預制橋面板曲線鋼-混凝土結合梁設計關鍵技術

吳志勇

(中鐵上海設計院集團有限公司 市政工程設計院,上海 200070)

鋼-混凝土結合梁將受壓的混凝土橋面板和受拉的鋼梁通過抗剪連接件組合成整體，充分發揮了材料性能、施工費用低、施工速度快的優點，尤其是混凝土橋面板采用預制工藝后，使得預制裝配化水平大大提高。隨著國內鋼-混凝土結合梁相關規范的日益完善，其在工程中的應用也越來越多，但是關于曲線結合梁采用直接與剪力鍵連接的預制橋面板工程案例卻很少，有必要針對其開展深入的研究。

1 曲線結合梁的特點

鋼-混凝土結合梁的鋼梁一般采用工字形板梁和開口鋼箱梁，后者抗扭剛度大，具有更高的穩定性，適于跨高比及扭轉作用較大的跨線橋和曲線橋，例如城市立交中的匝道橋。因此，曲線結合梁采用開口鋼箱梁較為合理，且具有一定的經濟性。

混凝土橋面板可分為現澆混凝土橋面板、疊合板混凝土橋面板、預制混凝土橋面板、壓型鋼板混凝土組合橋面板及鋼-混凝土組合橋面板等。預制混凝土橋面板是指通過現澆濕接縫或預留槽口將現場安裝的預制橋面板連接成整體的結構形式，包括通過現澆濕接縫與剪力鍵間接連接、通過現澆預留槽口與剪力鍵直接連接和二者的組合3種形式。其特點[1]是：①收縮徐變小。預制橋面板在安裝前一般需放置3個月以上，并在濕接縫或預留槽口處現澆具有收縮補償性能的微膨脹混凝土，可以明顯降低混凝土收縮徐變引起的附加應力，這對剪力鍵非常有利。②標準化。橋面板可根據現場安裝條件、吊重等對橋面板進行分割，盡量實現標準化、規格化。

2 曲線50 m結合梁設計

一工程第10聯梁為50 m的簡支鋼-混凝土結合梁。結構構造如下：

1)混凝土橋面板

混凝土橋面板頂寬10 m，根部板厚45 cm，跨中板厚25 cm，鋼筋混凝土結構。由于本聯平面位于曲線上，標準預制段縱向輪廓線為弧線形，標準預制橋面板橫向寬度4.7 m，縱向道路中心線處長度為4.0 m，預制板之間設現澆混凝土接縫。采用工廠分段預制橋面板，并在鋼梁上翼緣布置焊釘，通過現澆濕接縫連接。同時，在預制板上對應于剪力釘的位置開槽口，槽口基本尺寸為700 cm×430 cm，槽口順橋向凈距為320 cm。

為減少混凝土收縮徐變對結構的不利影響，預制板存放時間宜不少于4個月，同時要求剪力釘槽和濕接縫處采用C50微膨脹混凝土。為保證預制板與鋼梁頂緣密貼，兩者間鋪墊一層環氧樹脂砂漿，另在鋼梁上翼緣兩側順橋向通長粘貼可壓縮的橡膠條(40 mm×35 mm)，既防止砂漿外溢，又防止水汽進入銹蝕鋼梁。

2)鋼箱梁一般構造

鋼箱梁截面為單箱雙室直腹板形式，底寬6.3 m，頂寬7.0 m，梁段間采用焊接，箱梁頂、底板與腹板間縱縫焊接均采用全熔透角焊縫。

鋼箱梁頂板厚度30 mm，底板厚度20 mm。底板采用I形加勁肋，加勁肋厚度16 mm，高度200 mm，基本間距400 mm。

腹板厚度16 mm，腹板水平加勁肋采用I形加勁肋形式。橫隔板采用板式結構，分普通橫隔板、豎肋、支點橫隔板。橫隔板留有人孔，普通橫隔板每隔4.5 m 設置一道，豎肋板每隔1.5 m設置。

橋面的曲線超高通過內外側腹板的變高實現，為了保證橋面板底砂漿墊層的均勻，鋼梁上翼緣也設置橫坡，并按照橋面橫坡進行設置。鋼-混凝土結合梁斷面見圖1。

圖1 50 m鋼-混凝土結合梁斷面(單位：cm)

