中小跨徑鋼混組合連續梁橋負彎矩區橋面板設計分析

宗金東 周孫基 劉 婧

（1.湖北省交通規劃設計院股份有限公司，武漢 430051；2.奧來國信（北京） 檢測技術有限責任公司，北京 101138）

鋼混組合梁橋， 以混凝土橋面板和鋼結構主梁，通過剪力鍵連接在一起共同承受荷載的一種橋梁結構型式。 其采用混凝土橋面板避免了鋼橋面板的疲勞耐久性破壞和鋪裝破壞， 而鋼結構主梁可充分發揮鋼材的受拉特點， 從而成為了一種強度高、剛度大、延性好的橋梁結構型式[1]。 自20 世紀50 年代，組合梁橋在歐美和日本得到了廣泛的應用，例如法國，在40～60 m 跨徑的橋梁中，組合梁占比達到40%，而60～80 m 跨徑橋梁中，組合梁占比達到80%以上，日本、德國和美國的應用也相當廣泛。 在我國，最近幾十年，隨著橋梁建設的不斷發展，鋼混組合梁因其合理性、耐久性、施工快捷等優越性能而越來越廣泛應用于市政公路與普通公路建設中。

組合連續梁橋，在跨越能力、抗傾覆能力、經濟性等方面明顯優于簡支橋， 因此在組合梁橋中占據較大比例。但是，組合連續梁橋作為一種超靜定結構，在各種作用下，其中支點附近會產生負彎矩，將鋼筋混凝土橋面板置于受拉區，而鋼梁下翼緣處于受壓區， 這樣在負彎矩區域的組合梁就沒有發揮混凝土和鋼材的力學特性， 其構件受力是不合理的[2]。 在這種受力作用下，橋面板的極易開裂將導致組合梁剛度的降低及鋼筋和鋼梁的腐蝕，影響橋梁的工作性能和使用壽命。 因此，中支座附近負彎矩區橋面板設計是鋼混組合連續梁設計的一個關鍵問題。

1 負彎矩橋面板的抗裂設計方法

鋼混組合連續梁負彎矩區混凝土橋面板上緣拉應力主要由以下幾個方面造成：①混凝土的收縮徐變；②溫度作用。 包括結構整體升溫—由于鋼材與混凝土的熱膨脹系數不同， 鋼梁拉扯混凝土，混凝土受拉；頂板的非線性降溫—鋼梁阻礙混凝土的收縮，混凝土受拉；③活載作用。 在荷載作用下，中支點承受負彎矩，使混凝土受拉；④恒載作用。 在豎向恒載作用下，中支點負彎矩區域混凝土受拉。

由以上分析可知中支點附近負彎矩區橋面板混凝土受拉主要由恒載、活載、溫度等產生，對于中小跨徑橋梁， 這種混凝土拉應力可達到7 MPa 左右。 若不采取有效設計措施，混凝土橋面板將會很容易開裂破壞。 而橋梁的收縮徐變、溫度及活載很難改變，要減小負彎矩，降低橋面板拉應力，唯有從恒載考慮。 目前國內外采取的抗裂設計方法主要分為兩類，一類是施加預應力法，另一類是強配筋法。

1.1 施加預應力法

該方法主要是通過一定措施，給負彎矩區橋面板施加一定的預壓應力，從而抵消混凝土板的拉應力。 主要措施如下：

（1）支座頂升法，又稱為支座位移法。 該方法是在澆筑負彎矩區域橋面板混凝土前，將連續梁的中支座頂升一定高度， 提前給鋼梁施加一定的負彎矩。 然后在鋼梁上澆筑混凝土橋面板，待混凝土橋面板達到設計強度，下降中支座至設計高度，使混凝土橋面板受壓，這就相當于給橋面板施加了一個預壓應力（圖1）。 這種方法可以部分或者全部抵消混凝土橋面板的拉應力，從而達到減小或者消除裂縫的作用。 該方法施工較為方便，可結合其它措施一起使用，效果明顯，在實際設計中應用較多[3]。

圖1 支座頂升法示意圖

（2）預加靜載法。 該方法是在鋼梁施工完成后，先澆筑正彎矩混凝土，并在正彎矩區域施加一定的臨時荷載，使負彎矩區域鋼梁產生足夠拉應力。 然后在拉應力的狀態施工負彎矩區域橋面板，待混凝土達到設計強度后，撤除正彎矩區域臨時荷載（圖2）。 這樣負彎矩區域橋面板拉應力將得到一定的抵消或者消除。 該方案要求施工實時監控正彎矩壓重狀態，鑒于壓重效應不易控制，工作量較大，施工不便，實際采用較少[3]。

