全組合連續梁設計關鍵技術

吳志勇

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200431）

鋼混組合梁在服役過程中其負彎矩區混凝土橋面板在拉應力作用下會產生裂縫，后期維護費用較高，這個問題一直困擾著國內外橋梁工程界。目前設計主要依靠在負彎矩區施加預應力或采用預加荷載法、支點位移法等予以緩解，但成橋狀態的內力仍主要取決于施工階段的控制水平，對施工技術要求較高，且造價較高。歐美、日本等在鋼混組合連續梁工程實踐中也普遍出現了這個問題。另外，常規鋼混組合梁的單位用鋼量一般在220 kg/m2以上，且施工混凝土橋面板時需設臨時支撐，大大增加了施工成本，沒有發揮組合梁的優勢。

針對上述2 個問題，本文提出全組合連續梁的概念，并通過預制裝配式工藝將傳統的“兩階段受力”［1-2］工況調整為“一階段受力”工況進行施工，為解決負彎矩區混凝土受拉開裂和用鋼量較大的問題提供一種新方案。

1 全組合連續梁的特點

鋼混組合連續梁是將上層連續的混凝土橋面板通過剪力釘和鋼梁聯結在一起形成組合截面共同受力，負彎矩區不僅承受自重、活載的作用，還承受溫度、混凝土收縮徐變產生的次內力作用，受力較為復雜。負彎矩區混凝土橋面板在拉應力作用下開裂后，正負彎矩區的剛度會產生較大差異，并導致內力和變形的計算誤差過大，同時會影響結構的耐久性［3］。另外，為了加強負彎矩區受壓鋼梁底板的局部穩定性，常采用“雙結合”技術在鋼梁底板鋪設一層無收縮混凝土。

連續組合梁相對于簡支組合梁，具有以下優點［4］：

1）減少了支座和伸縮縫的數量，避免了伸縮縫處鋼梁銹蝕，降低了養護成本；

2）具有更大的超載能力，內力重分配作用明顯；

3）剛度較大，高跨比較小；

4）跨徑超過15 m 后，單位用鋼量較小，具有一定的經濟性。

隨著橋梁工業化建造技術的推進，預制裝配式理念也在不斷沖擊鋼混組合梁的應用市場，“兩階段受力”現澆橋面板組合梁的優勢日益不明顯。業內在鋼混組合梁快速化、標準化、機械化方面也有了一些探索和嘗試，如長沙湘府路3×30 m鋼板組合連續梁采用疊合橋面板，但沒有解決負彎矩區的問題。

不同于傳統的鋼混組合連續梁，全組合連續梁是在正彎矩區采用混凝土頂板和鋼梁通過剪力釘結合形成正組合截面，在負彎矩區采用鋼梁頂板和通過剪力釘結合的鋼混組合底板形成負組合截面，在零彎矩點附近將混凝土頂板和鋼梁通過PBL 剪力鍵、剪力釘與預應力筋等連接構造形成混合橋面板，并保證鋼梁受力是連續的。為了減小用鋼量，鋼梁可優先采用鋼板梁，必要時可采用開口鋼箱梁，其腹板采用波形鋼腹板，跨中設置1道橫隔板。

