鋼-混組合梁在工程中的應(yīng)用研究

鄭大偉， 劉 宇

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

鋼材和混凝土是當(dāng)前建造橋梁的兩種最基本的建筑材料?；炷两Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低、高強(qiáng)耐久、可塑性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是自重大、易開(kāi)裂、受拉性能差，施工受天氣和季節(jié)約束。鋼材優(yōu)點(diǎn)則是強(qiáng)度高、韌性好、自重輕、材質(zhì)均勻、制作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是耐腐蝕性差、耐熱不耐火、造價(jià)高。

1 背景分析

傳統(tǒng)混凝土施工屬于手工粗放型作業(yè)，效率低、質(zhì)量差、受周邊環(huán)境影響大。由于混凝土結(jié)構(gòu)的諸多缺點(diǎn)及材料局限性，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展成為必然的趨勢(shì)。然而由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁造價(jià)較高，養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用大，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)多用于大橋及特大橋，例如上海楊浦大橋、江陰長(zhǎng)江大橋等大型橋梁，而中小跨徑橋梁仍采用混凝土結(jié)構(gòu)。

綜合考慮混凝土材料和鋼材的優(yōu)缺點(diǎn)，一種新的結(jié)構(gòu)形式得到廣泛的推廣，即鋼筋-混凝土組合梁(簡(jiǎn)稱(chēng)鋼-混組合梁)。鋼-混組合梁通過(guò)在鋼梁和混凝土翼緣板之間設(shè)置剪力連接件(栓釘、槽鋼、彎筋等)，使之成為一個(gè)整體而共同工作。該梁型同鋼筋混凝土梁相比，可以減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震作用，減小截面尺寸，增加有效使用空間，節(jié)省支模工序和模板，縮短施工周期，增加梁的延性等。同鋼梁相比，可以減小用鋼量，增大剛度，增加穩(wěn)定性和整體性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗火性和耐久性等。

鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代，發(fā)展于20世紀(jì)40～50年代；20世紀(jì)60～70年代，鋼-混組合結(jié)構(gòu)處于全面研究以及應(yīng)用階段；20世紀(jì)80年代至今，隨著研究逐漸深入，規(guī)范的完善以及技術(shù)成熟，該結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。尤其在日本，各式各樣鋼-混組合結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在工程建設(shè)中。

2 經(jīng)濟(jì)性比較

中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)中，鋼-混組合梁每平方米造價(jià)是組合箱梁和預(yù)制T形梁每方平米造價(jià)的1.6～1.7倍，是預(yù)制大箱梁和現(xiàn)澆箱梁每平方米造價(jià)的1.3～1.4倍，是大鋼混疊合梁和小鋼混疊合梁每平方米造價(jià)的0.9倍左右。由于鋼材有回收利用價(jià)值，從工程全壽命周期成本考慮，鋼-混組合梁與現(xiàn)澆箱梁相差不大，甚至更為便宜。鋼-混組合梁跨徑-造價(jià)圖如圖1所示。

圖1 鋼-混組合梁跨徑-造價(jià)圖

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：鋼主梁、橋面板和剪力傳遞器。鋼-混組合梁示意圖如圖2所示。

圖2 鋼-混組合梁示意圖

3.1 鋼主梁

鋼主梁采用“工”字形截面，腹板可設(shè)置縱向以及豎向加勁肋，增強(qiáng)腹板局部穩(wěn)定。主梁之間采用橫梁連接，以保證主梁的整體穩(wěn)定。多主梁斷面的情況下，一般采用2片主梁組成1榀，進(jìn)行吊裝施工，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無(wú)須增加臨時(shí)構(gòu)件。鋼主梁尺寸受斷面主梁片數(shù)以及跨徑控制。鋼主梁梁高一般為跨徑的1/22～1/18。采用少主梁斷面時(shí)，梁高根據(jù)計(jì)算進(jìn)行增大。鋼主梁示意圖如圖3所示。

圖3 鋼主梁示意圖

3.2 橋面板

主梁間距是橋面板設(shè)計(jì)的控制性因素。間距2.5～4.5 m時(shí)，采用混凝土橋面板；間距大于6 m時(shí)，采用預(yù)應(yīng)力橋面板。橋面板板厚一般在200～350 mm取值?？筛鶕?jù)設(shè)計(jì)需要，在支點(diǎn)處設(shè)置承托。橋面板可根據(jù)施工工期要求，采用預(yù)制或者現(xiàn)澆形式。橋面板斷面示意圖如圖4所示。

