鄭曉華，范廣宇，姚寶文

[1.廣東順控交通投資有限公司，廣東 佛山 528300；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引 言

鋼-混組合梁是指鋼結(jié)構(gòu)與混凝土通過可靠剪力鍵連接，共同受力的一種結(jié)構(gòu)形式。組合結(jié)構(gòu)橋梁以其整體受力的經(jīng)濟性、發(fā)揮兩種材料各自優(yōu)勢的合理性和便以施工的優(yōu)點，在20世紀(jì)60年代的歐美各國和日本的橋梁建設(shè)中被廣泛應(yīng)用[1]。

在近些年來，在我國的橋梁建設(shè)中，鋼-混組合結(jié)構(gòu)得到了充分應(yīng)用，建成了大量的鋼-混組合梁橋。同時，鋼混組合（橋面結(jié)構(gòu)）還常用于拱橋、斜拉橋和懸索橋等索承體系橋梁中[2]。

鋼-混組合梁橋橋面板受力一直是橋梁設(shè)計和建造的關(guān)鍵節(jié)點，它與施工方法、施工順序和施工臨時措施緊密相關(guān)。其中混凝土橋面板的施工施工方法對結(jié)構(gòu)受力影響較大，是鋼-混組合梁橋設(shè)計中需要考慮的關(guān)鍵點。

1 工程概況

以佛山市順德區(qū)勒流港口路改造工程（一期）勘察設(shè)計項目為例，項目位于佛山市順德區(qū)勒流街道，北起菊花灣大橋，南至龍洲路立交，全長約4 km，采用一河兩岸布置。左線為新建道路，右線為改造現(xiàn)狀港口路，港口路現(xiàn)狀為雙向四車道的城市道路，擬改造為雙向八車道的一級公路。

主線高架橋跨越東駿路采用40 m簡支鋼-混組合梁，跨越光明中路采用45 m簡支鋼-混組合梁。橋型立面見圖1、圖2。

圖1 主線高架橋40 m簡支鋼-混組合梁總體布置圖（單位：cm）

圖2 主線高架橋45 m簡支鋼-混組合梁總體布置圖（單位：cm）

本篇以45 m鋼-混組合梁為例。45 m跨徑簡支鋼-混組合梁梁高2.2 m，其中鋼結(jié)構(gòu)高1.95 m，混凝土板厚0.25 m。單幅橋?qū)?3 m，由三個箱室組成，箱室寬度約為2.3 m，方便運輸?shù)跹b?？缰许敯搴?5 mm，底板厚25 mm，腹板厚14 mm；支點頂板厚25 mm，底板厚20 mm，腹板厚16 mm。鋼梁橫向包括中橫梁和支點橫梁，中橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為6 m，中橫梁間設(shè)置腹板兩內(nèi)側(cè)豎向加勁，標(biāo)準(zhǔn)間距為2 m。主梁立面和斷面見圖3、圖4。

圖3 45 m簡支鋼-混組合梁立面圖（單位：mm）

圖4 45 m簡支鋼-混組合梁橫斷面圖（單位：mm）

為了提高全線高架橋景觀效果，支點處梁高變?yōu)?.75 m，橫斷面的邊梁采用4∶1斜率的斜腹板，斜腹板距離橋梁邊線的距離與小箱梁一致，這樣，橋梁上部結(jié)構(gòu)外形輪廓基本保持一致，景觀效果大大提升。

橋面板采用0.25 m鋼筋混凝土板，為了降低現(xiàn)場施工難度，節(jié)約工期，橋面以預(yù)制為主，現(xiàn)場吊裝；預(yù)制部分采用C50混凝土，在頂板現(xiàn)澆縫處設(shè)置集束式剪力釘，現(xiàn)澆C50無收縮混凝土。濕接縫橫斷面見圖5。

圖5 45 m簡支鋼-混組合梁濕接縫橫斷面圖（單位：mm）

連接件采用連續(xù)式焊釘連接件，焊釘規(guī)格采用?22×180 mm，預(yù)留束釘孔洞620 mm×500 mm，焊釘間距順橫橋向均為120 mm。

2 混凝土橋面板澆筑方案

混凝土板通過剪力連接件與鋼結(jié)構(gòu)梁結(jié)合，共同參與受力，對橋梁縱向抗彎承載力有貢獻，參與上部梁體的橫向力傳遞，約束開口箱形截面跨中受壓翼緣[3]。

