鋼-混組合梁橋負彎矩區(qū)混凝土抗裂設計研究

張 軍

（山西省公路局 臨汾分局，山西 臨汾 041000）

在受力高效的鋼-混組合結(jié)構(gòu)梁橋負彎矩區(qū)，混凝土橋面板承受拉力，并且可能由于剪力滯效應的影響，使得混凝土局部拉應力過大而產(chǎn)生裂縫。失去混凝土的保護后鋼筋極易銹蝕，從而影響結(jié)構(gòu)承載能力與結(jié)構(gòu)耐久度。因此，對組合梁橋負彎矩區(qū)的混凝土裂縫進行合理的計算和控制十分重要。

由于橋面板開裂與截面內(nèi)力重分布互相影響，負彎矩區(qū)混凝土板開裂范圍往往難以明確，目前國內(nèi)各規(guī)范在進行負彎矩區(qū)混凝土板裂縫寬度計算時采用中支點兩側(cè)各15%跨徑作為開裂范圍，該值源于1986年Johnson R.P.等的研究[1]，大大簡化了計算難度，但僅適用于相鄰跨徑比Lmin/Lmax＞0.6的連續(xù)梁[2]。歐洲規(guī)范[3]則采取一種迭代算法來考慮內(nèi)力重分布，并且在計算裂縫寬度時考慮了拉伸剛化效應，從裂縫控制的角度來看更為合適。

對裂縫寬度的合理計算便于進行裂縫的預測，在工程中，還須提前采取一定的措施來限制或預防結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)展與產(chǎn)生。組合梁橋負彎矩區(qū)混凝土板上緣的拉應力主要來源于混凝土的收縮徐變、溫度作用以及荷載作用[4]。目前國內(nèi)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，另一類是增強配筋法。此外，隨著鋼-混組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展和研究的深入，也有學者提出了調(diào)整施工順序和UHPC濕接縫等方法控制組合梁負彎矩區(qū)混凝土裂縫。

本文將對鋼-混組合梁橋負彎矩區(qū)混凝土裂縫的各控制措施進行研究和總結(jié)，對其效果及適用性進行分析。

1 負彎矩橋面板抗裂設計方法

1.1 施加預應力法

1.1.1 支座位移法

該方法是在澆筑負彎矩區(qū)混凝土前預先將中支座頂升一定高度，待該區(qū)域混凝土澆筑并達到設計強度后再將中支座降回設計高度（圖1）。目的是通過支座回落后產(chǎn)生的預壓應力來抵消負彎矩導致的混凝土板拉應力，從而減小裂縫[5]。

圖1 支座位移法示意圖

1.1.2 預加靜載法

該方法是在先澆筑完成的正彎矩區(qū)混凝土上施加臨時壓重，待負彎矩區(qū)混凝土澆筑完成后再撤去該壓重，從而使負彎矩區(qū)橋面板獲得一定的預壓應力[6]（圖 2）。

圖2 預加靜載法示意圖

1.1.3 預應力鋼束先結(jié)合法

該方法是在負彎矩區(qū)域橋面板布置縱向預應力鋼束或鋼筋，待橋面板澆筑完并達到一定強度后再進行張拉，使橋面板在各種荷載作用下均保持受壓狀態(tài)。由于先形成組合截面，該方法容易使靠近混凝土板部分的鋼梁應力增大，預應力損失較大。對此，聶建國[7]通過解除剪力連接件縱向功能，僅維持其豎向功能的方法避免了該問題的發(fā)生（圖3）。

圖3 抗拔不抗剪預應力先結(jié)合法示意圖

1.1.4 預應力鋼束后結(jié)合法

該方法是為了避免先結(jié)合法對鋼梁產(chǎn)生不利影響，先張拉預應力再將橋面板與鋼主梁進行結(jié)合。施工中一般先將群釘處預留后澆槽，張拉預應力束后再澆筑該槽，結(jié)合面處耐久性不易保證[8]。