本文首次將混合橋面板應用于鋼混組合連續梁，全組合連續梁具有以下優點：

1）充分發揮了鋼材受拉和混凝土受壓強度高的特性，從根本上解決了鋼混組合連續梁長期沒有解決負彎矩區混凝土橋面板受拉開裂的問題，也避免了設置預加力的繁瑣工藝。

2）減小了混凝土橋面板收縮徐變的次內力和剪力釘的受力。

3）解決了橋面連續處橋面鋪裝易破壞的問題。

4）多主梁可采用工廠化分片預制，可將鋼梁與混凝土橋面板在工廠內結合，分片吊裝，形成“一階段受力”，提高了預制裝配化水平，大大減小了下部結構的規模。

5）施工簡單，縮短了施工周期。

6）相鄰2 片組合梁間少橫隔梁或無橫梁，采用波形鋼腹板可提高抗剪扭性能，節省用鋼量。

圖1 全組合連續梁構造設計（單位：cm）

2 結構設計計算

2.1 結構設計

本文以橋寬25.7m、一聯3×30 m 鋼混連續組合梁為研究對象，將混合橋面板應用于鋼混組合連續梁，其構造設計見圖1。連續梁梁高1.4 m，鋼梁高1.1 m，橋面板標準厚度為20 cm，承托處厚度為30 cm；相鄰2片組合梁通過現澆濕接縫或疊合濕接縫連接。零彎矩點附近距離中支點5.75 m 處在正彎矩區設置混合橋面板混合段連接構造，包括PBL 剪力鍵和承壓板上剪力釘，并采用預應力筋施加預應力進行錨固。相鄰混合點之間負彎矩區上層為鋼橋面板，鋼梁底板通過剪力釘與20 cm 厚鋼筋混凝土進行疊合，從而形成負組合截面；正彎矩區鋼梁上翼緣板應通長設置。中間支座處設置3 道中支點橫隔板，并采用折線分段線對鋼梁進行分段，以便后期對接施焊。一聯鋼混連續組合梁單位用鋼量約170 kg/m2。

施工時采用工廠化分片預制架設，中支點永久支座直接安裝于中跨梁端牛腿底部，鋼梁對接施焊后，再澆筑負組合截面的下部底板疊合混凝土。鋼橋面板頂部與現澆整平層平齊。

2.2 受力機理

由于鋼主梁是連續的，車輪荷載作用于混合橋面板上第一體系主梁的傳力路徑并沒有發生改變；第二體系正彎矩區混凝土橋面板應按單向板傳力路徑分析，負彎矩區鋼橋面板應按正交異性橋面板傳力路徑分析。傳力路徑的變化主要發生在第一體系主梁的上層縱向纖維上，即由常規的上層混凝土橋面板轉變為上層混合橋面板，上層縱向纖維傳力變化位置在混合段。

橋面板混合段位于全組合連續梁零彎矩點附近，靠近正彎矩區。橋面板受壓有利于混合段連接構造不發生疲勞破壞。不同于正彎矩區正組合截面的受力行為，負彎矩區負組合截面上翼緣鋼橋面板受拉伸長，下翼緣鋼混組合底板受壓變短，截面受力行為的分界點在零彎矩點附近。

從剪力釘受力情況來看，在傳統的“兩階段受力”工況下，鋼梁在混凝土濕重作用下發生下撓，剪力釘并不承受混凝土橋面板自重產生的剪力；而“一階段受力”工況下組合梁下撓，剪力釘需承受自重作用下結合面處的剪力，但由于組合梁截面剛度較大，且橋面板不連續，剪力釘承受的剪力會有所抵消。

2.3 計算分析

采用MIDAS/Civil 2018對一聯3×30 m全組合連續梁和普通鋼混連續組合梁進行了對比分析計算。計算結果表明：一階段受力鋼梁的上下翼緣正應力較二階段受力減小約100 MPa；靜活載跨中撓度與普通鋼混連續組合梁接近，撓跨比為1/1200，受力指標滿足規范要求。

3 設計關鍵技術

3.1 混合橋面板

國內相關規范關于混合橋面板連接構造形式已有規定［5］。混合橋面板的設計關鍵在于混合段連接構造，其主要包括承壓板、預應力筋、過渡加勁板和抗剪連接件，見圖2。承壓板作為混凝土橋面板和鋼橋面板的分界，一方面要利用過渡加勁板傳力給鋼橋面板的加勁肋，另一方面要利用預應力筋和抗剪連接件均勻傳力給混凝土橋面板。為了保證鋼梁的整體穩定和剛度過渡，必須在承壓板處設置橫隔板，這是關鍵構造。另外，為了保證混凝土橋面板在承壓板處的鋼筋受力連續，鋼筋應焊接于承壓板上，并避開抗剪連接件。

圖2 混合點連接構造

3.2 工廠預制與架設

長期以來，組合梁的預制裝配化沒有得到重視，原因是鋼結構加工和混凝土澆筑分屬不同的工種，管理不協調。鋼梁分段加工、運輸至現場就位于臨時支撐上拼裝，這個工藝在機械設備落后的情況下有其合理性。但是隨著機械設備的提升和EPC 總承包模式的推進，鋼梁分段加工、運輸至梁場拼裝，澆筑混凝土橋面板，整體吊裝或架設施工，符合快速化施工理念，已經得到不斷推廣。全組合連續梁通過工廠預制、分片運輸架設的工藝，可以大大提高預制裝配化水平。