3 抗扭計算

國內規范對鋼-混凝土結合梁的抗彎、抗剪及連接件計算等有比較詳盡的描述。本文主要討論抗扭計算。

在荷載作用下，曲線鋼-混凝土結合梁截面的扭矩不可忽略。在扭矩作用下，曲線鋼-混凝土結合梁在可能發生整體傾覆的同時，組合截面也產生剪力流，同時產生剪應力。剪力流在計算結合面剪力釘的剪力時考慮，剪應力在計算鋼梁截面的剪應力時考慮。

對于鋼-混凝土結合梁，由于扭轉時桿件承受的主要是剪應力，故需按鋼與混凝土的剪切模量比n將混凝土橋面板的壁厚換算成與鋼相當的壁厚[2]，則換算成的壁厚tl=th/n，則單箱單室鋼-混凝土結合梁截面抗扭計算簡圖見圖2。

圖2 鋼-混凝土結合梁截面抗扭計算簡圖

由于混凝土橋面板懸臂部分的抗扭性能很差，所以在計算截面扭轉常數時可以略去不計，于是根據計算簡圖可得[3]

式中：K為扭轉常數;Si所圍箱形截面薄壁中心線的長度，i=1，2，3；ti為壁厚，i=1，2，3；h為梁高；q為剪力流，其值為常數，方向與壁厚中心線的切線方向一致，大小取決于F；F為壁厚中心線所圍的面積；T為最不利工況下的扭矩；τ為薄壁剪應力，與壁厚t成反比。

剪力流的方向與扭矩T方向相同，其正負與扭矩T正負同號。另外，由于橋面板與鋼梁結合形成封閉截面，形成回環剪力流，其抗扭剛度較開口鋼梁截面增加很多。因此，對于曲線鋼-混凝土結合梁，一次落架施工形成組合截面共同受力最為理想。

對于單箱多室截面，受中腹板室壁的影響，剪力流的分布與單室截面不同，見圖3。多室箱形截面中兩相鄰室壁中的剪力流方向相反，其值等于兩相鄰室剪力流的差值。對于對稱的單箱雙室截面，中腹板位于扭矩中心上，剪力流基本為0；對于兩室以上的截面，一般越靠近扭矩中心，室內的剪力流越大。總之，中腹板的剪力流從工程角度并不起控制作用，可按照外腹板包圍的單箱單室截面進行計算。

圖3 單箱多室截面抗扭計算簡圖

對于多室分離的箱形截面，其總純扭轉常數等于分離各室扭轉常數之和，且每個分離的截面剪力流分布與單箱單室截面相同，可將扭矩T均分到分離的各室單獨計算，見圖4。

圖4 多室分離截面抗扭計算簡圖

按照能量守恒定律，桿件扭轉時扭矩所做的功等于內力對材料變形所做的內功，在扭矩作用下除截面發生相對于扭轉中心的扭轉外還產生豎向彎曲[4]，即截面的變形包括了扭轉角和豎向變形，扭矩所做的功不能全部作用于截面上產生扭轉角。因此，上述計算針對純扭轉的情況，實際橋梁工程中橋梁較寬時，純扭轉工況不存在，但按照上述計算偏于保守，仍具有工程意義。

4 設計關鍵技術

4.1 曲線橋面板模塊化

4.1.1 橋面板分塊

曲線結合梁的預制橋面板分割主要有2種方式：扇形分割和矩形分割。前者是濕接縫等寬，后者是預制板等寬，實現預制標準化的工藝取決于曲線梁半徑。

當橋梁平面曲線150 m≤R≤1 000 m時，寬度較小的結合梁可采用扇形分割，濕接縫宜在50 cm，方便現場濕接縫鋼筋綁扎。當曲線半徑R>1 000 m時橋面板可采用矩形分割，濕接縫沿曲線梁徑向呈扇形分布，內外側寬度差宜不大于10 cm。當R<150 m時，結合梁的應用有其局限性，這里不再討論。

另外，預制橋面板分塊一般以橫隔板為法線和基準，即以橫隔板為分塊的中心線或濕接縫的中心線。

橋面板分塊圖見圖5。

圖5 橋面板分塊圖(扇形分割)(單位：cm)