1.2 增強配筋法

該方法按照普通鋼筋混凝土構(gòu)件設計橋面板，通過較高的縱向鋼筋配筋率限制裂縫寬度，廣泛地應用于中小跨徑橋梁中[9]。但該方法應用范圍受限，當橋梁跨徑增大到60 m以上時，過密的鋼筋會導致布筋困難，且影響混凝土澆筑的密實程度。

1.3 調(diào)整施工順序法

僅改變濕接縫的澆筑順序?qū)炷翗蛎姘鍛λ降挠绊懞苄。欢淖冾A制混凝土橋面板鋪裝順序?qū)τ诨炷翗蛎姘鍛λ礁淖冚^大[10]。當負彎矩區(qū)混凝土橋面板滯后施工時，該區(qū)域混凝土橋面板的應力水平大幅度改善。

1.4 UHPC濕接縫法

基于UHPC材料，邵旭東等人[11]提出了一種新型負彎矩區(qū)UHPC濕接縫方案。原方案在墩頂接縫處現(xiàn)澆微膨脹混凝土（圖4），而新方案將墩頂接縫劃分為T字型的上、下兩個區(qū)域，最頂部區(qū)域受到的拉應力最大，因此在該區(qū)域內(nèi)采用UHPC，而下部區(qū)域應力稍低部分現(xiàn)澆微膨脹的C50混凝土即可（圖5）。該方案可用于先簡支后連續(xù)鋼-混結(jié)構(gòu)，施工簡單。

圖4 微膨脹纖維NC接縫

圖5 UHPC接縫

2 結(jié)構(gòu)有限元模型

現(xiàn)以云南省某高速公路引橋工程為背景。該工程為3×41 m的Q345qD工字型連續(xù)鋼板組合梁橋，橋梁寬度11.25～12.0 m，橋梁平面位于半徑R=715 m的圓曲線及緩和曲線上，橋面縱坡1%，橫坡2%.單幅橋跨每跨3根鋼主梁，主梁間距4.25 m，上翼緣寬600～800 mm，板厚 20 mm、32 mm，下翼緣寬 600～800 mm，板厚 28 mm、40 mm、50 mm，腹板厚度 16 mm、24 mm。橋面板采用C50收縮補償混凝土，厚度25 cm，支點處設置承托，承托處厚34 cm，橋面板懸臂長度1.75 m。縱橋向每跨共設置7道工字型橫梁。橋梁標準橫斷面見圖6。

圖6 鋼板組合梁引橋標準橫斷面圖（單位：cm）

采用Midas Civil 2019有限元軟件建立全橋梁格模型，定量分析1.1～1.3中所述的抗裂設計方法。計算模型見圖7。

圖7 全橋有限元模型

3 不同抗裂設計方法結(jié)果分析

3.1 支座位移法

在負彎矩區(qū)混凝土滯后施工的基礎上，研究不同頂升量下鋼板組合梁橋的應力水平和橋面板裂縫寬度。具體的施工工況設計為：鋼梁頂推施工—中支點頂升—橋面板混凝土兩次施工—中支點回落—二期鋪裝。通過計算得到的梁橋應力水平和裂縫寬度見表1所示。

表1 不同頂升量下的應力水平和裂縫寬度

從表1可以看到，隨著中支點的頂升，混凝土板的最大應力將會有所減小，其裂縫寬度也得到了一定程度上的有效控制。當頂升量分別為17 cm、34 cm時，考慮10年收縮徐變后的混凝土板最大應力分別減小 0.965、1.096，裂縫寬度分別減小 0.002 7、0.008 4，減小程度有限。并且隨著頂升量的不斷加大，鋼主梁在施工過程中的最大應力會有所增大，一味地加大頂升量可能會導致鋼梁在施工過程中因應力過大而出現(xiàn)安全問題。