“一階段受力”要求橋面板在工廠內澆筑，在顯著提高施工質量、保證預制精度的同時，單片組合梁的重量仍低于目前平均吊重，對于實現快速化、標準化、機械化和裝配化是有意義的。

工廠內完成混合橋面板的混凝土澆筑和連接構造是比較容易的，重點在于預制臺座。預制臺座的預拱度應與組合梁截面的“一階段受力”預拱度一致，以保證在鋼梁上澆筑混凝土不能引起鋼梁的變形，否則就會出現“兩階段受力”問題。

中支點鋼梁的分段切口應充分考慮組合梁的預拱度，在組合梁支座就位后，切口應滿足成橋線形要求。在組合梁吊裝前，應通過模擬支座就位后的情況判斷鄰近鋼梁切口是否縱向匹配。如不匹配，應在吊裝前進行配切，以保證組合梁就位后的對接精度，從而保證順利對接拼焊［6-7］。

當“一階段受力”施工確實困難時，可在鋼梁現場節段拼接后，采用集束式剪力釘的預制橋面板［8］進行組合，以保證施工進度。

3.3 疊合濕接縫

疊合濕接縫可以滿足全組合連續梁快速化施工的要求，并滿足受力要求。在混凝土橋面板工廠預制時，疊合濕接縫寬度采用30 cm窄濕接縫，預留7 cm的懸出小牛腿和1 cm 縱向梁縫，通過翼緣板和小牛腿伸出的鋼筋可實現濕接縫鋼筋的綁扎，并與整平層鋼筋網綁扎固定，再與整平層混凝土一同澆筑。先澆筑濕接縫處混凝土，再均勻澆筑橋面板處整平層，形成整體受力。疊合濕接縫構造見圖3。需要強調的是，1 cm 縱向梁縫設計考慮的是混凝土施工誤差，而在施工過程中可按無梁縫進行預制安裝，澆筑梁縫混凝土時可將梁縫填塞。

圖3 疊合濕接縫構造（單位：cm）

3.4 橋面鋪裝

鋼橋面鋪裝的耐久性和開裂問題一直是困擾橋梁界的難題。全組合連續梁負彎矩區也會有這個問題，但是與常規鋼橋面鋪裝相比，具有以下優勢：

1）鋼橋面板長度約占1/4，鋼橋面鋪裝較為集中；

2）中支點區域橫隔板較多，剛度大，相對于跨中整體變形小；

3）整聯豎向剛度比鋼梁大，鋪裝層相對錯動較小。

綜上所述，全組合連續梁正彎矩區采用混凝土橋面板避免了鋼橋面鋪裝，負彎矩區鋼橋面受力性能較好，有利于提高鋼橋面鋪裝的連續性和耐久性。

需要指出，混合段承壓板是混凝土橋面板鋪裝和鋼橋面鋪裝的分界，可不進行特殊處理，但是應盡量通過過渡加勁板使鋼橋面板的局部剛度足夠大，以保證變形協調。

3.5 波形鋼腹板

波形鋼腹板是全組合連續梁的重要組成部分，其作用是為了控制單位用鋼量，改善鋼梁的抗扭性能和減小箱形截面橫向加勁肋的成本。在大跨度全組合連續梁中波形鋼腹板的優勢更明顯。波形鋼腹板僅作為腹板設計時，可通過上翼緣板和剪力釘與混凝土橋面板聯結，必要時可設置橫隔板提高整體穩定性。

4 結語

本文首次提出了“全組合”、“正組合截面”與“負組合截面”的概念，從根本上解決了組合連續梁負彎矩區混凝土橋面板受拉開裂的問題。此外，提出了多片主梁“一階段受力”工況下分片預制架設工藝等多項關鍵技術及構造措施，可大大滿足施工快速化要求。這些對于連續組合梁的推廣應用具有很大的參考價值和實踐意義。