟, 李 瑜, 周 旋, 曾滿良

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410200)

1 概述

鋼混組合結(jié)構(gòu)由鋼梁和混凝土橋面板組成，該結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮混凝土材料受壓性能好、鋼材受拉性能好的特點(diǎn)，具有良好的受力性能和經(jīng)濟(jì)性，從而在橋梁工程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。鋼混組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于連續(xù)梁橋主要存在負(fù)彎矩區(qū)橋面板易開(kāi)裂的問(wèn)題，橋面板開(kāi)裂后組合梁的剛度減弱，裂縫較大時(shí)有害介質(zhì)會(huì)通過(guò)裂縫滲入混凝土中，嚴(yán)重腐蝕混凝土，銹蝕鋼筋，降低了組合梁的耐久性，增加維護(hù)養(yǎng)護(hù)工作的困難[2]。因此，如何處理中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)的設(shè)計(jì)和施工，成為鋼混組合連續(xù)梁橋工程實(shí)踐中的關(guān)鍵問(wèn)題。

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱UHPC)作為具有超高強(qiáng)度、超高韌性、超長(zhǎng)耐久性等優(yōu)異性能的新型水泥基復(fù)合材料，其構(gòu)件具有強(qiáng)度高、抗裂性能好、韌性高、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程中應(yīng)用廣泛[3]。

為提高組合梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂性能，提高結(jié)構(gòu)耐久性，本文提出一種鋼-UHPC-NC組合梁結(jié)構(gòu)形式，即在傳統(tǒng)鋼混組合梁的基礎(chǔ)上，負(fù)彎矩區(qū)域采用薄層超高性能混凝土(UHPC)替代部分普通混凝土(NC)。以主跨80 m鋼混組合梁橋?yàn)楸尘?，介紹了鋼-UHPC-NC組合梁的構(gòu)造特征，并借助有限元軟件對(duì)該橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，重點(diǎn)分析了鋼梁和橋面板在施工階段及運(yùn)營(yíng)階段的受力性能，為今后同類橋梁設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

2 鋼-UHPC-NC組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

佛山市塘西大道三期(桃園路-S263廣云路段)整體呈北-南走向，起點(diǎn)接塘西三期公路建設(shè)工程設(shè)計(jì)終點(diǎn)，往南依次上跨桃園西路、下穿廣佛肇城軌、上跨西南涌、與規(guī)劃翠云路相交，上跨廣三高速、終于塘西三期南延線(廣海大道-進(jìn)港路)，路線全長(zhǎng)4.18 km。項(xiàng)目采用的主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：①道路等級(jí)：一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)兼顧城市道路功能；②設(shè)計(jì)車速：80 km/h；③設(shè)計(jì)荷載：公路-I級(jí)；④橋梁寬度：?jiǎn)畏鶎挾?3.75 m；⑤設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a；⑥ 環(huán)境類別：I類。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

塘西大道三期工程跨越西南涌水域橋梁采用(49.5+80+49.5)m連續(xù)梁橋，主梁采用鋼-UHPC-NC組合梁結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)。鋼混組合梁全高3800mm，高跨比為1/21.1。

圖1 橋跨布置圖(單位： m)

2.2.1鋼梁設(shè)計(jì)

組合梁中鋼梁截面常用的有工字型、箱形、槽型等。本橋綜合考慮鋼梁縱向受力、橋面板橫向受力、運(yùn)輸條件、起吊重量等因素，單幅橋橫向布置3片槽型鋼箱梁，由上翼緣板、腹板與其加勁肋、底板與其加勁肋、橫隔板、橫向聯(lián)系等組成(見(jiàn)圖2)。鋼梁凈高3400mm，腹板中心間距為2250mm，厚度均為14mm；上翼緣板標(biāo)準(zhǔn)寬度600mm，中支點(diǎn)位置加寬至800mm，根據(jù)受力需要板厚有24、34、44 mm這3種；底板標(biāo)準(zhǔn)寬度2350mm，根據(jù)受力需要板厚有16、24、32mm這3種；鋼梁各板件均采用Q345qD鋼材。

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位： cm)

2.2.2橋面板設(shè)計(jì)

