摘要 文章以西香高速公路瀘沽湖樞紐互通主線特大橋?yàn)楣こ桃劳?，介紹了大跨徑簡(jiǎn)支鋼混組合梁的設(shè)計(jì)思路以及此類組合梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的構(gòu)造優(yōu)化情況。采用專業(yè)分析軟件建立有限元模型對(duì)優(yōu)化前后的兩種結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行受力分析，對(duì)比了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力指標(biāo)以及其鋼材使用指標(biāo)，探討了體外預(yù)應(yīng)力鋼束在此類結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的發(fā)展優(yōu)勢(shì)與前景，也為體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供了一定參考。

關(guān)鍵詞 體外預(yù)應(yīng)力；鋼混組合梁；大跨徑

中圖分類號(hào) TU398.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）07-0112-03

0 引言

鋼混組合梁結(jié)構(gòu)具有承載能力高、施工周期短、跨越能力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)近年來(lái)的基礎(chǔ)建設(shè)中使用頻率越來(lái)越高，使得與之相關(guān)的基礎(chǔ)理論及運(yùn)用技術(shù)也越來(lái)越成熟。然而，隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)成本不斷提高，如何控制好橋梁的工程規(guī)模顯得尤為重要。除了在項(xiàng)目前期的橋梁方案研究方面外，我們也同時(shí)需要從結(jié)構(gòu)本身去研究一種既滿足其結(jié)構(gòu)受力安全且經(jīng)濟(jì)性好的方案，雖然鋼混組合梁結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮鋼材材料的抗拉優(yōu)勢(shì)和混凝土材料的良好抗壓強(qiáng)度，具有明顯優(yōu)勢(shì)，但如何通過(guò)技術(shù)手段去達(dá)到有效降低工程規(guī)模的目的顯得尤為重要。

行業(yè)的發(fā)展使得新建高等級(jí)公路和既有高等級(jí)公路頻繁交叉。這種交叉往往是項(xiàng)目的控制性工點(diǎn)。對(duì)于交通量大的既有高速，上跨方案的布置受施工條件的限制需要較大跨徑的橋梁，而且要求其施工對(duì)被交路運(yùn)營(yíng)安全的影響小，鋼混組合梁就很適用于此類工況。體外預(yù)應(yīng)力的發(fā)展最早能追溯到20世紀(jì)30年代，其快速發(fā)展始于20世紀(jì)70年代，主要是由于高強(qiáng)度鋼絞線的使用和防腐技術(shù)的不斷提高這兩大因素的促進(jìn)[1]。體外預(yù)應(yīng)力不僅可以應(yīng)用于新建橋梁結(jié)構(gòu)上，還可以用于處理既有結(jié)構(gòu)承載能力不足的問(wèn)題，效果也相當(dāng)顯著。廣泛的工程實(shí)例運(yùn)用使得體外預(yù)應(yīng)力的相關(guān)理論以及運(yùn)用技術(shù)進(jìn)一步得到完善，更加促進(jìn)了此類結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

鋼混組合結(jié)構(gòu)布置體外預(yù)應(yīng)力相比混凝土結(jié)構(gòu)布置的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力或普通鋼結(jié)構(gòu)有著較明顯的優(yōu)勢(shì)：①體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束布置時(shí)其線型受結(jié)構(gòu)尺寸限制更多，不能夠充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力鋼束的作用。②能夠充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力鋼絞線材料本身的強(qiáng)度，增加結(jié)構(gòu)剛度，提高結(jié)構(gòu)的承載能力，降低結(jié)構(gòu)用鋼量，進(jìn)一步降低造價(jià)。③體外預(yù)應(yīng)力鋼束的檢測(cè)與維護(hù)更加便捷，解決了體內(nèi)束不可替換的問(wèn)題。④體外預(yù)應(yīng)力施工周期更短，無(wú)需壓漿，施工質(zhì)量也容易控制[2]。

