連續(xù)鋼混結(jié)合梁內(nèi)力優(yōu)化分析

杜亞光，胡志禮，馬中文，衛(wèi) 超

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430015）

0 引言

連續(xù)鋼混組合梁橋混凝土頂板使用階段各種荷載作用下常處于受拉狀態(tài)，中墩負(fù)彎矩區(qū)域尤為明顯，可能發(fā)生開(kāi)裂，是工程設(shè)計(jì)中的控制重點(diǎn)。

雖然規(guī)范給出了通過(guò)高配筋率控制裂縫寬度的設(shè)計(jì)思路，但是在工程設(shè)計(jì)中，首要任務(wù)仍然是通過(guò)合理的控制方法，從整體上調(diào)整梁體成橋內(nèi)力狀態(tài)，盡量釋放混凝土頂板拉應(yīng)力，然后針對(duì)局部拉應(yīng)力過(guò)大區(qū)域，通過(guò)強(qiáng)配筋、預(yù)應(yīng)力等措施[1-2]滿足使用要求。

某大跨度三跨連續(xù)鋼混結(jié)合梁，跨徑40 m+59 m+40 m，如圖1 所示；橋?qū)?2 m，主梁采用單箱三室閉口截面，如圖2 所示，頂板標(biāo)準(zhǔn)厚度30 cm。該橋梁位于城市中心，根據(jù)功能需求，橋面設(shè)置了自重較大的全封閉式聲屏障和橋面中央綠化帶。

圖1 橋型布置圖（單位：mm）

圖2 主梁一般斷面圖（單位：mm）

本文以此為例，分析梁體頂升方式對(duì)橋梁成橋內(nèi)力狀態(tài)的調(diào)整效果，進(jìn)一步提出并分析了聯(lián)合臨時(shí)支撐的頂升方式對(duì)結(jié)合梁混凝土頂板壓應(yīng)力儲(chǔ)備的精細(xì)化調(diào)整方法。

1 頂板分段施工

連續(xù)鋼混組合梁釋放負(fù)彎矩區(qū)頂板拉應(yīng)力最直接有效的方法為頂板分段施工，中墩頂負(fù)彎矩區(qū)設(shè)置后澆帶。該方法中墩頂混凝土頂板在主梁一期恒載（鋼梁及混凝土頂板自重）作用下不參與受力。

施工時(shí)先架設(shè)鋼梁合龍，然后頂板分段澆筑。先澆第一節(jié)段（邊墩墩頂及中跨跨中部分），養(yǎng)護(hù)后澆筑第二節(jié)段（兩中墩墩頂部分）。混凝土頂板頂緣應(yīng)力趨勢(shì)如圖3 所示（應(yīng)力點(diǎn)位置見(jiàn)圖2，圖3 僅示意半跨，橫軸為橋軸線，豎軸為應(yīng)力值，正值為拉應(yīng)力、負(fù)值為壓應(yīng)力，豎直線位置分別示意邊墩、中墩、中跨跨中對(duì)稱線，下文同）。

圖3 分段施工頂板應(yīng)力圖（單位：MP a）

頂板澆筑完成后，頂板應(yīng)力幅值趨近于0，基本未參與一期恒載受力，但二期恒載（橋面鋪裝、護(hù)欄、聲屏障等橋面附屬自重）加載后，中墩頂出現(xiàn)1.6 MPa明顯拉應(yīng)力。經(jīng)歷10 a 收縮徐變發(fā)展后，恒載狀態(tài)下頂板幾乎全部處于受拉狀態(tài)。疊加活載作用時(shí)，頂板最大拉應(yīng)力值將更大。由此表明，本工程僅采用頂板分段施工，混凝土頂板雖不參與一期恒載受力，但使用中受拉仍然嚴(yán)重。原因在于本橋跨徑較大，同時(shí)二期恒載占全橋自重比重較大。

