徐聰

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210000）

0 引言

組合拼裝鋼混疊合梁是由混凝土橋面板、鋼主梁共同形成截面受力，以有效發(fā)揮混凝土受壓性能，提升鋼梁的受彎性能，呈現(xiàn)良好耐久性、良好結(jié)構(gòu)性能，施工難度較小，進(jìn)度較快。因結(jié)構(gòu)多樣化的特點(diǎn)，可滿足不同建設(shè)條件要求，有效簡(jiǎn)化橋梁施工程度，后期維修管理難度較低，在國(guó)內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)中得到了廣泛運(yùn)用。本文主要分析組合拼裝鋼混疊合梁在橋梁設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。

1 工程概況

某船閘橋全寬23.5m，全橋設(shè)計(jì)4 跨，橋塔屬于鉆石型混凝土索塔，高度為994m，主梁選擇工字型鋼縱梁，順橋在人行道、行車道交會(huì)處的正下方，梁高為28m，橫向中心距為255m。橋墩基礎(chǔ)在導(dǎo)航墻后，設(shè)計(jì)選擇現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)高度較大，路線縱斷面存在較大抬高，與兩側(cè)引導(dǎo)不能順接。若選擇全鋼箱梁設(shè)計(jì)，會(huì)使項(xiàng)目造價(jià)增加。通過綜合比對(duì)，選擇58m的鋼混疊合梁結(jié)構(gòu)，可在混凝土橋面板強(qiáng)度形成之前，減少鋼主梁風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 總體設(shè)計(jì)

利用鋼筋+混凝土技術(shù)開展現(xiàn)場(chǎng)施工，與普通技術(shù)相比，具有較多的水平層面，每個(gè)層面需互相配合，方可保證施工工藝順利開展。針對(duì)鋼混疊合梁組合拼裝，對(duì)工序進(jìn)行調(diào)整，有效解決水域內(nèi)搭設(shè)臨時(shí)支撐的難題，運(yùn)用橋尾處的水運(yùn)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合大型浮吊吊裝方式，建立受力結(jié)構(gòu)，通過整體浮運(yùn)，實(shí)現(xiàn)整孔吊裝，建立橫向聯(lián)系（如圖1 所示）。針對(duì)本文所用的鋼混疊合梁，在鋼箱部分，選擇開口斷面小箱梁，鋼筋混凝土構(gòu)件作為橋面板。橫梁頂板、鋼箱上頂板可焊接剪力釘，在預(yù)制場(chǎng)地對(duì)橋面板進(jìn)行混凝土整體澆筑，然后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)吊裝，在橫向布置5片梁，設(shè)計(jì)梁間距為4.8cm。在完成吊裝之后，對(duì)澆筑橋面板和橫向連接部分，實(shí)現(xiàn)混凝土接縫。

圖1 組合拼裝鋼混疊合梁總體設(shè)計(jì)（單位：cm）

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)主梁截面，對(duì)于現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板、開口鋼箱梁，可使用抗剪連接器連接。針對(duì)疊合梁鋼結(jié)構(gòu)部分，進(jìn)行鋼梁全焊接。鋼梁由主梁、加勁肋、橫隔梁構(gòu)成，因本橋橋跨選擇混凝土預(yù)制小箱梁，為保證外觀協(xié)調(diào)，鋼混疊合梁可選擇倒梯形鋼箱。在橫橋向設(shè)計(jì)5片鋼箱，并設(shè)計(jì)中距4.8m，每片鋼箱梁底寬為2.0m，設(shè)計(jì)橋面板厚度為0.3m，頂板板厚為25mm。針對(duì)底板、腹板上部，在鋼梁上翼緣板頂面設(shè)計(jì)板肋，將鋼筋混凝土橋面和剪力鍵連接成一個(gè)整體，其中剪力鍵選擇180mm×23m 焊釘（如圖2 所示）。主梁應(yīng)在工廠進(jìn)行焊接制作，保證接口焊接強(qiáng)度比母材強(qiáng)度大。同時(shí)，針對(duì)臺(tái)架的純鋼斷面，與橋面板進(jìn)行綁扎，在箍筋、縱向鋼筋完成綁扎之后，需按照實(shí)際狀況進(jìn)行科學(xué)處理。如果鋼梁尺寸過大，加之柱縱筋數(shù)量較多，可切斷處理縱筋，利用鋼梁翼緣板，或鋼筋連接器進(jìn)行穩(wěn)固連接，然后再進(jìn)行混凝土澆筑。在該設(shè)計(jì)階段，需確保臺(tái)架的穩(wěn)定性、支撐性良好。橋面板混凝土滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，才能將臺(tái)架吊離，并運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝，再實(shí)施鋼橫梁連接，對(duì)橫向濕接縫進(jìn)行混凝土現(xiàn)澆，增加二期恒載，最終形成橋梁。