在正彎矩區(qū)段，混凝土橋面板采用C50普通混凝土，橋面板全寬13.75m，標(biāo)準(zhǔn)厚度25cm，在鋼梁上翼緣處加厚至40cm。在負(fù)彎矩區(qū)段，橋面板采用分層設(shè)計(jì)，底層15cm厚度范圍內(nèi)采用C50普通混凝土，頂層10cm范圍內(nèi)采用超高性能混凝土(見(jiàn)圖3和圖4)，強(qiáng)度等級(jí)為UHPC160(設(shè)計(jì)參數(shù)取值見(jiàn)表1)。組合梁負(fù)彎矩區(qū)段長(zhǎng)度約為中支點(diǎn)兩側(cè)各0.15L，L為主跨長(zhǎng)度，本文研究對(duì)象主跨80m，負(fù)彎矩區(qū)段長(zhǎng)度約為中支點(diǎn)兩側(cè)各12m。鋼梁與橋面板之間采用群釘槽口連接，焊釘規(guī)格為φ 22×220mm。負(fù)彎矩區(qū)橋面板主要施工工藝為： ①預(yù)制底層C50混凝土橋面板，頂面鑿毛深度不小于6mm，并預(yù)留垂直方向鋼筋增強(qiáng)界面抗剪強(qiáng)度；②現(xiàn)場(chǎng)吊裝預(yù)制橋面板，并清除表層灰塵、碎屑等；③綁扎UHPC層對(duì)應(yīng)普通鋼筋，澆筑群釘槽口和10cm厚度UHPC。

圖3 主梁中支點(diǎn)斷面圖(單位： cm)

圖4 UHPC與普通混凝土結(jié)合區(qū)構(gòu)造詳圖(單位： cm)

表1 橋面板材料主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters of bridge deck materialsMPa材料立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值彈性模量UHPC160160112 77 7.55.247 100C5050 32.422.42.651.8334 500

2.2.3負(fù)彎矩抗裂措施

橋面板的設(shè)計(jì)理念主要包括以下4類： ①按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，即不允許橋面板出現(xiàn)拉應(yīng)力，一般適用于對(duì)耐久性要求極高的環(huán)境；②按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，即允許橋面板出現(xiàn)拉應(yīng)力，但限制拉應(yīng)力的大??；③按B類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，即允許橋面板出現(xiàn)裂縫，但限制其裂縫寬度；④按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，即允許橋面板出現(xiàn)裂縫，但限制其裂縫寬度。

有效解決鋼混組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩混凝土橋面板的開(kāi)裂問(wèn)題，主要從2個(gè)方向出發(fā)：①降低負(fù)彎矩內(nèi)力，即從“效應(yīng)”的層面減小效應(yīng)；②增強(qiáng)橋面板抗裂能力，即從“抗力”的層面增大抗力。調(diào)研國(guó)內(nèi)外鋼混組合梁研究成果及工程案例，針對(duì)負(fù)彎矩區(qū)常用的抗裂措施有：增強(qiáng)普通鋼筋配置、張拉預(yù)應(yīng)力鋼束、橋面板滯后結(jié)合、支點(diǎn)頂升法、中跨壓重法等[4-10]。

本橋結(jié)合技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)際情況，同時(shí)滿足施工便捷、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的要求，按限制裂縫寬度的方法設(shè)計(jì)，采用如下措施達(dá)到控制負(fù)彎矩裂縫寬度的目的：①優(yōu)化橋面板施工順序：先施工正彎矩區(qū)段橋面板，然后施工負(fù)彎矩區(qū)段橋面板，降低恒載產(chǎn)生負(fù)彎矩效應(yīng)。②增強(qiáng)普通鋼筋配置：正彎矩區(qū)域橋面板縱向鋼筋采用直徑16mm的HRB400鋼筋，橫向間距12.5cm，在負(fù)彎矩區(qū)保證鋼筋間距不變的情況下，鋼筋直徑增大為25mm。③采用支點(diǎn)頂升法：安裝負(fù)彎矩區(qū)橋面板之前，對(duì)中支點(diǎn)支座進(jìn)行頂升，負(fù)彎矩區(qū)橋面板施工完成并達(dá)到強(qiáng)度后，對(duì)中支點(diǎn)支座進(jìn)行回落，可使負(fù)彎矩區(qū)混凝土形成預(yù)壓效果。支點(diǎn)頂升法簡(jiǎn)單易行、效果明顯，能有效降低橋面板開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，關(guān)鍵在于頂升位移量的確定。位移量太大會(huì)造成鋼梁上翼緣拉應(yīng)力超標(biāo)，位移量太小則達(dá)不到抗裂效果。本橋綜合考慮鋼梁與橋面板的應(yīng)力水平，頂升位移量取40cm，約為主跨跨徑的1/200。④負(fù)彎矩區(qū)段橋面板混凝土采用分層設(shè)計(jì)，即在負(fù)彎矩區(qū)段頂層10cm厚度范圍內(nèi)采用超高性能混凝土(UHPC)，其余采用普通混凝土(NC)，權(quán)衡考慮降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)和造價(jià)經(jīng)濟(jì)。

