鋼混組合梁橋面板不同施工方法探討

鄭曉華，范廣宇，姚寶文

[1.廣東順控交通投資有限公司，廣東 佛山 528300；2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引 言

鋼-混組合梁是指鋼結構與混凝土通過可靠剪力鍵連接，共同受力的一種結構形式。組合結構橋梁以其整體受力的經濟性、發(fā)揮兩種材料各自優(yōu)勢的合理性和便以施工的優(yōu)點，在20世紀60年代的歐美各國和日本的橋梁建設中被廣泛應用[1]。

在近些年來，在我國的橋梁建設中，鋼-混組合結構得到了充分應用，建成了大量的鋼-混組合梁橋。同時，鋼混組合（橋面結構）還常用于拱橋、斜拉橋和懸索橋等索承體系橋梁中[2]。

鋼-混組合梁橋橋面板受力一直是橋梁設計和建造的關鍵節(jié)點，它與施工方法、施工順序和施工臨時措施緊密相關。其中混凝土橋面板的施工施工方法對結構受力影響較大，是鋼-混組合梁橋設計中需要考慮的關鍵點。

1 工程概況

以佛山市順德區(qū)勒流港口路改造工程（一期）勘察設計項目為例，項目位于佛山市順德區(qū)勒流街道，北起菊花灣大橋，南至龍洲路立交，全長約4 km，采用一河兩岸布置。左線為新建道路，右線為改造現狀港口路，港口路現狀為雙向四車道的城市道路，擬改造為雙向八車道的一級公路。

主線高架橋跨越東駿路采用40 m簡支鋼-混組合梁，跨越光明中路采用45 m簡支鋼-混組合梁。橋型立面見圖1、圖2。

圖1 主線高架橋40 m簡支鋼-混組合梁總體布置圖（單位：cm）

圖2 主線高架橋45 m簡支鋼-混組合梁總體布置圖（單位：cm）

本篇以45 m鋼-混組合梁為例。45 m跨徑簡支鋼-混組合梁梁高2.2 m，其中鋼結構高1.95 m，混凝土板厚0.25 m。單幅橋寬13 m，由三個箱室組成，箱室寬度約為2.3 m，方便運輸吊裝。跨中頂板厚25 mm，底板厚25 mm，腹板厚14 mm；支點頂板厚25 mm，底板厚20 mm，腹板厚16 mm。鋼梁橫向包括中橫梁和支點橫梁，中橫梁標準間距為6 m，中橫梁間設置腹板兩內側豎向加勁，標準間距為2 m。主梁立面和斷面見圖3、圖4。

圖3 45 m簡支鋼-混組合梁立面圖（單位：mm）

圖4 45 m簡支鋼-混組合梁橫斷面圖（單位：mm）

為了提高全線高架橋景觀效果，支點處梁高變?yōu)?.75 m，橫斷面的邊梁采用4∶1斜率的斜腹板，斜腹板距離橋梁邊線的距離與小箱梁一致，這樣，橋梁上部結構外形輪廓基本保持一致，景觀效果大大提升。

橋面板采用0.25 m鋼筋混凝土板，為了降低現場施工難度，節(jié)約工期，橋面以預制為主，現場吊裝；預制部分采用C50混凝土，在頂板現澆縫處設置集束式剪力釘，現澆C50無收縮混凝土。濕接縫橫斷面見圖5。

圖5 45 m簡支鋼-混組合梁濕接縫橫斷面圖（單位：mm）

連接件采用連續(xù)式焊釘連接件，焊釘規(guī)格采用?22×180 mm，預留束釘孔洞620 mm×500 mm，焊釘間距順橫橋向均為120 mm。

2 混凝土橋面板澆筑方案

混凝土板通過剪力連接件與鋼結構梁結合，共同參與受力，對橋梁縱向抗彎承載力有貢獻，參與上部梁體的橫向力傳遞，約束開口箱形截面跨中受壓翼緣[3]。

混凝土橋面板根據施工順序和截面構成的不同可以分為三類：現澆混凝土橋面板、分段澆筑混凝土橋面板和預制混凝土橋面板[3]。

2.1 混凝土板的施工方法論述

現澆混凝土橋面板，是指采用全支架或部分支架設置橋面板澆筑模板，在木板上綁扎鋼筋和澆筑混凝土的施工過程。這種施工方法是一次澆筑到位，橋面板整體性較好。但現澆混凝土需要搭設支架和模板，需要支架預壓，需要考慮較長的施工工期和臨時費用；同時，橋面板澆筑完成之后，收縮徐變會引起鋼梁和混凝土板的附加應力。