混凝土橋面板根據(jù)施工順序和截面構(gòu)成的不同可以分為三類：現(xiàn)澆混凝土橋面板、分段澆筑混凝土橋面板和預(yù)制混凝土橋面板[3]。

2.1 混凝土板的施工方法論述

現(xiàn)澆混凝土橋面板，是指采用全支架或部分支架設(shè)置橋面板澆筑模板，在木板上綁扎鋼筋和澆筑混凝土的施工過程。這種施工方法是一次澆筑到位，橋面板整體性較好。但現(xiàn)澆混凝土需要搭設(shè)支架和模板，需要支架預(yù)壓，需要考慮較長的施工工期和臨時費用；同時，橋面板澆筑完成之后，收縮徐變會引起鋼梁和混凝土板的附加應(yīng)力。

分段澆筑混凝土橋面板，是指根據(jù)混凝土橋面板的位置特點，將橋面板劃分成若干塊，難于搭設(shè)支架和模板的部分，采用預(yù)制，鋼結(jié)構(gòu)頂板及混凝土外側(cè)挑臂采用現(xiàn)澆施工。這種方法可以減少收縮和徐變引起的鋼-混凝土組合梁的附加應(yīng)力。但還是需要搭設(shè)部分支架，還是需要稍長工期和部分臨時費用。

預(yù)制混凝土橋面板是指橋面板分塊預(yù)制，預(yù)留槽口澆筑混凝土使橋面板與鋼結(jié)構(gòu)通過剪力釘連接，橋面板之間采用較小的濕接縫連接。這種方案的優(yōu)點是工廠預(yù)制率比較高，可以很大程度減少現(xiàn)場澆筑的工作量，達到快速施工的目的。橋面板采用預(yù)制混凝土板，最大程度地減小了收縮和徐變效應(yīng)對組合梁的影響。但這種施工方法主要預(yù)制的精度提出比較高的要求，預(yù)制板預(yù)留槽口是有橋面板鋼筋的，橋面板鋼筋和剪力釘均需要精準(zhǔn)定位，避免相互影響。同時，這種施工方法用于預(yù)制混凝土板件種類較少的等寬橋面或標(biāo)準(zhǔn)梁段的優(yōu)勢較為明顯，若用于變寬段，則預(yù)制難度會相應(yīng)增加。

2.2 混凝土板的施工方法對橋梁的影響

鋼-混組合梁混凝土橋面板的施工方法對工程的相應(yīng)主要分為兩個方面，一方面為建設(shè)過程的措施費用及施工工期；另外一方面是混凝土的收縮與徐變對梁體受力的影響。本文主要對后者展開論述。

混凝土的收縮與徐變效用一般可以通過有效彈性模量的虛擬荷載法來計算效應(yīng)引起的截面應(yīng)力增量。它是假定鋼梁與混凝土結(jié)合前增加虛擬荷載P0，等代于混凝土板收縮徐變產(chǎn)生的自由形變εc，然后在鋼梁與混凝土結(jié)合后施加相應(yīng)的荷載P0[4]。

混凝土橋面板截面應(yīng)力增量計算公式[4]：

鋼梁截面應(yīng)力增量計算公式：

虛擬荷載P0的確定應(yīng)考慮徐變引起的永久作用截面應(yīng)力增量和考慮徐變影響的收縮截面應(yīng)力增量。

徐變引起的永久作用截面應(yīng)力增量計算公式：

有效彈性模量比：

考慮徐變影響的收縮截面應(yīng)力增量計算公式：

有效彈性模量比：

溫度作用的截面應(yīng)力增量是與施工方法無關(guān)的，本篇暫不單獨對比。

3 橋面板施工方法對組合梁受力影響分析

3.1 有限元模型建立

本篇通過鋼-混組合梁橋面板全現(xiàn)澆施工方案和預(yù)制施工方案就混凝土的收縮與徐變兩項對主梁受力做詳細對比分析。采用midas civil建立有限元計算模型，分析混凝土橋面的收縮徐變效應(yīng)對主梁的應(yīng)力和撓度的影響，見圖6。

圖6 45 m簡支鋼-混組合梁濕計算模型消隱圖

橋面板現(xiàn)澆施工方案采用搭設(shè)支架和模板，橋面板一次性澆筑完成，混凝土養(yǎng)生7 d后拆除模板及支架。

橋面板預(yù)制施工方案采用分塊式預(yù)制，預(yù)留剪力釘現(xiàn)澆槽口及濕接縫，預(yù)制橋面板吊裝后采用C60無收縮混凝土澆筑剪力釘現(xiàn)澆槽口及濕接縫。預(yù)制混凝土的吊裝齡期為180 d。