圖4 橋面板斷面示意圖

3.3 剪力傳遞器

為了保證鋼梁與橋面板共同受力，需設(shè)置可靠的剪力傳遞器傳遞梁在彎曲變形中的錯(cuò)動(dòng)剪力。工程中一般采用剪力釘?shù)男问?，此種形式施工方便、快捷。剪力鍵示意圖如圖5所示。

圖5 剪力鍵示意圖

4 設(shè)計(jì)重、難點(diǎn)

4.1 連續(xù)結(jié)構(gòu)中支點(diǎn)開(kāi)裂

連續(xù)鋼-混組合結(jié)構(gòu)由于超靜定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及鋼梁阻礙混凝土收縮，導(dǎo)致中支點(diǎn)處橋面板極容易產(chǎn)生裂縫。目前中支點(diǎn)抗裂采用的方式有施加預(yù)應(yīng)力法和高配筋法。

4.1.1 施加預(yù)應(yīng)力法

(1) 支座頂升法：架設(shè)鋼梁時(shí)，對(duì)支座進(jìn)行預(yù)抬升，待墩頂橋面板混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，沉降墩頂支座，完成墩頂位置預(yù)應(yīng)力的施加。

(2) 預(yù)加靜載法：施工橋面混凝土前，對(duì)鋼梁進(jìn)行預(yù)加靜載，使鋼梁達(dá)到一定程度的受力狀態(tài)，然后澆筑混凝土。該種方法可以減小墩頂混凝土使用時(shí)的拉應(yīng)力，從而減輕墩頂混凝土開(kāi)裂等病害。

(3) 負(fù)彎矩區(qū)域施加鋼絞線(xiàn)法：

①先錨固后張拉，使鋼梁和混凝土共同承受預(yù)應(yīng)力。此種操作的特點(diǎn)：一是需要預(yù)應(yīng)力材料較多；二是預(yù)應(yīng)力很大程度由鋼結(jié)構(gòu)承受，加重了薄鋼板的整體穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性問(wèn)題；三是如為曲線(xiàn)梁，該方式增加了鋼梁受力的復(fù)雜性，預(yù)應(yīng)力的次內(nèi)力效應(yīng)加重中支點(diǎn)下緣的穩(wěn)定要求，同時(shí)容易將邊支座脫空。

②先張拉后錨固，只有混凝土承受預(yù)應(yīng)力。此種操作的特點(diǎn)：一是鋼梁不會(huì)因預(yù)應(yīng)力的施加而產(chǎn)生附加應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力完全由混凝土承擔(dān)，可減少預(yù)應(yīng)力筋用量；二是現(xiàn)澆及預(yù)制均可采用。

4.1.2 高配筋現(xiàn)澆法

負(fù)彎矩處不施加預(yù)應(yīng)力，而是采用高配筋的方式進(jìn)行抗裂。

4.2 連續(xù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)拼接位置的選擇

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮好鋼梁施工、混凝土的施工方式，不同的施工方式對(duì)鋼梁和混凝土橋面板施工階段的受力及安全有著較大的影響。中小跨徑連續(xù)鋼-混組合梁施工時(shí)，較為常見(jiàn)的施工方式是采用場(chǎng)內(nèi)預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)吊裝、拼接。拼接位置的選擇是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。

考慮到墩頂位置結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力(底緣)和拉應(yīng)力(頂緣)均較大，拼接位置的選擇應(yīng)避開(kāi)墩頂位置，可設(shè)置在墩頂兩側(cè)彎矩較小處。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于混凝土結(jié)構(gòu)的諸多缺點(diǎn)及材料局限性，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展成為必然的趨勢(shì)。鋼-混組合梁相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，有效減小構(gòu)件截面尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重，降低基礎(chǔ)造價(jià)，方便施工安裝，縮短建設(shè)周期，增加構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性。該橋梁結(jié)構(gòu)類(lèi)型應(yīng)在橋梁工程中得到更廣泛的應(yīng)用。