1 工程概況

西香高速公路起于西昌市小廟鄉(xiāng)，接在建的G7611都香高速公路，新建里程約158.5 km，該工點(diǎn)位于此高速公路同期建設(shè)的瀘沽湖支線上。該橋?yàn)闉o沽湖樞紐互通左線特大橋，左線橋共10聯(lián)：（2×30.3+2×40）+（2×40+30.4）+（4×30.4）+（30.4+3×40.5）+（40.5+2×40）+（2×40）+（40+2×40.5）+70+（3×40.5）+（2×40.5+30.4）。該橋全長(zhǎng)1 156.9 m。上部結(jié)構(gòu)第八聯(lián)采用鋼混組合梁，其余聯(lián)采用該項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)支T梁。70 m鋼混組合梁下部結(jié)構(gòu)23、24號(hào)橋墩采用空心墩，其余引橋部分橋墩采用柱式墩，墩臺(tái)均采用鉆孔灌注樁。

該橋第24孔采用70 m簡(jiǎn)支鋼混組合梁結(jié)構(gòu)，為跨越蓋租河而布置，此聯(lián)平面位于緩和曲線上。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鋼主梁

70 m組合梁為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，采用分體箱，縱橋向按一定間距布置橫梁或加強(qiáng)橫梁，橋面板采用鋼纖維混凝土澆筑。鋼混組合梁結(jié)構(gòu)體系主要由鋼主梁（單幅2片梁）、鋼橫梁（分為標(biāo)準(zhǔn)橫梁及伸縮縫處加強(qiáng)橫梁）、鋼混組合橋面板三個(gè)主要構(gòu)造單元組成。

70 m鋼混組合梁沿縱橋向共劃分為7個(gè)節(jié)段，節(jié)段長(zhǎng)度分別為9.94 m、5×10 m、9.94 m，其中節(jié)段運(yùn)輸重量最大的為35.7 t。節(jié)段間預(yù)留10 mm間隙，鋼結(jié)構(gòu)加工制造單位根據(jù)焊接工藝需求可對(duì)預(yù)留間隙進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.1.1 鋼混組合梁截面

單片鋼主梁箱高3 500 mm，箱寬2 000 mm，懸臂寬度標(biāo)準(zhǔn)寬度分別為1 600 mm。鋼箱梁底板水平，截面橫坡通過(guò)腹板高度調(diào)整。腹板為豎直布置，橫梁或加強(qiáng)橫梁布置間距為3 300 mm。箱梁底板縱向加勁肋布置5道，腹板縱向加勁肋布置3道，箱梁頂板上緣設(shè)置開(kāi)孔板作為組合橋面板的剪力鍵，同時(shí)作為加勁肋。

2.1.2 布置體外預(yù)應(yīng)力截面

底板布置6根7Φs15.2環(huán)氧噴涂無(wú)黏結(jié)鋼絞線，除鋼主梁箱高3 200 mm，頂、底板厚度有所優(yōu)化外，其余相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸及加勁肋的布置與未施加體外預(yù)應(yīng)力鋼主梁的結(jié)構(gòu)尺寸相比未調(diào)整。其橫斷面布置如圖1～2所示。

2.2 鋼橫梁

為保證兩分體箱之間的整體穩(wěn)定性以及荷載在箱體間的有效傳遞，達(dá)到內(nèi)力合理分布的目的，合理地布置橫梁，根據(jù)橋面板體系的受力分析計(jì)算及以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，分體箱之間的布置采用密布橫梁支承。兩種方案標(biāo)準(zhǔn)橫梁間距均為3 300 mm。

2.3 組合橋面板

組合橋面板材料為C40鋼纖維混凝土，板厚為0.15 m，橋面板底鋼板厚度為8 mm。參考其他項(xiàng)目后期運(yùn)營(yíng)情況及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其鋼纖維摻量為50 kg/m3。