4.1.2 橋面板預制精度

曲線梁橋面板預制的精度除了要考慮平面尺寸以外，要特別注意縱橫向坡度的影響。在縱橫坡的影響下，如果界面處橋面板底面與鋼梁上翼緣不平行，引起的楔形角很大，橫坡越大，楔形角越大，因此這對鋼-混凝土界面結合的影響很大。

為了保證預制精度和界面處的結合精度，界面處鋼梁上翼緣與橋面板底面采用平行匹配預制，同時界面保持水平，這對結合面處的受力有利。

4.1.3 橋面板定位技術

橋面板吊裝前，首先校核鋼板梁的尺寸和高程，確定剪力釘的位置及每塊橋面板的具體位置，并在鋼梁上翼緣標出橋面板的邊緣線及中心線。然后在每塊橋面板兩端標出豎向中心線以及梁板端位置橫線，用墨斗彈線做好標識，以便后期安裝就位。橋面板定位如圖6所示。

圖6 橋面板定位示意(扇形分割)

4.1.4 橋面板安裝工藝

預制橋面板的安裝有靜態安裝和動態安裝2種方式。靜態法一般是在地面胎架上拼裝鋼梁并安裝預制板，而動態法一般是在架設好的鋼梁上安裝橋面板。動態安裝的鋼梁支承少，橋面板是在不斷變形的鋼梁上安裝，施工較為困難，精度較難保證。

為了減小跨中下撓對橋面安裝精度的影響，并避免橋面板安裝時結合梁的傾覆風險，對于縱橫向分塊的預制橋面板安裝一般采用從兩邊向中間、先內側后外側的工序;對于僅縱向分塊的預制橋面板的安裝一般采用從兩邊向中間的工序。

預制橋面板安裝前，外表面尤其是結合面應整潔干凈，可利用高壓水沖洗結合面，清除雜物。

4.2 剪力鍵

4.2.1 槽口剪力釘

橋面板的布置決定槽口的布置，槽口的布置決定鋼梁上翼緣剪力釘的布置，同時剪力釘位置與橋面板槽口處的鋼筋間距一一對應[5]。

槽口處的剪力釘一般成群布置，組成集束式剪力釘群。一個槽口的剪力釘群抵抗剪力的范圍為相鄰2個剪力釘群間的距離。槽口外預制橋面板和鋼梁上翼緣間的區域沒有布置剪力釘。

4.2.2 濕接縫剪力釘

濕接縫處的剪力釘按照常規的現澆橋面板布置方式均勻布置，并位于橋面板的縱橫向主筋間距中心，見圖7。

圖7 槽口與濕接縫剪力釘

4.2.3 錨固裝置

考慮曲線梁尤其是小半徑曲線梁的橫坡較大，對于動態安裝的橋面板，采取臨時固定措施克服橫向滑移是有必要的。

不同于傳統的鋼-混凝土結合梁界面設置剪力釘的工藝，錨固裝置采用高強螺栓焊接于鋼梁上翼緣，縱橋向布置于相鄰現澆槽口中間。預制橋面板對應高強螺栓位置預留階梯形圓孔，圓孔直徑比螺栓直徑大約3 cm左右。待橋面板安裝完成后，在圓孔內灌注砂漿至預留圓孔階梯處，安裝錨墊板和螺母，施擰至設計扭矩。對預留階梯形圓孔采用無收縮灌漿料封錨完成。橋面板錨固裝置如圖8所示。

圖8 錨固裝置示意

橋面板設置錨固裝置的主要優點為：①與剪力釘組合使用，有效解決了鋼梁與混凝土橋面接觸界面易發生錯動的問題，使鋼梁和橋面板的整體性能更好，提高了結構的安全性。②預制橋面板在安裝時由于還未進行濕接縫施工，且易發生錯動，這對預制橋面板的安裝定位起到關鍵作用。

4.2.4 剪力釘與橋面板鋼筋匹配技術

剪力釘位置決定了橋面板鋼筋的間距，同時橋面板(尤其是扇形分割的橋面板)的鋼筋布置同樣也決定了剪力釘的布置，不能顧此失彼，二者需要匹配模具。

匹配模具需要定制，包括底板和圍板，上端開口。圍板周圍在鋼筋中心位置設置貫通切口，切口尺寸較鋼筋外徑大3 mm；底板在剪力釘中心位置設置貫通圓形套管，套管尺寸比鋼筋凈距小5 mm，比焊釘圓柱頭直徑大至少2 cm。

