連續(xù)鋼桁架疊合梁橋面板裂縫控制技術(shù)

卿前志

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

連續(xù)鋼桁架疊合梁橋面板裂縫控制技術(shù)

卿前志

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

寧波梅山春曉大橋工程水中引橋采用3×72 m連續(xù)鋼桁架疊合梁結(jié)構(gòu)。連續(xù)結(jié)構(gòu)鋼-混凝土疊合梁設(shè)計時，重點需要解決結(jié)構(gòu)墩頂開裂的問題。論述了常規(guī)鋼-混凝土疊合梁控制墩頂裂縫的方法，結(jié)合春曉大橋工程實際，對其采用的控制墩頂混凝土橋面板裂縫的措施進行了論述。同時，針對采用預(yù)制混凝土橋面板結(jié)構(gòu)的疊合梁墩頂裂縫計算過程進行了簡要說明。該工程主要采用了調(diào)整支點高度方法，計算表明，該方法對控制墩頂裂縫寬度是有效的。

連續(xù)鋼桁架；疊合梁；混凝土橋面板；裂縫控制

1 概述

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，鋼梁及鋼-混凝土疊合梁在橋梁建設(shè)中運用得越來越多。與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼-混凝土疊合梁由于采用混凝土橋面板，避免了鋼橋面在汽車荷載作用下的疲勞開裂問題日益受到青睞。鋼-混凝土疊合梁分簡支疊合梁及連續(xù)疊合梁。簡支疊合梁采用鋼結(jié)構(gòu)抗拉，混凝土橋面板受壓，充分發(fā)揮了鋼及混凝土兩種材料各自的優(yōu)點，因而在常規(guī)橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用。然而，由于簡支疊合梁需要在梁端設(shè)置伸縮縫，對行車的舒適性有一定的影響，近年來，連續(xù)疊合梁在我國橋梁建設(shè)中的運用日益增多。

連續(xù)鋼-混凝土疊合梁的橋面板可以現(xiàn)澆施工，也可以在工廠預(yù)制，待鋼梁架設(shè)完畢進行安裝，然后澆筑疊合梁橋面板之間的濕接縫。常規(guī)的鋼-混凝土疊合梁根據(jù)采用鋼結(jié)構(gòu)形式的不同分為鋼板梁疊合梁橋、鋼箱梁疊合梁橋、波形鋼腹板箱梁疊合梁橋及鋼桁架疊合梁橋[1]。不論采用哪種結(jié)構(gòu)，橋梁設(shè)計過程中均需要解決中支點墩頂位置混凝土橋面板開裂問題。

2 控制墩頂裂縫方法

連續(xù)鋼-混凝土疊合梁中支點位置，在恒載及汽車等活載作用下，主梁承受負彎矩作用。在墩頂負彎矩作用下，上緣混凝土橋面板受拉。為抵抗負彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力，通?？梢圆捎玫墓こ檀胧┯蓄A(yù)加荷載法、調(diào)整支點高度法、設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋、優(yōu)化橋面板施工順序、限制混凝土裂縫寬度方法以及部分組合梁法[2]。

2.1 預(yù)加荷載法

預(yù)加荷載法一般是鋼梁施工完成后，首先在主梁的正彎矩區(qū)段澆筑混凝土橋面板，并施加一定的臨時荷載，使中支點附近鋼梁負彎矩區(qū)承受一定的預(yù)應(yīng)力，然后在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下澆筑負彎矩區(qū)段混凝土，混凝土達到設(shè)計強度后，撤去臨時荷載。由于正彎矩區(qū)段臨時荷載的卸載，在負彎矩區(qū)段產(chǎn)生一個反向的正彎矩，從而使混凝土橋面板產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，減小或消除正常使用階段混凝土橋面板的拉應(yīng)力。

2.2 調(diào)整支點高度法

調(diào)整支點高度法，一般先在鋼梁架設(shè)完成后，將中支點通過千斤頂抬升一定高度，然后澆筑混凝土橋面板，待混凝土橋面板達到設(shè)計強度后，將中支點下降至設(shè)計高度，從而使混凝土橋面板產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力。

2.3 設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋

設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋的方法，一般是在中支點附近的混凝土橋面板中，沿順橋向布置預(yù)應(yīng)力鋼筋，從而減小或消除混凝土橋面板的拉應(yīng)力，達到控制橋面板裂縫寬度，改善橋面板受力狀態(tài)的目的。

2.4 優(yōu)化橋面板施工順序

優(yōu)化橋面板施工順序，通常是鋼梁架設(shè)完成后，首先在正彎矩區(qū)段澆筑混凝土橋面板，然后往兩側(cè)推進，最后澆筑中支點負彎矩區(qū)的混凝土橋面板，從而達到減小中支點負彎矩區(qū)混凝土橋面板拉應(yīng)力的目的。

