連續鋼板梁負彎矩區抗裂處理措施優化研究

郭俊峰

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司， 湖北 武漢 430023）

0 引言

市政橋梁高架項目中，采用等跨徑的橋梁比例高，依據相關研究資料，對于中等跨徑橋梁，鋼混組合結構能充分發揮兩種材料的優勢，具有更好的經濟性。

鋼板梁適用范圍為跨徑35～130m，經濟性范圍為跨徑40～90m，是現代城市高架橋梁推廣的主要橋型之一，但在實際實施過程中，負彎矩區開裂一直是這類橋型的難點。連續梁負彎矩區鋼板梁的混凝土部分橋面板承受拉力，工字型鋼梁下翼緣承受壓力，結構受力非常不利。在重荷載作用下，極易導致負彎矩區混凝土橋面板出現嚴重裂縫，對結構造成極大危害[1-2]。因此，在鋼板梁橋型中負彎矩區均采用了必要的抗裂措施[3-4]：。

1 鋼板梁橋型中負彎矩區的抗裂措施

1.1 設置預應力鋼束

優點：考慮布束空間限制及損失后，能使墩頂砼拉應力下降2.2MPa左右，施工起來較為容易。

缺點：由于負彎矩區砼拉應力大于6MPa，即使設置了預應力仍不能使結構達到預應力混凝土A類構件的要求，同時錨固處交接面應力突變也需處理，難以很好地解決開裂問題。

1.2 支座頂升

優點：在實際施工過程中，可以十分容易地控制頂升量，最大能使墩頂砼拉應力下降6.5MPa左右，應力儲備效果較為明顯。

缺點：頂升部位的鋼梁需要特殊設計；采用的頂升設備在墩頂操作，屬于高危作業，存在一定的施工安全隱患。

1.3 負彎矩區橋面板后澆筑

優點：所有的構造措施中的唯一減少恒載拉應力的措施。

缺點：墩頂砼拉應力減少幅度不到1MPa，施工順序進行了調整，對規模較大的城市高架來說，對施工工期的耽誤影響是巨大的。

1.4 施工階段跨中水袋壓重

優點：實施起來最為直接，成橋后對鋼梁應力及撓度影響不大。

缺點：墩頂砼拉應力減少幅度不到1.6MPa，需要大噸位的配重；各跨橋梁壓重不同，不利于城市高架快速化施工。

如上所述，目前對于任何一座上部結構采用鋼板梁的工程，采用上述任何一種措施都無法較好地解決墩頂負彎矩區開裂的問題，都需要根據橋梁實際情況，綜合以上措施才可以實現。對于該橋型在大規模城市高架橋的使用上受到限制。因此迫切需要提出一種施工快速、操作方便的抗裂措施。

2 工程概況

白沙洲大道主線高架橋由北向南依次跨越白沙四路、三環線、青菱河、白沙洲大市場出入口、麗水路及青菱湖北路。全線采用高架橋，橋梁標準段為雙向6車道。高架橋全長約2.46km，全線采用連續鋼板梁結構，共計22聯。橋梁橫向共采用11片預制小組合梁（見圖1）。

圖1 工程斷面示意圖

3 負彎矩區抗裂措施優化設計

3.1 新型負彎矩區抗裂方案

為解決問題，本文提出了一種新的負彎矩抗裂技術方案：即在連續鋼板梁結構負彎矩區域頂部鋪設一層100mm厚的超高性能混凝土（UHPC）（見圖2）。其中超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，簡稱UHPC），是一種彈性模量較大，抗拉性能強的新型水泥基材料。

圖2 負彎矩區域抗裂措施示意圖

3.2 新型負彎矩區抗裂措施有限元分析

3.2.1 有限元模型建立

以白沙洲大道主線高架橋中跨徑較大的連續鋼板梁作為研究對象，選取受力復雜的負彎矩段進行受力分析。采用大型空間通用有限元ANSYS建立計算模型（見圖3）。由于混凝土橋面板與主梁工字鋼之間利用的是剪力釘進行連接，我們假設連續鋼板梁斷面變形一致，協同受力。在有限元模型中混凝土結構和剪力釘模擬采用空間SOLID65單元，其它結構均采用空間SHELL63殼單元、通過在實體單元中充分考慮配筋率進行模擬鋼筋網[5]。

圖3 新型負彎矩區域抗裂措有限元模型圖

3.2.2 計算工況及計算結果分析

在有限元模型中通過調整橋面板結構組成，對負彎矩區抗裂措施對結構各項應力指標進行對比分析，具體見表1、圖4。

圖4 橋面板結構主拉應力趨勢圖

表1 應力指標對比數據

通過以上橋面板拉應力變化趨勢：工況二負彎矩區域全斷面UHPC方案效果最好，工況三次之，工況一最差。鑒于目前UHPC高性能混凝土價格昂貴，若全項目負彎矩區域全斷面使用，會使工程造價增加，不是很合理。工況三用量較少，造價增加有限，對于大規模城市高架橋造價來說增加不大，再顯著簡化負彎矩抗裂構造措施，加速橋梁建設周期方面作用明顯[6]。

該負彎矩區域抗裂措施能夠滿足連續鋼板梁負彎矩區抗裂需求。目前白沙洲大道主線高架橋正在施工，通車運營后，其使用效果需具備足夠的使用時間后方可進行評價。

4 結束語

本文對白沙洲大道主線高架橋連續鋼板梁項目提出了一種新型的負彎矩區域抗裂技術方案，并討論了通過調整橋面板結構組成后，負彎矩區結構應力指標，通過對比分析總結，得出傳統負彎矩抗裂措施方案普遍存在構造措施復雜，施工進度較慢的缺陷。同時提出了一種新的負彎矩抗裂技術措施:即在連續鋼板梁結構負彎矩區域頂部鋪設一層100mm厚的超高性能混凝土（UHPC），并利用有限元模型得出本負彎矩抗裂技術方案理論上優于其它措施。