預制橋面板時，確定每個匹配模具的位置，在圍板切口處布置鋼筋。同時，記錄每個匹配模具的位置及相對位置，待鋼梁加工好后，在鋼梁上翼緣上確定匹配模具的位置及相對位置，在套管中心標記剪力釘位置，取走匹配模具，按標記的剪力釘位置施焊圓柱頭焊釘。匹配模具布置與構造分別見圖9、圖10。

圖9 匹配模具與鋼筋、剪力釘位置關系

圖10 匹配模具構造

4.2.5 剪力釘試驗

剪力釘一般采用圓柱頭焊釘，材料為ML15。焊釘表面須處理，其表面應平滑、潔凈，不得有銹蝕、氧化皮、油脂、毛刺等。

焊釘在正式施焊前，必須試焊一個焊釘使其彎曲30°[6]進行彎曲試驗，檢查是否滿足質量要求。焊釘焊接后也應進行彎曲試驗，其焊縫和熱影響區不應有肉眼可見的裂紋。檢查數量：每批同類構件抽查10%，且不應少于10件；被抽查構件中，每件檢查焊釘數量的3%，但不應少于1個。檢查方法同上。

圓柱頭焊釘彎曲試驗后，可保留其彎曲狀態使用，但若與橋面板鋼筋沖突，安裝橋面板前應將與其沖突的鋼筋切割，并補強。

4.3 界面結合

4.3.1 界面結合工藝

不同于現澆混凝土橋面板，預制橋面板與鋼梁的連接實質上是預制橋面板與砂漿層的連接，而不能與鋼梁直接連接，主要有以下原因：①鋼梁加工與橋面板預制有誤差;②鋼梁與橋面板一般沒有匹配預制，且縱橫坡也影響較大。上述原因使鋼梁與預制橋面板板底存在縫隙，不能密貼，影響界面結合。

預制橋面板鋼-混凝土結合梁先通過黏結材料將預制橋面板與鋼梁結合在一起，再現澆預留槽口，與濕接縫的混凝土形成整體受力結構。結合工藝為:①在鋼梁上翼緣兩側順橋向通長粘貼可壓縮的橡膠條(40 mm×35 mm)作為阻漿條，并在界面結合部位設置4塊厚20 mm的墊塊，涂抹厚20～25 mm的環氧砂漿。②吊裝預制橋面板，在橋面板的自重作用下，使橡膠條完全壓縮到20 mm，環氧砂漿被密封。

4.3.2 密封條

為使涂抹的環氧砂漿能密實封閉，阻漿條采用高彈性防腐蝕橡膠條，并滿足由厚度35 mm壓縮到20 mm 的要求，壓縮率達42.8%。要滿足以上要求，根據工程經驗，阻漿條需采用邵氏硬度為60的高彈性、高密度、耐老化、防腐蝕的氯丁橡膠條。

將鋼板梁安裝頂面位置清理干凈，距梁邊緣40 mm 用墨斗彈線，然后涂刷密封膠，粘貼密封條，安裝完成24 h后可進行橋面板安裝。安裝前在橡膠上表面涂刷密封膠。

界面結合構造見圖11。

圖11 界面結合構造

4.3.3 黏結材料

為了使鋼梁與預制橋面板結合牢固和耐久，參考類似工程對建筑結構膠、環氧砂漿、水泥漿及砂漿4種黏結材料的相同面荷載試驗及取芯檢驗，進行比選，確定采用環氧砂漿作為黏結材料。

4.4 支座安裝

吊裝鋼梁時支座應安裝完成，并需考慮：①為了減小橋面板安裝過程中的傾覆風險，曲線內側設置抗拉支座。②在吊裝鋼梁前，支座上鋼板與鋼梁底3 cm厚墊塊應采用非熔透角焊縫間斷焊接，以免燒壞支座內部的聚四氟乙烯板。③鋼梁就位后，支座應先臨時固定，可采用千斤頂作為臨時支承，拆除吊點后進行永久支座安裝。