2.5 限制混凝土裂縫寬度的方法

限制混凝土裂縫寬度的方法，是通過在混凝土橋面板中配置足夠的鋼筋，可以將混凝土橋面板的裂縫寬度限制在容許值以內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)耐久性的要求。當鋼-混凝土疊合梁配置足夠的剪力連接件時，負彎矩區(qū)混凝土板中的受力鋼筋直至屈服階段，均能夠與鋼梁很好地共同工作。

2.6 部分組合梁法

部分組合梁法，一般是通過將負彎矩區(qū)段設(shè)計為非結(jié)合或柔性結(jié)合結(jié)構(gòu)，即在負彎矩區(qū)段不布設(shè)鋼-混凝土連接件或僅設(shè)置柔性連接件。采用部分組合梁，在荷載作用下，橋面板負彎矩處的拉應(yīng)力能夠顯著降低，但是在不設(shè)置連接件的分界處會造成較大的應(yīng)力集中，必須采取相應(yīng)的構(gòu)造措施。例如使橋面板的縱向鋼筋連續(xù)通過，并適當?shù)丶訌姡换蛘咴阡摿荷线m當焊接錨固鋼筋與混凝土橋面板連接，起到彈性剪力連接件的作用，從而達到過渡效果。

在實際工程中，往往根據(jù)工程具體情況，采用一種或多種方法來控制負彎矩區(qū)混凝土橋面板的拉應(yīng)力，從而達到橋面板裂縫控制的目的。

3 墩頂橋面裂縫計算方法

連續(xù)疊合梁橋梁設(shè)計時，外荷載作用下，需驗算橋面板中的最大裂縫寬度，使其滿足現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）的相關(guān)規(guī)定[3]。通常，在荷載作用下，混凝土橋面板控制不出現(xiàn)裂縫或?qū)⒘芽p寬度限制在一定范圍內(nèi)。從經(jīng)濟性考慮，一般將墩頂?shù)牧芽p寬度限定在一定的允許范圍。

負彎矩區(qū)組合梁混凝土板工作性能接近于混凝土軸心受拉構(gòu)件，規(guī)范《公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》（JTG/T D64-01—2015）規(guī)定，對于鋼筋混凝土板應(yīng)按式（1）計算[4]：

式中：Ms為形成組合作用后，按荷載作用頻遇組合效應(yīng)計算的組合梁截面彎矩值；Icr為由縱向普通鋼筋與鋼梁形成的組合截面的慣性矩，即開裂截面慣性矩；ys為鋼筋截面形心至鋼筋和鋼梁形成的組合截面中性軸的距離。

對于鋼板梁或鋼箱梁與混凝土橋面板形成的組合梁，換算截面計算可根據(jù)結(jié)構(gòu)是否開裂分別考慮[4]：對于開裂區(qū)即中墩頂兩側(cè)各0.15 L范圍內(nèi)組合梁截面剛度取開裂截面剛度EIcr，其余區(qū)段組合梁截面剛度取未開裂截面剛度EI。

實際計算過程中，一般采用有限元的分析方法，根據(jù)施工過程，建立相應(yīng)的計算模型，并求解各荷載工況下結(jié)構(gòu)受力，然后進行荷載組合。得到橋面板中的內(nèi)力后，便可按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定進行裂縫寬度的求解。

4 工程概況

寧波市梅山春曉大橋工程西起春曉洋沙山東六路與春曉東八路交叉口，終點位于梅山島鹽湖路與港灣路交叉口，工程全長約1.971 km。橋梁工程主要包括主橋、春曉側(cè)引橋、梅山側(cè)引橋以及明月湖輔道橋。梅山春曉大橋主橋采用中承式雙層桁架拱橋。水中引橋結(jié)構(gòu)形式為3×72 m連續(xù)鋼桁架-混凝土橋面板疊合梁，包括梅山側(cè)與春曉側(cè)兩聯(lián)。為了解決慢行系統(tǒng)過江的問題，橋梁采用雙層橋面布置：上層為雙向六車道一級公路，下層為人非專用通道?？紤]到下層橋面系需要布置人非系統(tǒng)，為降低車輛行駛過程中對下層慢行交通系統(tǒng)的噪聲影響，同時避免鋼橋面板在活載作用下的疲勞問題，上層機動車橋面系采用混凝土橋面板。