圖2 預加靜載法示意圖

（3）預應力鋼束先結合法。 該方法是通過在負彎矩區域橋面板布置縱向預應力鋼束或鋼筋，待澆筑完橋面板后達到一定強度， 張拉預應力鋼束，使混凝土橋面板產生足夠的壓應力，在各種荷載作用下混凝土橋面板均保持受壓狀態。 由于混凝土與鋼梁先結合共同作用，這種方法容易造成鋼梁上翼緣及腹板在預應力作用下壓應力增大，而施加在橋面板的預應力明顯損失（圖3）。聶建國[4]采用了抗拔不抗剪剪力連接件，通過“抗放結合”的理念，縱向釋放剪力連接件的連接效應，豎向充分發揮剪力連接件的功能，從而避免了施加于混凝土橋面板的預應力對鋼主梁的不利影響。 采用抗拔不抗剪連接件的預應力鋼束先結合法具有施工簡便，經濟合理的優點，在中大跨徑橋梁得到了一定應用。

圖3 抗拔不抗剪預應力先結合法示意圖

（4）預應力鋼束后結合法。 該方法是為了避免先結合法中橋面板施加的預應力對鋼梁產生不利影響，將橋面板張拉預應力后，再與鋼主梁結合的方法。 設計一般將剪力釘間隔群釘布置，橋面板在群釘處預留后澆槽，施加完預應力后，再澆筑后澆槽結合橋面板和鋼主梁。 該方法主要受限于槽口的尺寸與群釘數量，橋面板和鋼主梁的結合面耐久性不能保證，并且后期預應力損失也較大[5]。 此方法在小跨徑橋梁可以采用，中大跨徑橋梁須與其他方法綜合運用。

1.2 高配筋率法

該方法又稱為限制混凝土裂縫寬度法。 即按照普通鋼筋混凝土構件設計橋面板，橋面板的設計準則由拉應力限制轉變為裂縫寬度限制，通過較高的橋面板縱向鋼筋配筋率將裂縫寬度控制在規范要求的范圍內。 由于在負彎矩區域不施加預應力，也無支座頂升等其他的施工要求， 混凝土現場澆筑，施工非常方便，并且較高配筋可以一定程度提高截面剛度，所以是目前中小跨徑組合連續梁橋中應用較為廣泛的一種設計方法[6]。 通常情況下，混凝土名義拉應力在6 MPa 以下，配筋率達到3%～5%，裂縫寬度可控制在0.15 mm 左右。

2 工程案例分析

武漢城市圈環線高速公路孝感北段G107 分離式立交橋，跨越G107，設計采用（30+45+30）m 鋼混組合連續梁結構，橋梁主跨為45 m 箱型組合梁，鋼主梁梁高170 cm，橋面板厚度25 cm。 該項目楊寨東互通主線橋，跨越麻安高速，設計采用（42+60+36）m 鋼混組合連續梁結構，橋梁主跨為60 m 箱型組合梁，鋼主梁梁高210 cm，橋面板30 cm(圖4)。

十堰至淅川高速公路丁家營樞紐互通B 匝橋，跨越福銀高速，設計采用（36+54+36）m 組合連續梁結構跨越福銀高速，橋梁主跨為54 m 箱型組合梁，鋼主梁梁高210 cm，橋面板厚度30 cm。 該項目丁家營樞紐互通C 匝橋， 跨越福銀高速， 設計采用（45+70+45）m 組合連續梁結構跨越福銀高速，橋梁主跨為70 m 箱型組合梁，鋼主梁梁高270 cm，橋面板厚度30 cm。

圖4 案例橋梁典型斷面圖

表1 負彎矩區混凝土橋面板軸力與拉應力

表2 負彎矩區混凝土橋面板配筋與裂縫寬度計算

設計對以上橋梁采用MIDAS2015 建立有限元模型進行分析，在鋼主梁各項指標滿足規范要求前提下，計算負彎矩區混凝土橋面板軸力與應力，見表1。

負彎矩區橋面板采用高配筋率法計算，見表2。

從表2 可以看出，45 m 與54 m 跨徑組合梁橋，采用高配筋法，配筋率及配筋截面均較好，可以達到很好的抗裂計算要求。 但是對于60 m 以上跨徑，三層鋼筋，配筋率達到4.9%～5.5%才能滿足裂縫寬度要求， 這對于截面配筋和施工將造成困難，并且三層鋼筋發揮的抗裂作用也難以達到理想效果。 在以上實例橋梁設計中，對于60 m 以下跨徑采用高配筋法進行了橋面板設計， 而大于60 m 的跨徑橋梁，采用了抗拔不抗剪的預應力先結合法與普通鋼筋組合進行抗裂設計。

3 結論

組合連續梁橋作為一種自重輕， 性能優越的橋梁結構型式，應用相當廣泛。本文對連續組合梁負彎矩區橋面板的設計方法進行了探討， 并通過幾座中小跨徑實例橋梁進行分析計算， 得到以下結論。

（1）負彎矩區橋面板設計應根據跨徑大小、施工組織等因素綜合考慮，采取適當的抗裂方法進行負彎矩區橋面板的設計。 對于中小跨徑橋梁，應優先采用施工方便的高配筋法與預應力先結合法。

（2）對于目前應用最為廣泛的負彎矩區橋面板高配筋率抗裂設計法， 對跨徑小于60 m 的橋梁有明顯效果。

（3）高配筋法對于跨徑大于60 m 的組合梁，難以達到理想效果，應綜合采用預應力法和配筋法進行設計。