圖2 鋼混疊合梁中梁斷面（單位：mm）

1.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

1.3.1 基本假定

針對(duì)疊合梁設(shè)計(jì)，需選擇彈性計(jì)算方式，使假定混凝土、鋼材為最佳線彈性材料。針對(duì)承載力極限狀態(tài)，對(duì)截面邊緣應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，滿足材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。在本橋工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)彈性方式，對(duì)疊合梁的抗彎承載力進(jìn)行計(jì)算，主要包含如下假設(shè)：

（1）混凝土、鋼材的線彈性材料較為理想，應(yīng)變與應(yīng)力是一種線性關(guān)系；

（2）疊合梁截面與平截面假定相符；

（3）忽略混凝土橋面板、鋼梁的平行滑移，保證兩者的連接牢固度。

1.3.2 計(jì)算結(jié)果

在本橋工程中，選擇多主梁小斷面的鋼混疊合梁，在設(shè)計(jì)中，選擇梁格法，構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)模型。通過模型獲取計(jì)算結(jié)果，確?？辜簟⒖箯?、應(yīng)力滿足施工規(guī)范。如表1所示。

表1 橋梁工程的持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算

驗(yàn)算結(jié)果表明，鋼混疊合梁具有良好受力性能，其結(jié)構(gòu)剛度較強(qiáng)，具備良好的抗疲勞性。同時(shí)，混凝土橋面的受壓狀態(tài)、耐久性能良好。此外，混凝土收縮變形對(duì)梁體變形具有較大影響，特別是收縮附加變形。

1.4 橋梁設(shè)計(jì)難點(diǎn)

（1）構(gòu)造設(shè)計(jì)。在組合橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)性能，需保證混凝土與鋼構(gòu)件具備牢固、可靠的連接性能。傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋與混凝土可以輕易地充分結(jié)合。而鋼混疊合梁的鋼筋與混凝土上下分層，結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)力大小以及有無滑移問題會(huì)影響結(jié)構(gòu)受力的安全性。因此，連接件、剪力鍵如何設(shè)置成為其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

（2）截面設(shè)計(jì)。針對(duì)不同的鋼混組合梁，選擇不同截面方式，也存在不同設(shè)計(jì)難題。鋼混組合梁一般更適用于單跨簡(jiǎn)支橋梁，若用于連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)，需充分考慮負(fù)彎矩的區(qū)域開裂問題，截面在負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)整。

（3）體系設(shè)計(jì)。組合拼裝鋼混疊合梁的結(jié)構(gòu)的自重相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更輕，且小型鋼箱橫向之間可看作鉸接，因此當(dāng)橫向?qū)挾容^大時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)需注重驗(yàn)算極限偏載情況下橫向的穩(wěn)定性以及連接處的可靠性。

2 組合拼裝鋼混疊合梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 構(gòu)造設(shè)計(jì)