水中引橋采用鋼-混凝土連續(xù)桁架疊合梁形式，設(shè)置上下兩層橋面系。結(jié)構(gòu)總高8.96 m，上層橋面總寬25 m，下層橋面寬12 m。鋼桁架下弦桿采用箱形截面，截面高1.2 m，截面寬1 m。上弦桿采用箱形截面，截面高1.8 m，截面寬1.53 m。腹桿根據(jù)受力采用H形或箱形截面。上層橋面弦桿中心距16.46 m，中間設(shè)置小縱梁一道?？v橋向布置橫隔板，間距4 m。上層橋面為混凝土橋面板，板厚250 mm，混凝土強度等級C60。下層橋面采用鋼板，加勁采用一字肋。水中引橋疊合梁橫斷面如圖1所示。

圖1 梅山春曉大橋水中引橋斷面圖（單位：cm）

5 裂縫控制措施及裂縫寬度計算

首先為了減小收縮徐變，水中引橋采用預(yù)制橋面板，橋面板架設(shè)前存放6個月以上。采用橋梁分析軟件建立結(jié)構(gòu)分析模型，上弦桿、下弦桿、腹桿用梁單元模擬，上層及下層橋面板均采用板單元模擬，上層混凝土橋面板與上弦桿間通過彈簧單元進行連接，模擬其中的剪力釘，計算模型如圖2所示。

圖2 梅山春曉大橋水中引橋計算模型

經(jīng)過計算，當不采取任何措施，成橋階段，在欄桿、鋪裝等二期恒載作用下，墩頂負彎矩區(qū)橋面板中有3.5 MPa的拉應(yīng)力。為了控制墩頂裂縫，采用了調(diào)整支點高度的方法：鋼梁架設(shè)完畢后先將桁架頂升55 cm，然后從安裝預(yù)制橋面板，并從跨中向墩頂澆筑橋面板間現(xiàn)澆接縫，待達到規(guī)定的結(jié)構(gòu)強度后將結(jié)構(gòu)下降到永久支座上。結(jié)構(gòu)建模分析計算時考慮的施工階段如下：架設(shè)鋼桁架→兩個中支點向上頂升55 cm→施工上層橋面板（橋面板自重以荷載形式施加于鋼梁上）→橋面板參與整體受力→中支點回落至原位→施工二期恒載→收縮徐變10年。鋼梁頂升點在永久支座旁進行，圖3為鋼梁頂升施工。

圖3 頂升中的鋼桁梁

在橋面板裂縫計算時，值得一提的是橋面板受力需要考慮局部受力和整體受力兩個方面。

5.1 橋面板局部受力計算

春曉大橋引橋橋面板采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，橫橋向預(yù)制板分為4塊，縱橋向標準間距4 m。分析橋面板局部受力時，需要首先根據(jù)橋面板的尺寸確定橋面板為單向板還是雙向板，然后計算恒載下橋面板局部受力與活載下的局部受力。由于橋面板擱置在鋼梁上時受力狀態(tài)與現(xiàn)澆濕接縫后受力狀態(tài)不同，兩者考慮如下。

對于濕接縫剛澆筑完成的預(yù)制橋面板，恒載下局部受力計算時，受力狀態(tài)與簡支板一致，可按照簡支板來計算板中的彎矩，然后考慮徐變影響，對橋面板內(nèi)力進行重分配。收縮徐變完成后，橋面板自重作用下受力與四周嵌固板一致。

根據(jù)上述原則，計算上層混凝土橋面板自重彎矩時，可通過查板的靜力計算公式[5]進行計算。徐變系數(shù)可根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》進行求解，本工程計算時徐變系數(shù)?。╰）=1.5。

以本工程兩上弦之間的橋面板為例，預(yù)制橋面板尺寸如圖4所示，現(xiàn)澆接縫完成階段自重引起彎矩按四邊簡支板計算，收縮徐變引起自重彎矩重分配按四邊嵌固板計算。橋面板順橋向受力計算過程如下。

圖4 預(yù)制橋面板尺寸（單位：cm）

荷載集度q=0.25×26=6.5（kN/m2），lx=4，ly= 7.6，泊松比μ=0時，查靜力計算手冊表[5]，取混凝土泊松比μ=1/6，得Mx=0.096 5ql2，相應(yīng)彎矩為M1g=Mx=10.3 kN·m。

考慮橋面板混凝土徐變后，計算公式如下：

式中：M1g為先期結(jié)構(gòu)自重引起彎矩；M2g為先期結(jié)構(gòu)的自重，按作用于后期結(jié)構(gòu)計算引起彎矩，即嵌固模式計算彎矩[3]。