分段澆筑混凝土橋面板，是指根據混凝土橋面板的位置特點，將橋面板劃分成若干塊，難于搭設支架和模板的部分，采用預制，鋼結構頂板及混凝土外側挑臂采用現澆施工。這種方法可以減少收縮和徐變引起的鋼-混凝土組合梁的附加應力。但還是需要搭設部分支架，還是需要稍長工期和部分臨時費用。

預制混凝土橋面板是指橋面板分塊預制，預留槽口澆筑混凝土使橋面板與鋼結構通過剪力釘連接，橋面板之間采用較小的濕接縫連接。這種方案的優(yōu)點是工廠預制率比較高，可以很大程度減少現場澆筑的工作量，達到快速施工的目的。橋面板采用預制混凝土板，最大程度地減小了收縮和徐變效應對組合梁的影響。但這種施工方法主要預制的精度提出比較高的要求，預制板預留槽口是有橋面板鋼筋的，橋面板鋼筋和剪力釘均需要精準定位，避免相互影響。同時，這種施工方法用于預制混凝土板件種類較少的等寬橋面或標準梁段的優(yōu)勢較為明顯，若用于變寬段，則預制難度會相應增加。

2.2 混凝土板的施工方法對橋梁的影響

鋼-混組合梁混凝土橋面板的施工方法對工程的相應主要分為兩個方面，一方面為建設過程的措施費用及施工工期；另外一方面是混凝土的收縮與徐變對梁體受力的影響。本文主要對后者展開論述。

混凝土的收縮與徐變效用一般可以通過有效彈性模量的虛擬荷載法來計算效應引起的截面應力增量。它是假定鋼梁與混凝土結合前增加虛擬荷載P0，等代于混凝土板收縮徐變產生的自由形變εc，然后在鋼梁與混凝土結合后施加相應的荷載P0[4]。

混凝土橋面板截面應力增量計算公式[4]：

鋼梁截面應力增量計算公式：

虛擬荷載P0的確定應考慮徐變引起的永久作用截面應力增量和考慮徐變影響的收縮截面應力增量。

徐變引起的永久作用截面應力增量計算公式：

有效彈性模量比：

考慮徐變影響的收縮截面應力增量計算公式：

有效彈性模量比：

溫度作用的截面應力增量是與施工方法無關的，本篇暫不單獨對比。

3 橋面板施工方法對組合梁受力影響分析

3.1 有限元模型建立

本篇通過鋼-混組合梁橋面板全現澆施工方案和預制施工方案就混凝土的收縮與徐變兩項對主梁受力做詳細對比分析。采用midas civil建立有限元計算模型，分析混凝土橋面的收縮徐變效應對主梁的應力和撓度的影響，見圖6。

圖6 45 m簡支鋼-混組合梁濕計算模型消隱圖

橋面板現澆施工方案采用搭設支架和模板，橋面板一次性澆筑完成，混凝土養(yǎng)生7 d后拆除模板及支架。

橋面板預制施工方案采用分塊式預制，預留剪力釘現澆槽口及濕接縫，預制橋面板吊裝后采用C60無收縮混凝土澆筑剪力釘現澆槽口及濕接縫。預制混凝土的吊裝齡期為180 d。