3.2 預加靜載法

采用預加靜載法進行抗裂設計的原理與支座位移法類似，同樣在負彎矩區(qū)混凝土滯后施工的基礎上，計算不同預加載下的鋼板組合梁橋的應力水平和橋面板裂縫寬度。為了保證可行性和優(yōu)化配重效果，分別采用0.5倍和1倍的鋼梁自重集度作為預加靜載集度，對邊支點附近0.85L范圍橋面板和中跨0.7L范圍橋面板進行均勻加載。計算結(jié)果見表2所示。

表2 不同預加載量下的應力水平和裂縫寬度

從表2可以看出，預加靜載法對于控制負彎矩區(qū)混凝土應力水平和裂縫寬度具有一定作用，但其效率較支座位移法略小。當在正彎矩區(qū)混凝土上分別施加0.5倍和1倍的主梁自重集度，相較于未采用預加靜載法時，混凝土裂縫僅減小0.000 4 mm和0.001 2 mm，且施工過程中鋼梁的應力會因此產(chǎn)生較大幅度的增長，使該方法受到明顯掣肘。

3.3 增強配筋法

在負彎矩區(qū)混凝土滯后施工的基礎上，計算不同配筋率下的負彎矩區(qū)橋面板裂縫寬度見表3所示。

表3 不同配筋率下的裂縫寬度

從上述計算結(jié)果可以看出，每增加0.013的配筋率，裂縫寬度可減小0.001 mm左右，增強配筋可以達到較為明顯的裂縫控制效果。

3.4 調(diào)整施工順序法

依托工程采用頂推法施工鋼梁，后在鋼梁上澆筑混凝土橋面板。為了研究不同施工順序?qū)τ阡摪褰M合梁橋的應力水平和橋面板裂縫寬度的影響，本文設計兩種具體的施工順序：A.鋼梁頂推施工—混凝土一次性施工—二期鋪裝；B.鋼梁頂推施工—正彎矩區(qū)混凝土施工—中支點兩側(cè)各6 m范圍內(nèi)混凝土施工—二期鋪裝。通過計算發(fā)現(xiàn)（表4），負彎矩區(qū)混凝土的滯后施工會極為有效地控制裂縫寬度，但單純依靠該方法不能使充分考慮了收縮徐變效應后的負彎矩區(qū)混凝土橋面板應力水平滿足規(guī)范限值，需要同時采取如支座位移法等其他抗裂措施輔助。

表4 不同施工順序下的應力水平和裂縫寬度

4 結(jié)語

通過上述分析，可以看出我國計算負彎矩區(qū)裂縫寬度的方法方便簡單，但具有局限性。通過對目前常用的幾種負彎矩區(qū)混凝土抗裂設計方法的研究和總結(jié)發(fā)現(xiàn)：

a）支座頂升法和預應力加載法具有一定的抗裂效果，但對鋼梁應力水平影響較大，可能會由于鋼梁應力、疲勞等原因而限制其效果。此外，這兩種方法還會給施工增加一定的難度，不僅耗費工、料、機，還會導致工期的增長，不適用于工業(yè)化和快速化施工的發(fā)展。

b）強配筋法控制裂縫寬度效果明顯，且便于施工，在中小跨徑橋梁中具有較好適用性。但當跨度增大時，強配筋法需要的配筋率將會導致鋼筋過密，布筋困難，且對混凝土密實度造成影響。雖然采用預應力鋼束會導致造價的增加，但當橋梁跨徑較大時。采用抗拔不抗剪連接件的預應力鋼束先結(jié)合法顯然會具有更好的適用性。

c）UHPC濕接縫法作為一種從材料角度出發(fā)的新型抗裂設計方法，不僅效果優(yōu)異，而且便于施工、造價經(jīng)濟，相比于以上的幾種方法具有更加廣泛的適應性和更高的工業(yè)化程度。

d）施加預應力及增強配筋等方法都不利于施工的便利性和快速性，且更為被動，未來將更趨于從材料方面尋求鋼-混組合梁橋負彎矩區(qū)混凝土抗裂的辦法。對各種纖維等加筋物質(zhì)的探索能夠使混凝土的抗拉性能得到較大的改善，這對于防止或控制混凝土的開裂問題十分有效。