從而得到收縮徐變后的跨中彎矩為

同理可計算支點彎矩：

考慮收縮徐變后，支點彎矩為

對于汽車車輪荷載作用在橋面板上引起的方法，同樣可根據(jù)汽車荷載內(nèi)力計算方法[5]進行，不再贅述。

5.2 橋面板整體受力分析

橋面板整體受力可根據(jù)建立的有限元模型進行求解，并將結(jié)構(gòu)所受的外荷載在橋面板和鋼梁中根據(jù)規(guī)范規(guī)定進行分配。

本工程整體受力考慮的外荷載包括：恒載；汽車、人群等荷載；混凝土徐變及收縮；溫度荷載，包括整體升降溫及梯度溫度；基礎(chǔ)沉降。

整體計算得到的橋面板內(nèi)力與局部計算橋面板中的內(nèi)力進行組合，便可對橋面板裂縫進行驗算。本工程疊合梁橋面板厚度為250 mm，墩頂位置橋面板縱橋向采用d=28 mm@135 mm，驗算結(jié)構(gòu)承載能力滿足規(guī)范要求，驗算最大裂縫寬度為0.158 mm，亦滿足規(guī)范要求。其余位置橋面板配筋根據(jù)內(nèi)力進行適當調(diào)整，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。圖5給出了在鋼-混凝土疊合梁橋混凝土橋面板的受力計算流程。

圖5 橋面板計算分析流程

6 結(jié)語

連續(xù)鋼-混凝土疊合梁在承受外荷載時，需要重點解決墩頂區(qū)段的混凝土橋面板裂縫問題。本文首先綜述了在連續(xù)疊合梁設(shè)計中常用的控制墩頂區(qū)域橋面板裂縫的方法，并結(jié)合梅山春曉大橋水中引橋進行了分析。在橋面板裂縫計算時，必須要注意將橋面板整體受力和局部受力進行組合，以便得到橋面板中外荷載的最大效應(yīng)。梅山春曉大橋水中引橋采用的是調(diào)整支點位移方法，同時施工中對橋面板現(xiàn)澆濕接縫的澆筑順序進行了控制，計算表明，能有效控制墩頂位置橋面板裂縫寬度，可供類似工程項目參考。

[1]聶建國.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]吳沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[4]JTG/T D64-01—2015，公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范[S].

[5]邵旭東，程翔云，李立峰.橋梁設(shè)計與計算[M].北京：人民交通出版社，2007.

四川規(guī)定四類公共建筑須安裝防震減災(zāi)“黑匣子”

日前，由四川省地震局起草的《四川省建設(shè)工程強震動監(jiān)測臺陣技術(shù)要求》（以下簡稱《技術(shù)要求》）正式發(fā)布實施?！都夹g(shù)要求》明確了四川省必須布設(shè)強震動監(jiān)測臺陣的四類公共建筑物，分別是：抗震設(shè)防類別為特殊設(shè)防類和重點設(shè)防類的水利工程建筑物，處于地震重點監(jiān)測防御區(qū)的特殊橋梁，抗震設(shè)防烈度為7度、8度、9度地區(qū)的高度分別超過160 m、120 m、80 m的公共建筑、核電廠和核設(shè)施建設(shè)工程。

強震動監(jiān)測臺陣，是為加強重大建設(shè)工程的強震動觀測，按專門設(shè)施布設(shè)的多個強震動臺站或監(jiān)測網(wǎng)。目前，強震動監(jiān)測在大壩、水電站和核電廠等工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在公共建筑和特殊橋梁等建設(shè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用較少。四川省地震局地震監(jiān)測專家賴敏表示，此舉是給重大建設(shè)工程安上“黑匣子”，在遭遇強烈地震時，能夠監(jiān)測出工程結(jié)構(gòu)受震動的情況，為建筑物抗震設(shè)計和抗震結(jié)構(gòu)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

根據(jù)《技術(shù)要求》，強震動監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、記錄器、數(shù)據(jù)處理計算機、傳輸線路四部分組成。地震發(fā)生時，傳感器會根據(jù)震動記錄下數(shù)據(jù)，然后通過傳輸線路傳到中心機房的數(shù)據(jù)處理計算機。 布設(shè)強震動監(jiān)測臺陣規(guī)模應(yīng)根據(jù)工程等級而異，一般建設(shè)工程不應(yīng)少于12通道（4個觀測點），重要建設(shè)工程不應(yīng)少于18通道（6個觀測點）。賴敏強調(diào)，觀測點要布置在工程結(jié)構(gòu)反應(yīng)的關(guān)鍵和敏感部位，強震動監(jiān)測儀器應(yīng)通過螺栓固定在觀測點上，布設(shè)室外電纜時，須穿入鍍鋅鐵管內(nèi)加以保護并固定。

U442

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1009-7716（2017）04-0096-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.028

2017-01-10

卿前志（1985-），男，湖南邵陽人，工程師，從事道路橋梁設(shè)計工作。