3.2 計算結果分析

兩種施工方法主要的區(qū)別是混凝土的齡期差，混凝土的收縮徐變在不同工況下對混凝土橋面和鋼梁都有影響，同時對主梁撓度也有較大影響。

（1）混凝土收縮徐變對混凝土板的應力影響

從計算結果可以看出，隨著時間的推移，混凝土的收縮徐變對混凝土橋面都有較大影響，這種影響是一種不利影響，見表1。

表1 橋面板結合工況下橋面板應力對比表（“+”為拉應力，“-”為壓應力）

在橋面板與鋼結構結合工況下，兩種施工方法的混凝土壓應力均滿足規(guī)范要求。但現澆橋面板上下緣的壓應力儲備比預制橋面上下緣壓應力儲備小，預制橋面板對結構受力更加有利，見表2。

表2 成橋工況下橋面板應力對比表（“+”為拉應力，“-”為壓應力）

在成橋工況下，兩種施工方法的混凝土壓應力均滿足規(guī)范要求。但現澆橋面板上下緣的壓應力儲備比預制橋面板上下緣壓應力儲備小，預制橋面板對結構受力更加有利，見表3。

表3 10 a收縮徐變工況下橋面板應力對比表（“+”為拉應力，“-”為壓應力）

在10 a收縮徐變工況下，兩種施工方法的混凝土壓應力均滿足規(guī)范要求。主要受混凝土徐變的影響，兩種施工方法的橋面板上下緣壓應力儲備與成橋工況相比均有下降，但現澆橋面板上下緣的壓應力儲備比預制橋面板上下緣壓應力儲備小，預制橋面板對結構受力更加有利。

（2）混凝土收縮徐變對鋼梁的應力影響

從計算結果可以看出，隨著時間的推移，混凝土的收縮徐變對鋼結構應力也是有影響的，特別是鋼梁上緣，這種影響是一種不利影響，見表4。

表4 橋面板結合工況下鋼梁應力對比表（“+”為拉應力，“-”為壓應力）

在橋面板與鋼結構結合工況下，兩種施工方法下的鋼梁的拉、壓應力均滿足規(guī)范要求。但相比之下，現澆施工給鋼梁上緣產生了較大的壓應力，預制橋面板對鋼梁受力更加有利；預制施工方法給鋼梁下緣產生較大的拉應力，見表5。

表5 成橋工況下鋼梁應力對比表（“+”為拉應力，“-”為壓應力）

在成橋工況下，兩種施工方法下的鋼梁的拉、壓應力均滿足規(guī)范要求。但相比之下，現澆施工給鋼梁上緣產生了較大的壓應力，預制橋面板對鋼梁受力更加有利，兩種施工方法對鋼梁下緣應力影響稍小，見表6。

表6 收縮徐變10a工況下鋼梁應力對比表（“+”為拉應力，“-”為壓應力）

在收縮徐變10 a工況下，兩種施工方法下的鋼梁的拉、壓應力均滿足規(guī)范要求。但相比之下，現澆施工給鋼梁上緣產生了較大的壓應力，預制橋面板對鋼梁受力更加有利，兩種施工方法對鋼梁下緣應力影響稍小。

（3）混凝土收縮徐變對主梁撓度的影響

混凝土的收縮徐變對主梁跨中的撓度影響較大，計算結果顯示，采用現澆橋面板的主梁跨中10 a收縮徐變工況下的最大撓度是-122.2 mm，采用預制橋面板的主梁跨中10 a收縮徐變工況下的最大撓度是-104.0 mm，兩種方法差值為18.2 mm，差值占比為17.5%。通過對比可知，預制橋面對橋梁撓度控制更有利。具體數值對比詳見圖7。

圖7 兩種施工方法的撓度曲線圖（圖中：x軸為梁長方向，單位為m；y軸為豎向撓度，單位為mm）

4 結語

（1）從計算分析結果可以得出，預制施工方法能給混凝土橋面板提供更大的壓應力儲備，對主梁結構受力更有利。

（2）預制施工方法能有效降低鋼梁上緣壓應力，對主梁結構受力更有利；對鋼結構下緣應力影響較小。

（3）預制施工方法對簡支鋼-混組合梁跨中撓度控制更加有利。

（4）在類似工程中，鋼-混組合梁混凝土橋面的施工方法對主梁受力有影響，結果顯示預制施工方法對主梁受力較為有利。