2.3 施工要點(diǎn)

鋼梁和NC橋面板均為預(yù)制構(gòu)件，通過(guò)吊裝設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝，負(fù)彎矩區(qū)UHPC采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑。上部結(jié)構(gòu)主要施工流程見(jiàn)圖5。

圖5 施工工序圖

3 鋼-UHPC-NC組合梁受力分析

3.1 有限元模型

組合梁施工過(guò)程經(jīng)歷了純鋼梁受力階段和組合梁受力階段，結(jié)構(gòu)體系、荷載作用也多有變化，因此，采用Midas Civil軟件建立考慮施工過(guò)程梁格模型，鋼梁和橋面板均采用梁?jiǎn)卧M，采用彈性連接中的剛性連接模擬鋼梁與橋面板連接件作用，不考慮兩者之間相對(duì)滑移。全橋共劃分成2118個(gè)節(jié)點(diǎn)和2442個(gè)單元，計(jì)算模型見(jiàn)圖6。計(jì)算模型模擬施工過(guò)程按照?qǐng)D5所示施工工序，其中支點(diǎn)頂升和回落工序采用“支座強(qiáng)制位移”方法進(jìn)行考慮。

圖6 有限元計(jì)算模型

計(jì)算考慮的荷載及作用如下：①恒載：鋼材容重按78.5kN/m3計(jì)；普通鋼筋混凝土容重按28kN/m3計(jì)；UHPC容重按30kN/m3計(jì)；瀝青混凝土容重按24kN/m3計(jì)；防撞護(hù)欄按單側(cè)12kN/m計(jì)。②收縮徐變：混凝土的收縮徐變作用為10 a。③支座沉降：按1cm計(jì)。④汽車荷載：公路-Ⅰ級(jí)，單幅3車道。⑤溫度作用：整體溫度按±30℃考慮；梯度升溫為14℃～5.5℃，梯度降溫為-7℃～-2.75℃。

3.2 鋼梁計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1施工階段效應(yīng)分析

施工過(guò)程各步驟鋼梁上緣、下緣應(yīng)力見(jiàn)圖7和圖8(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，下同)。鋼梁的應(yīng)力變化主要呈現(xiàn)如下規(guī)律：①中跨跨中鋼梁下緣首先處于受壓狀態(tài)，步驟2安裝跨中橋面板后壓應(yīng)力進(jìn)一步增加，步驟3拆除跨中臨時(shí)墩后由于結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，下緣轉(zhuǎn)換為受拉狀態(tài)，步驟4中支點(diǎn)頂升后，拉應(yīng)力明顯降低，步驟7中支點(diǎn)回落后，拉應(yīng)力又明顯增加；②邊跨跨中鋼梁上緣首先處于受壓狀態(tài)，步驟1～步驟4過(guò)程中，壓應(yīng)力逐漸減小并轉(zhuǎn)換為受拉狀態(tài)，步驟4～步驟8過(guò)程中，拉應(yīng)力逐漸減小并轉(zhuǎn)換為受壓狀態(tài)；③中支點(diǎn)鋼梁上緣首先處于受拉狀態(tài)，步驟1～步驟6過(guò)程中，拉應(yīng)力不斷增加并在步驟6達(dá)到峰值148MPa，步驟6～步驟8過(guò)程中，拉應(yīng)力略有降低。整個(gè)施工階段鋼梁最大拉應(yīng)力為148MPa，最大壓應(yīng)力為-124MPa，均小于Q345qD鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值260MPa，結(jié)構(gòu)受力安全。