2.4 主要材料

鋼箱梁體：結(jié)構(gòu)鋼采用Q355級(jí)。

高強(qiáng)螺栓：高強(qiáng)螺栓均采用10.9級(jí)。

剪力釘：伸縮縫處的梁端組合橫梁內(nèi)部填充混凝土，橫梁的腹板開(kāi)孔板與混凝土之間采用Φ19 mm圓柱頭ML15焊釘進(jìn)行連接。

鋼纖維：根據(jù)以往項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，鋼纖維摻量為50 kg/m3。

體外束：采用7Φs15.2環(huán)氧噴涂無(wú)黏結(jié)鋼絞線，鋼絞線的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，鋼束兩端張拉控制力為1 265 kN。

3 主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)建模

70 m簡(jiǎn)支鋼混組合梁采用有限元軟件Midas Civil 2021進(jìn)行計(jì)算。全橋結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧M。截面類型的模擬采用程序中的組合梁截面（一般）。

未施加預(yù)應(yīng)力鋼束施工階段分析的施工階段依次如下：①鋼箱梁體架設(shè)就位，拼裝梁體。②焊接頂板開(kāi)孔板，綁扎橋面板鋼筋，由跨中向梁端澆筑橋面板混凝土。③施工橋面鋪裝和護(hù)欄施工。④成橋通車(chē)。

施加預(yù)應(yīng)力的鋼混組合梁則增加張拉預(yù)應(yīng)力鋼束施工階段，其施工階段依次如下：①鋼箱梁體架設(shè)就位，拼裝梁體。②張拉預(yù)應(yīng)力鋼束并錨固。③焊接頂板開(kāi)孔板，綁扎橋面板鋼筋，由跨中向梁端澆筑橋面板混凝土。④施工橋面鋪裝、護(hù)欄等橋面系結(jié)構(gòu)。⑤成橋進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段。

鋼混組合梁建立的模型如圖3所示。

模型中主梁主要承受的荷載如下：①自重?？紤]結(jié)構(gòu)橫隔板及剪力鍵自重，計(jì)入結(jié)構(gòu)自重中施加，程序中自重系數(shù)為?1.02。②活載。左線橋計(jì)3個(gè)車(chē)道，按規(guī)范車(chē)道荷載橫向分配系數(shù)取值為2.34。③混凝土收縮徐變。橋面板混凝土的收縮徐變受力按現(xiàn)行《混規(guī)》進(jìn)行計(jì)算。④溫度梯度。根據(jù)氣象資料，全橋結(jié)構(gòu)體系整體升溫溫差取+30 ℃，整體降溫溫差取?20 ℃溫度梯度作用取值為正溫度梯度14 ℃、5.5 ℃和0 ℃；負(fù)溫度梯度?7.0 ℃、?2.7 ℃和0 ℃。⑤二期恒載主要為橋面鋪裝及護(hù)欄荷載，采用梁?jiǎn)卧己奢d加載，大小分別為?21.90 kN/m和?10.58 kN/m。⑥疲勞荷載。疲勞車(chē)輛荷載采用《鋼橋規(guī)范》中的疲勞荷載模型I進(jìn)行加載，且荷載計(jì)入車(chē)輛沖擊系數(shù)。

3.2 靜力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)擬定的兩種設(shè)計(jì)截面分別建立了計(jì)算模型。采用彈性分析法進(jìn)行了靜力分析，按材料的容許應(yīng)力控制設(shè)計(jì)，程序計(jì)算結(jié)果如下。

3.2.1 施工階段應(yīng)力計(jì)算

普通鋼混截面：根據(jù)各施工階段截面的應(yīng)力結(jié)果，頂板最大壓應(yīng)力為?92.3 MPa，底板最大拉應(yīng)力為103.9 MPa，

其應(yīng)力值滿足規(guī)范要求。

體外預(yù)應(yīng)力+鋼混截面：施工階段過(guò)程中的截面頂板最大壓應(yīng)力為?114.7 MPa，底板最大拉應(yīng)力為72.6 MPa，