隨著連續(xù)梁跨度的增大，活載產(chǎn)生的中墩頂主梁負(fù)彎矩值顯著增加。同時(shí)，城市橋梁防撞護(hù)欄、橋面綠化帶和全封閉聲屏障等二期恒載很大。各種因素導(dǎo)致橋梁二期恒載和使用階段荷載作用效應(yīng)遠(yuǎn)大于一期恒載效應(yīng)。單純的頂板分段施工措施釋放一期恒載拉應(yīng)力無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，必須采取其他措施，使混凝土頂板施工階段儲(chǔ)備足夠的預(yù)壓力。本工程采用了梁體頂升措施。

2 梁體頂升

梁體頂升施工中臨時(shí)頂起鋼梁一定距離（通常僅需在已有橋墩墩頂設(shè)置頂升裝置），通過(guò)對(duì)鋼梁預(yù)彎來(lái)施加頂板預(yù)應(yīng)力，措施簡(jiǎn)單，效果顯著，是工程中常用的改善措施。

基于本工程，鋼梁合龍后，先垂直向上頂升兩中墩處主梁各40 cm，再分段澆筑第一、第二節(jié)段。頂板混凝土養(yǎng)護(hù)完成后，主梁整體回落設(shè)計(jì)位置。對(duì)應(yīng)的混凝土頂板頂緣應(yīng)力趨勢(shì)如圖4 所示。

圖4 頂升施工頂板應(yīng)力圖（單位：MP a）

二期恒載施加前，頂板壓應(yīng)力儲(chǔ)備情況為：墩頂處頂板壓應(yīng)力2.5 MPa，中跨跨中壓應(yīng)力5.3 MPa，頂升措施對(duì)全橋混凝土頂板預(yù)壓效果顯著。

計(jì)入10 a 收縮徐變發(fā)展后，墩頂處頂板應(yīng)力減小了2.7 MPa，由成橋受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)。中跨跨中頂板應(yīng)力減小了5.8 MPa，儲(chǔ)備壓應(yīng)力基本損失殆盡，且收縮徐變對(duì)中跨跨中的影響最大。

當(dāng)疊加活載作用時(shí)，頂板均出現(xiàn)受拉狀態(tài)。此時(shí)很自然地會(huì)考慮增加頂升高度來(lái)進(jìn)一步增加頂板預(yù)壓力。但是工程實(shí)踐中，頂升高度受到多方面的限制：（1）頂升到一定高度后，邊支點(diǎn)可能脫空，需要設(shè)置反拉錨固[3]。（2）頂升量增加將導(dǎo)致鋼梁彎曲增大，部分截面施工階段鋼梁應(yīng)力過(guò)大。（3）頂升高度增加將導(dǎo)致頂升噸位增加，對(duì)頂升設(shè)備和下部結(jié)構(gòu)受力要求高。（4）施工成本、復(fù)雜度和安全隱患迅速增加。此時(shí)進(jìn)一步頂升往往不是最好的辦法。

針對(duì)中墩頂區(qū)域頂板預(yù)應(yīng)力不足的問(wèn)題，通常聯(lián)合采用其他措施，如施加預(yù)應(yīng)力、抗拔不抗剪連接等[4]。本工程對(duì)墩頂局部區(qū)域配置了縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，配束后墩頂拉應(yīng)力得到很好控制。

針對(duì)主跨跨中頂板使用階段預(yù)壓力儲(chǔ)備損失明顯且最大拉應(yīng)力較大的情況，除選擇無(wú)收縮混凝土措施[5]外，本工程采用了聯(lián)合臨時(shí)支撐的頂升方式進(jìn)一步優(yōu)化成橋內(nèi)力。

3 聯(lián)合臨時(shí)支撐的梁體頂升

鋼梁頂升到目標(biāo)位置后，梁底設(shè)置臨時(shí)支撐頂緊（見(jiàn)圖1），第一節(jié)段混凝土在臨時(shí)支撐頂緊狀態(tài)澆筑，養(yǎng)護(hù)完成后拆除臨時(shí)支撐，梁體下?lián)希谝还?jié)段混凝土頂板第一次預(yù)壓。后期梁體回落時(shí)再次預(yù)壓。從而第一節(jié)段混凝土將獲得更高的預(yù)壓力儲(chǔ)備。由于鋼梁架設(shè)中已搭設(shè)臨時(shí)支撐，故本措施無(wú)須額外增加任何工期和費(fèi)用。