組合拼裝鋼混疊合梁的構(gòu)造設(shè)計(jì)，需科學(xué)處理混凝土、鋼材間的連接問題，保證兩者之間具有良好穩(wěn)固性。由于混凝土和鋼材在彈性變量和變形性能方面的差異較大，為充分發(fā)揮兩者變形作用、協(xié)同受力，需提升兩者的整體性。對(duì)于型鋼、鋼板和混凝土面板的有機(jī)連接，常見方法一般為組合連接件及嵌入連接方式，型鋼連接和栓釘連接方式也較為常用。針對(duì)組合橋梁的截面連接，還需考慮滑移問題，如有必要，可通過彈塑性計(jì)算方式，科學(xué)計(jì)算連接處抗剪能力，并驗(yàn)證共同截面的承載力。

2.2 截面設(shè)計(jì)

組合拼裝鋼混疊合梁用于連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)，若截面與跨中相同，則混凝土和鋼材受力均不合理。

一方面，如果負(fù)彎矩區(qū)的底板處于受壓狀態(tài)，極易發(fā)生局部鋼梁的彎曲問題，進(jìn)而擴(kuò)散至結(jié)構(gòu)體系層次，對(duì)整個(gè)梁體造成影響?？梢酝ㄟ^增設(shè)加勁肋，防止底部部位發(fā)生彎曲狀況。但負(fù)彎矩區(qū)底板和腹板的應(yīng)力水平較高，也極易發(fā)生屈曲問題。為此，在腹板位置，也需科學(xué)設(shè)置加勁肋，同時(shí)增加板件厚度。在負(fù)彎矩區(qū)內(nèi)，可采取全截面混凝土澆筑方式，對(duì)負(fù)彎矩區(qū)鋼板進(jìn)行全面包裹，有效消除底板彎曲、屈曲問題。

另一方面，在負(fù)彎矩區(qū)域還存在混凝土受拉開裂問題。特別是跨中處于活載作用之下時(shí)，中支點(diǎn)負(fù)彎矩導(dǎo)致頂板產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，極易導(dǎo)致混凝土開裂。對(duì)于這種狀況，可采取如下措施：

（1）橋面板滯后鋼梁澆筑。通過預(yù)先施加相應(yīng)的應(yīng)力，使鋼梁預(yù)先變形，再將處于中支點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的橋面板采取后澆的方式，以改善混凝土橋面板、鋼梁之間的收縮性能，進(jìn)而提升整體質(zhì)量；

（2）通過支點(diǎn)頂升回落法施加預(yù)壓力。將中支點(diǎn)臨時(shí)支承適當(dāng)頂升，高于實(shí)際支座高度，此時(shí)架設(shè)鋼梁使鋼梁略呈“∩”狀上凸變形，然后進(jìn)行負(fù)彎矩區(qū)橋面板澆筑，待橋面板具備強(qiáng)度后，放置支座并落梁，此時(shí)鋼梁彈性變形恢復(fù)，使負(fù)彎矩區(qū)混凝土獲得預(yù)壓應(yīng)力；

（3）中支點(diǎn)處頂板設(shè)置額外預(yù)應(yīng)力。對(duì)于極易開裂的負(fù)彎矩區(qū)，可在混凝土橋面板內(nèi)額外增設(shè)鋼束或其他形式的預(yù)應(yīng)力，以更有效地抵抗后續(xù)運(yùn)營(yíng)階段的頂板拉應(yīng)力，減少頂板開裂概率，這種方式在大跨徑橋梁設(shè)計(jì)中較為適用。

2.3 體系設(shè)計(jì)

鋼混組合橋梁處于外界荷載作用狀態(tài)下，如超重車輛偏載、梁下刮蹭撞擊、風(fēng)載等，極易出現(xiàn)傾覆、失穩(wěn)問題，主要是梁體支座脫空后受力體系變化，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，發(fā)生繞軸翻轉(zhuǎn)。如果超過固定臨界值，使組合拼裝鋼混疊合梁形成機(jī)動(dòng)體系，極易引起傾覆破壞。為此，可采取如下設(shè)計(jì)方式：