其應(yīng)力值滿足規(guī)范要求。

3.2.2 使用階段應(yīng)力驗(yàn)算

普通鋼混截面：在基本組合作用下，頂板處的最大壓應(yīng)力為?121.5 MPa，底板最大拉應(yīng)力為162.7 MPa，其應(yīng)力值滿足規(guī)范要求。

體外預(yù)應(yīng)力+鋼混截面：在基本組合作用下，頂板處的最大壓應(yīng)力為?157.8 MPa，底板最大拉應(yīng)力為138.4 MPa，

其應(yīng)力值滿足規(guī)范要求。

3.2.3 疲勞驗(yàn)算

主梁上緣、下緣在車(chē)輛荷載作用下，承受拉壓循環(huán)應(yīng)力，該次驗(yàn)算采用規(guī)范中的疲勞荷載模型I計(jì)算。

普通鋼混截面：最大疲勞應(yīng)力幅為19.5 MPa，出現(xiàn)在跨中主梁下緣，滿足規(guī)范要求。

體外預(yù)應(yīng)力+鋼混截面：最大疲勞應(yīng)力幅為19.9 MPa，出現(xiàn)在跨中主梁下緣，滿足規(guī)范要求。

3.2.4 撓度驗(yàn)算

普通鋼混及體外預(yù)應(yīng)力+鋼混兩種截面主梁在豎向靜活載的作用下的撓度分別為36 mm和45 mm，滿足規(guī)范要求。

從上述計(jì)算結(jié)果來(lái)看，施加體外預(yù)應(yīng)力后，鋼箱梁的底板拉應(yīng)力降低較為明顯，可見(jiàn)體外預(yù)應(yīng)力對(duì)底板應(yīng)力的改善有顯著作用，對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度也有一定貢獻(xiàn)，有利于結(jié)構(gòu)受力。

3.3 用鋼量對(duì)比

布置體外預(yù)應(yīng)力鋼束后，結(jié)構(gòu)的梁高及底板厚均有所優(yōu)化，從而降低了鋼箱梁的用鋼量，具體截面參數(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

由上表參數(shù)對(duì)比可知，相對(duì)于普通鋼混截面，布置體外束后截面梁高優(yōu)化了30 cm，每平方用鋼量從648.8 kg/m2降低到571.5 kg/m2，節(jié)省了77.3 kg/m2，經(jīng)濟(jì)效益明顯。且從施工角度來(lái)看，體外預(yù)應(yīng)力由于無(wú)需管道，使得施工過(guò)程中對(duì)鋼束張拉伸長(zhǎng)量能夠得到有效控制，對(duì)施工質(zhì)量更加有效。

4 結(jié)論

綜合以上分析對(duì)比結(jié)果來(lái)看，鋼混組合梁采用體外預(yù)應(yīng)力鋼束有著顯著優(yōu)勢(shì)。

（1）由于此類鋼束無(wú)需布置預(yù)應(yīng)力管道，使得現(xiàn)場(chǎng)鋼束實(shí)際伸長(zhǎng)量與理論計(jì)算值更為接近，能充分反映鋼束是否充分張拉且能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及時(shí)反應(yīng)預(yù)應(yīng)力鋼束是否有異?，F(xiàn)象，施工質(zhì)量控制更加有效。

（2）噴涂環(huán)氧后增強(qiáng)了對(duì)鋼絞線的保護(hù)，且鋼絲整體性更好，受力更加均勻，滑絲、斷絲等問(wèn)題出現(xiàn)的頻率更低，提高材料的使用效率。

（3）采用體外預(yù)應(yīng)力能有效改善結(jié)構(gòu)受力性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，降低結(jié)構(gòu)的用鋼量，對(duì)提高結(jié)構(gòu)承載能力、降低工程造價(jià)方面有著明顯優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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