圖7 施工階段鋼梁上緣應(yīng)力

圖8 施工階段鋼梁下緣應(yīng)力

3.2.2運(yùn)營(yíng)階段效應(yīng)分析

運(yùn)營(yíng)階段基本組合鋼梁上緣及下緣應(yīng)力見(jiàn)圖9和圖10。鋼梁上緣最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中支點(diǎn)截面，數(shù)值為193MPa；鋼梁上緣最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在跨中截面，數(shù)值為-115MPa；鋼梁下緣最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在跨中截面，數(shù)值為175MPa；鋼梁下緣最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中支點(diǎn)截面，數(shù)值為-178MPa。鋼梁各部位應(yīng)力均小于Q345qD鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值260 MPa，結(jié)構(gòu)受力安全。

圖9 基本組合鋼梁上緣應(yīng)力

圖10 基本組合鋼梁下緣應(yīng)力

3.3 橋面板計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.1運(yùn)營(yíng)階段效應(yīng)分析

運(yùn)營(yíng)階段的作用主要包括汽車荷載、溫度作用、支座沉降等(不包括恒載、收縮徐變)，這些作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)與施工過(guò)程是否采用了相關(guān)抗裂措施無(wú)關(guān)，完全由結(jié)構(gòu)體系本身決定。運(yùn)營(yíng)階段各項(xiàng)荷載對(duì)主跨80 m鋼混組合梁橋面板各部位產(chǎn)生的應(yīng)力見(jiàn)表2。在中支點(diǎn)位置，由作用頻遇組合產(chǎn)生的橋面板拉應(yīng)力為5.04 MPa，該應(yīng)力本身已經(jīng)足夠引起橋面板開(kāi)裂，尚未考慮結(jié)構(gòu)自重、收縮、徐變引起的拉應(yīng)力，因此必須在施工階段采取降低橋面板拉應(yīng)力的措施，降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2施工階段效應(yīng)分析

如前文所述，通過(guò)合理優(yōu)化橋面板的施工順序并采用支點(diǎn)頂升法改善負(fù)彎矩區(qū)橋面板受力，橋面板無(wú)滯后結(jié)合、橋面板滯后結(jié)合的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，采用支點(diǎn)頂升法計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)調(diào)整橋面板的施工順序可以有效降低橋面板拉應(yīng)力，中支點(diǎn)位置橋面板拉應(yīng)力可降低1.86 MPa。支點(diǎn)頂升法效果更為明顯，中支點(diǎn)位置橋面板拉應(yīng)力可降低3.98 MPa，其他部位的拉應(yīng)力均較大幅度降低。

3.3.3橋面板抗裂驗(yàn)算

運(yùn)營(yíng)階段作用頻遇組合下橋面板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11，橋面板采用超高性能混凝土(UHPC)的區(qū)段頂緣最大拉應(yīng)力為4.58 MPa，小于UHPC軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值5.2 MPa，滿足抗裂要求；橋面板采用普通混凝土(NC)的區(qū)段頂緣最大拉應(yīng)力為2.72 MPa，根據(jù)鋼筋配置情況計(jì)算橋面板最大裂縫寬度為0.07 mm，小于規(guī)范限值0.20 mm，滿足抗裂要求。

表2 運(yùn)營(yíng)階段橋面板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of bridge deck stress during operationMPa類別汽車荷載整體升溫整體降溫梯度升溫梯度降溫支座沉降標(biāo)準(zhǔn)組合頻遇組合邊跨跨中1.220.77-0.34-3.251.630.414.033.34邊跨四分點(diǎn)1.610.99-0.41-3.531.770.544.914.07中支點(diǎn)2.341.24-0.56-3.841.920.636.135.04中跨四分點(diǎn)0.761.17-0.34-3.751.880.364.173.57中跨跨中0.541.13-0.35-3.701.850.163.683.15