①加大橫向支座間隔。因空間受限而不得不采用獨(dú)柱墩時(shí)，必須通過驗(yàn)算，合理確定獨(dú)柱墩橫向支座間隔，以提升抗扭性能。必要時(shí)可將橋墩、梁體按剛性固結(jié)設(shè)計(jì)；②橋梁平面盡量采用大曲率、直線線型設(shè)計(jì)，避免橋梁受扭狀態(tài)；③可通過抗拉支座、抗拉鋼筋等構(gòu)造措施，提升橋梁的橫向穩(wěn)定性。

2.4 鋼梁施工控制設(shè)計(jì)

以箱型截面的鋼混組合梁橋?yàn)槔孩俦仨毢侠聿贾脴蛄嚎鐝剑浞挚紤]施工吊裝重量以及沿途穿越、跨越的運(yùn)輸條件。②考慮上下部構(gòu)造的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，此處主要指施工人員投入、是否節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)工時(shí)等。③根據(jù)計(jì)算合理確定鋼梁吊點(diǎn)位置，現(xiàn)場(chǎng)做到準(zhǔn)確定位，保證吊裝安全性和可操作性。④在梁高設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合橋梁吊裝實(shí)際受力，考慮各施工環(huán)節(jié)。⑤在截面選取時(shí)，優(yōu)先選用多箱室、小箱室的截面布置，各鋼梁間設(shè)置橫向聯(lián)結(jié)系，便于吊裝、運(yùn)輸。⑥鋼梁應(yīng)由具有經(jīng)驗(yàn)的合格生產(chǎn)廠家進(jìn)行制作，在制作之前根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙做進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)、細(xì)化設(shè)計(jì)，在構(gòu)件生產(chǎn)制作完成之后，要求廠家必須進(jìn)行廠內(nèi)預(yù)拼裝，并按順序進(jìn)行編碼；⑦針對(duì)腹板、梁翼緣板，需做到重點(diǎn)處理。⑧剪力鍵等細(xì)部構(gòu)件的設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮其焊接的空間可操作性，便于施工單位可以控制和檢查焊接質(zhì)量。

2.5 混凝土施工控制設(shè)計(jì)

①除支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)域外，其他一般段混凝土可考慮采用分塊預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)濕接縫拼裝；②橋面板濕接縫，必須選用與橋面板同等級(jí)的自密實(shí)微膨脹混凝土；③預(yù)制橋面板與鋼梁之間連接處應(yīng)設(shè)置剪力槽口。④將護(hù)欄底座與橋面板一同設(shè)計(jì)預(yù)制。⑤待正彎矩區(qū)橋面板濕接縫、剪力槽口的混凝土全部達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度和彈性模量要求后，才能進(jìn)行中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)的剪力槽口、濕接縫混凝土澆筑。⑥若負(fù)彎矩區(qū)混凝土需要設(shè)置額外預(yù)應(yīng)力，在相對(duì)位置、張拉空間等方面應(yīng)注意其施工的可行性。⑦中支點(diǎn)區(qū)域的“全截面雙結(jié)合”混凝土，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其空間范圍的大小，便于施工單位可以控制振搗質(zhì)量，保證其有效消除底板彎曲、屈曲問題的效果。⑧設(shè)計(jì)圖紙應(yīng)強(qiáng)調(diào)施工單位對(duì)鋼梁進(jìn)行定位和校正工作，并開展安裝、檢查、驗(yàn)收工序，使其達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，才能進(jìn)行混凝土澆筑。

3 結(jié)語

綜上所述，組合拼裝鋼混疊合梁是目前較為熱門的橋梁結(jié)構(gòu)類型，不僅能夠充分發(fā)揮鋼材、混凝土的性能，還能縮短工期、減少工程建設(shè)成本和周期。在此類橋梁工程設(shè)計(jì)中，必須重視鋼構(gòu)件與混凝土之間的連接構(gòu)造設(shè)計(jì)，科學(xué)處理負(fù)彎矩區(qū)可能存在的開裂問題，合理控制結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性，有效提高組合拼裝鋼混疊合梁的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。