臨時(shí)支撐點(diǎn)位設(shè)置如圖5 所示，邊跨為B1/B2位置，中跨分別計(jì)算了M11/M12、M21/M22、M3 三組設(shè)置方式，以研究臨時(shí)支撐位置對(duì)內(nèi)力改善的影響。

圖5 臨時(shí)支撐布置圖（單位：mm）

與不設(shè)臨時(shí)支撐方案對(duì)比，成橋恒載狀態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。

圖6 聯(lián)合臨時(shí)支撐頂升施工頂板應(yīng)力圖（單位：MP a）

設(shè)置臨時(shí)支撐顯著提高了第一節(jié)段混凝土預(yù)壓力，且對(duì)第二節(jié)段頂板成橋應(yīng)力無(wú)影響。這一改善的意義在于，通過(guò)利用已有支架作為臨時(shí)支撐，顯著提高了各跨跨中部分混凝土頂板預(yù)壓力儲(chǔ)備，使得原來(lái)需要采用強(qiáng)配筋或者其他措施的混凝土頂板僅需常規(guī)配筋即可很好地滿足使用需求。

對(duì)比以上計(jì)算的三組臨時(shí)支撐結(jié)果可知，支撐位置越接近跨中，對(duì)預(yù)壓力的提高效果越大且集中。這表明臨時(shí)支撐位置距離梁體下?lián)衔灰谱畲簏c(diǎn)越近，對(duì)第一節(jié)段混凝土頂板產(chǎn)生的預(yù)壓效果越顯著。由于實(shí)際工程中臨時(shí)支撐受橋下環(huán)境的制約并不總能設(shè)置于梁體下?lián)献畲筇帲虼耍鶕?jù)這一規(guī)律，可在設(shè)計(jì)中選取相對(duì)更優(yōu)位置布置臨時(shí)支撐。

工程中臨時(shí)支撐點(diǎn)也可考慮主動(dòng)頂升，但主動(dòng)頂升的支架承載力和操作面要求，鋼梁施工臨時(shí)支架未必能夠滿足，需額外加強(qiáng)設(shè)計(jì)。此時(shí)綜合效益是否可觀，需另外衡量。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼混結(jié)合梁橋的混凝土頂板受拉問(wèn)題是該類橋新的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一，可通過(guò)調(diào)整結(jié)合前梁體狀態(tài)，優(yōu)化成橋內(nèi)力狀態(tài)，設(shè)計(jì)靈活度大。以三跨連續(xù)鋼混結(jié)合梁為背景，分析了頂升法對(duì)內(nèi)力的調(diào)整和聯(lián)合臨時(shí)支撐時(shí)混凝土頂板內(nèi)力優(yōu)化效果。

當(dāng)連續(xù)鋼混結(jié)合梁跨度較大或者二期恒載相對(duì)梁體自重較大時(shí)，宜首先采用合理的措施進(jìn)行整體內(nèi)力狀態(tài)優(yōu)化，然后針對(duì)局部區(qū)域混凝土采取加強(qiáng)措施或者精細(xì)化內(nèi)力優(yōu)化措施。

鋼混結(jié)合梁內(nèi)力優(yōu)化措施多，運(yùn)用靈活，應(yīng)結(jié)合工程條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合作用效果、經(jīng)濟(jì)性、適用耐久性等各方因素選擇。本文提出的聯(lián)合臨時(shí)支撐的頂升措施可以在整體內(nèi)力調(diào)整的基礎(chǔ)上兼顧局部?jī)?yōu)化，利用已有施工支架作為梁體臨時(shí)支撐，效果和經(jīng)濟(jì)性十分理想。