4.5 鋼梁架設與臨時支承

鋼-混凝土結合梁的受力與施工順序、截面特性密切相關。主要分為3類[7-8]：組合截面形成后落架、第一階段鋼梁部分承受施工荷載、第一階段鋼梁完全承受施工荷載。第一類因不能體現結合梁的施工優勢而很少采用;第三類需要鋼梁具有很大的剛度和強度而大大增加用鋼量，因此大部分鋼-混凝土結合梁在第一階段受力時需承受鋼梁自重、橋面板的一部分荷載，待組合截面形成后，拆除臨時支承，共同承受后續施加的荷載。

鋼-混凝土結合梁的鋼梁一般情況下采用分段吊裝焊接，在分段處需設置臨時支承。但在吊重不大的情況下，為了施工方便，鋼梁也可以采用整體吊裝，但是一般仍需設置臨時支承。此時設置2個臨時支承可起到中支點的作用，鋼梁成為3跨連續梁。主要是因為：① 鋼梁受壓上翼緣面積較小，且鋼梁中性軸距離上翼緣較遠，在承受第一階段荷載且無臨時支承的情況下，鋼梁上翼緣的壓應力較大，容易屈曲，并且鋼梁的撓度也較大。②由第3節抗扭計算可知，在未形成組合截面前，鋼梁抗扭剛度小，設置臨時支承減小了跨徑，增大了截面抗扭剛度。

鋼梁在臨時支承位置應設置橫隔板，并進行加強。臨時支承一般在橋面板濕接縫達到強度后解除，可采用先脫空后拆除的方式，并在解除過程中緩慢卸載，禁止驟然卸載。

鋼梁架設后，需經歷逐塊橋面板安裝、橋面板結合、濕接縫澆筑、形成組合截面等階段，受力過程復雜。橋面板安裝過程中，鋼梁由于是開口截面，需對穩定性進行考慮，若不滿足，應進行加強。為了提高開口鋼梁的抗扭能力，主要措施為:①設置間距較小的橫隔板，且橫隔板上翼緣與鋼梁上翼緣連接;②設置橫向加勁肋。

4.6 濕接縫與槽口澆筑

預制橋面板橫向濕接縫寬60 cm，縱向濕接縫寬50 cm，橫向配筋設計為φ18@10.0 cm，縱向配筋設計為φ16@10.0 cm。橫向濕接縫處順橋向鋼筋采用扣環搭接(懸臂處直筋采用雙面焊接);縱向濕接縫處橫橋向鋼筋采用扣環搭接，鋼筋伸出預制板部分設計為環形，環形鋼筋成型采用雙面焊接，焊接接頭應錯開。橋面板縱橫向濕接縫交匯處縱橫向通長鋼筋綁扎布置。橋面板鋼筋凈保護層厚度不小于3.0 cm。

橋面板的預留槽口與濕接縫采用C50高性能微膨脹增韌混凝土澆筑。其配合比為水∶水泥∶Ⅰ級粉煤灰∶S95級礦渣粉∶UEA型膨脹劑∶大碎石∶小碎石∶砂∶高性能減水劑∶增韌材料=146∶319∶74∶96∶42∶647∶431∶660∶5.310∶2.655[5]。濕接縫可采用吊模施工。C50高性能微膨脹增韌混凝土在攪拌站生產，利用泵車運至現場，泵送入模，按先兩邊后中間、先內側后外側、先剪力釘預留槽口后濕接縫的順序連續對稱澆筑，一次成型。澆筑后采取覆蓋土工布、灑水的措施進行保濕養護。

4.7 線形監控

為了控制橋面板的安裝精度，需要對橋面板安裝進行全過程監控。線形監控的主要內容為：①鋼梁中心線的豎向變形及內外側變形差；②橋面板的三點坐標(每個橋面板3個角點的坐標可以反映橋面板的空間位置)；③臨時支承頂的豎向變位。

5 結語

預制橋面板作為鋼-混凝土結合梁承受車輛荷載的直接載體，其與鋼梁的結合及濕接縫是施工的關鍵工序。通過工廠預制、現場拼裝，提高了橋面板的施工效率，對橋梁結構大規模采用預制裝配技術起到了推動作用。

本文從曲線預制橋面板鋼-混凝土結合梁的特點和受力特性出發，總結了預制橋面板的多項關鍵技術，并提出了抗扭計算方法，對以后類似橋梁工程的設計具有借鑒意義。