表3 橋面板滯后結(jié)合計(jì)算結(jié)果分析Table 3 Analysis of calculation results of bridge deck hysteresis combination MPa部位橋面板無(wú)滯后結(jié)合橋面板有滯后結(jié)合恒荷載徐變二次收縮二次成橋合計(jì)恒荷載徐變二次收縮二次成橋合計(jì)實(shí)施效果(成橋合計(jì))邊跨跨中1.35-0.531.472.29-0.35-0.061.471.06-1.23邊跨四分點(diǎn)2.96-1.021.923.860.62-0.341.922.20-1.66中支點(diǎn)4.71-1.752.425.381.93-0.842.423.52-1.86中跨四分點(diǎn)-1.98-0.162.280.14-2.550.252.28-0.02-0.16中跨跨中-7.260.842.19-4.23-8.901.422.19-5.28-1.05 說(shuō)明: “實(shí)施效果”一列數(shù)據(jù)為第二種方法的數(shù)據(jù)減去第一種方法的數(shù)據(jù)之差,表4同理。

表4 支點(diǎn)頂升法計(jì)算結(jié)果分析Table 4 Analysis of calculation results of pivot lifting method MPa部位未采用支點(diǎn)頂升法采用支點(diǎn)頂升法恒荷載徐變二次收縮二次成橋合計(jì)恒荷載徐變二次收縮二次成橋合計(jì)實(shí)施效果(成橋合計(jì))邊跨跨中-0.35-0.061.471.06-4.121.081.47-1.58-2.64邊跨四分點(diǎn)0.62-0.341.922.20-4.581.311.92-1.35-3.55中支點(diǎn)1.93-0.842.423.52-4.221.342.42-0.46-3.98中跨四分點(diǎn)-2.550.252.28-0.02-5.451.662.28-1.51-1.49中跨跨中-8.901.422.19-5.28-11.602.732.19-6.68-1.40

圖11 頻遇組合橋面板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

鋼混組合連續(xù)梁橋中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)的設(shè)計(jì)和施工，一直以來(lái)是組合結(jié)構(gòu)工程實(shí)踐中的關(guān)鍵問(wèn)題。為提高組合梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂性能，本文提出一種鋼-UHPC-NC組合梁結(jié)構(gòu)形式，即在傳統(tǒng)鋼混組合梁的基礎(chǔ)上，負(fù)彎矩區(qū)域采用薄層超高性能混凝土(UHPC)替代部分普通混凝土(NC)。以主跨80 m鋼混組合梁橋?yàn)楸尘埃榻B了鋼-UHPC-NC組合梁的構(gòu)造特征，并借助有限元軟件對(duì)該橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，重點(diǎn)分析了鋼梁和橋面板在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的受力性能，主要得出如下結(jié)論：

a.施工階段鋼梁最大拉應(yīng)力為148 MPa，最大壓應(yīng)力為-124 MPa，均小于Q345qD鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值260 MPa，結(jié)構(gòu)受力安全。

b.運(yùn)營(yíng)階段鋼梁最大拉應(yīng)力為193 MPa，最大壓應(yīng)力為-178 MPa，均小于Q345qD鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值260 MPa，結(jié)構(gòu)受力安全。

c.通過(guò)調(diào)整橋面板的施工順序，中支點(diǎn)位置橋面板拉應(yīng)力可降低1.86 MPa；采用支點(diǎn)頂升法(位移量40 cm，約為主跨跨徑的1/200)，中支點(diǎn)位置橋面板拉應(yīng)力可降低3.98 MPa。

d.鋼-UHPC-NC組合梁橋面板采用超高性能混凝土(UHPC)的區(qū)段頂緣最大拉應(yīng)力為4.58 MPa，小于UHPC軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值5.2 MPa，滿足抗裂要求；橋面板采用普通混凝土(NC)的區(qū)段頂緣最大拉應(yīng)力為2.72 MPa，最大裂縫寬度為0.07 mm，小于規(guī)范限值0.20 mm，滿足抗裂要求。

e.采用鋼-UHPC-NC組合梁，并結(jié)合采用其他抗裂措施，可以有效解決大跨徑鋼混組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)橋面板開(kāi)裂問(wèn)題，本文研究成果可為后續(xù)類似工程提供參考。