3.2 計算結(jié)果分析

兩種施工方法主要的區(qū)別是混凝土的齡期差，混凝土的收縮徐變在不同工況下對混凝土橋面和鋼梁都有影響，同時對主梁撓度也有較大影響。

（1）混凝土收縮徐變對混凝土板的應(yīng)力影響

從計算結(jié)果可以看出，隨著時間的推移，混凝土的收縮徐變對混凝土橋面都有較大影響，這種影響是一種不利影響，見表1。

表1 橋面板結(jié)合工況下橋面板應(yīng)力對比表（“+”為拉應(yīng)力，“-”為壓應(yīng)力）

在橋面板與鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合工況下，兩種施工方法的混凝土壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。但現(xiàn)澆橋面板上下緣的壓應(yīng)力儲備比預(yù)制橋面上下緣壓應(yīng)力儲備小，預(yù)制橋面板對結(jié)構(gòu)受力更加有利，見表2。

表2 成橋工況下橋面板應(yīng)力對比表（“+”為拉應(yīng)力，“-”為壓應(yīng)力）

在成橋工況下，兩種施工方法的混凝土壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。但現(xiàn)澆橋面板上下緣的壓應(yīng)力儲備比預(yù)制橋面板上下緣壓應(yīng)力儲備小，預(yù)制橋面板對結(jié)構(gòu)受力更加有利，見表3。

表3 10 a收縮徐變工況下橋面板應(yīng)力對比表（“+”為拉應(yīng)力，“-”為壓應(yīng)力）

在10 a收縮徐變工況下，兩種施工方法的混凝土壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。主要受混凝土徐變的影響，兩種施工方法的橋面板上下緣壓應(yīng)力儲備與成橋工況相比均有下降，但現(xiàn)澆橋面板上下緣的壓應(yīng)力儲備比預(yù)制橋面板上下緣壓應(yīng)力儲備小，預(yù)制橋面板對結(jié)構(gòu)受力更加有利。

（2）混凝土收縮徐變對鋼梁的應(yīng)力影響

從計算結(jié)果可以看出，隨著時間的推移，混凝土的收縮徐變對鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力也是有影響的，特別是鋼梁上緣，這種影響是一種不利影響，見表4。

表4 橋面板結(jié)合工況下鋼梁應(yīng)力對比表（“+”為拉應(yīng)力，“-”為壓應(yīng)力）

在橋面板與鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合工況下，兩種施工方法下的鋼梁的拉、壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。但相比之下，現(xiàn)澆施工給鋼梁上緣產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力，預(yù)制橋面板對鋼梁受力更加有利；預(yù)制施工方法給鋼梁下緣產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，見表5。

表5 成橋工況下鋼梁應(yīng)力對比表（“+”為拉應(yīng)力，“-”為壓應(yīng)力）

在成橋工況下，兩種施工方法下的鋼梁的拉、壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。但相比之下，現(xiàn)澆施工給鋼梁上緣產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力，預(yù)制橋面板對鋼梁受力更加有利，兩種施工方法對鋼梁下緣應(yīng)力影響稍小，見表6。

表6 收縮徐變10a工況下鋼梁應(yīng)力對比表（“+”為拉應(yīng)力，“-”為壓應(yīng)力）

在收縮徐變10 a工況下，兩種施工方法下的鋼梁的拉、壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。但相比之下，現(xiàn)澆施工給鋼梁上緣產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力，預(yù)制橋面板對鋼梁受力更加有利，兩種施工方法對鋼梁下緣應(yīng)力影響稍小。

（3）混凝土收縮徐變對主梁撓度的影響

混凝土的收縮徐變對主梁跨中的撓度影響較大，計算結(jié)果顯示，采用現(xiàn)澆橋面板的主梁跨中10 a收縮徐變工況下的最大撓度是-122.2 mm，采用預(yù)制橋面板的主梁跨中10 a收縮徐變工況下的最大撓度是-104.0 mm，兩種方法差值為18.2 mm，差值占比為17.5%。通過對比可知，預(yù)制橋面對橋梁撓度控制更有利。具體數(shù)值對比詳見圖7。

圖7 兩種施工方法的撓度曲線圖（圖中：x軸為梁長方向，單位為m；y軸為豎向撓度，單位為mm）

4 結(jié)語

（1）從計算分析結(jié)果可以得出，預(yù)制施工方法能給混凝土橋面板提供更大的壓應(yīng)力儲備，對主梁結(jié)構(gòu)受力更有利。

（2）預(yù)制施工方法能有效降低鋼梁上緣壓應(yīng)力，對主梁結(jié)構(gòu)受力更有利；對鋼結(jié)構(gòu)下緣應(yīng)力影響較小。

（3）預(yù)制施工方法對簡支鋼-混組合梁跨中撓度控制更加有利。

（4）在類似工程中，鋼-混組合梁混凝土橋面的施工方法對主梁受力有影響，結(jié)果顯示預(yù)制施工方法對主梁受力較為有利。