80m連續(xù)鋼桁梁鋼板-混凝土組合橋面板的設(shè)計(jì)分析

陳 典 汪子涵

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)分公司，四川 成都 610093）

0 引言

現(xiàn)代橋梁減輕結(jié)構(gòu)自重是增強(qiáng)跨越能力的重要手段。隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展，尤其對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)地形條件、抗震需求較高的區(qū)域，鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁得到廣泛應(yīng)用。

鋼-混組合梁橋的橋面板大致可分為四類：預(yù)制混凝土橋面板、鋼-混組合橋面板、疊合混凝土橋面板、現(xiàn)澆混凝土橋面板。鋼-混組合橋面板其自身為鋼混組合結(jié)構(gòu)，包括壓型鋼板混凝土組合橋面板、平板型的組合橋面板等。在組合梁的施工中，普遍采用將鋼梁架設(shè)就位，再施工橋面板，利用鋼梁本身作為施工支撐，盡量減少額外的臨時(shí)措施，現(xiàn)澆橋面板施工需設(shè)置模板，其模板工程量及現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)均較大，施工速度慢，在組合梁橋的設(shè)計(jì)中幾乎很少采用。疊合混凝土橋面板先鋪設(shè)一層較薄的預(yù)制板再進(jìn)行現(xiàn)澆，其施工工序較多，上、下層板的配筋較為復(fù)雜。因此，預(yù)制橋面板及鋼-混組合橋面板是設(shè)計(jì)上最常采用的結(jié)構(gòu)形式。

本文以某80m連續(xù)鋼桁梁為設(shè)計(jì)背景，結(jié)合其設(shè)計(jì)環(huán)境和結(jié)構(gòu)受力特性，探討鋼-混組合橋面板的應(yīng)用場(chǎng)景及設(shè)計(jì)方法，為今后同類型橋梁的建設(shè)提供一些參考。

1 工程背景

該橋?yàn)樯絽^(qū)在建高速公路橋工程，其跨徑為4m×80m連續(xù)鋼桁梁，采用的是板桁組合體系（見(jiàn)圖1所示）。該橋的主梁為上承式等高鋼桁梁，橋面板采用鋼-混組合橋面板支撐在鋼桁梁上，承受汽車荷載。上部結(jié)構(gòu)為板桁組合的連續(xù)鋼桁梁，下部結(jié)構(gòu)為墩高80～100m的空心薄壁墩。設(shè)計(jì)荷載：公路－Ⅰ級(jí)，基本地震動(dòng)峰值加速度0.2g，半幅橋?qū)?2.6m。主桁采用三角形桁架，兩片主桁中心間距6.4m，標(biāo)準(zhǔn)桁高4.5m，見(jiàn)圖2所示。

圖1 80m鋼桁組合梁三維示意圖

圖2 橋面板構(gòu)造圖

橋面系采用鋼板-混凝土組合橋面系，桁架支承體系采用密橫梁體系。鋼混組合橋面板與混凝土橋面板相比提高了抗彎能力，將原來(lái)25～30cm 厚的混凝土板變?yōu)?7cm的組合橋面板，減輕了結(jié)構(gòu)重量，橋墩彎矩減小了12%～18%，對(duì)橋梁抗震性能的提高有重要意義。

山區(qū)地形陡峭、道路狹窄，與預(yù)制橋面板相比，現(xiàn)澆橋面板更有優(yōu)勢(shì)，不受預(yù)制場(chǎng)地、運(yùn)輸條件限制，同時(shí)，在現(xiàn)澆時(shí)底鋼板既能作為永久性受力構(gòu)件，又能作為澆筑混凝土的底鋼模，免去了模板的安裝和拆除。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算分析

2.1 橋面板設(shè)計(jì)方法

在設(shè)計(jì)上橋面板計(jì)算的三種結(jié)構(gòu)受力體系是指：橋面板作為主梁上翼緣板參與整體受力，即第一結(jié)構(gòu)體系；橋面板作為主梁中縱、橫格子梁上翼緣板參與局部受力，即第二結(jié)構(gòu)體系；橋面板作為設(shè)置在肋上各向同性的連續(xù)板，直接承受作用于蓋板上的輪載，即第三結(jié)構(gòu)體系。

第一體系為主梁體系，主要為主梁整體縱向受力，單梁模型可以不用單獨(dú)建立橫向支承構(gòu)件，只計(jì)入相應(yīng)構(gòu)件的重量即可，不能展現(xiàn)荷載真實(shí)的傳力路徑。第二體系及第三體系應(yīng)靈活判斷，根據(jù)橋面板支承條件的相對(duì)剛度進(jìn)行確定。例如鋼箱梁橋面板的第二體系應(yīng)以橫隔板及腹板作為支承邊界條件，對(duì)有縱橫向加勁肋的加勁板進(jìn)行分析，而第三體系為支承在肋間的蓋板體系。

而對(duì)于板桁組合結(jié)構(gòu)，采用空間梁格模型，橋面板已經(jīng)按縱橫梁布置進(jìn)行了劃分，所以在有限元模型中，在整體計(jì)算時(shí)得到的橋面板計(jì)算結(jié)果已經(jīng)體現(xiàn)了第一體系與第二體系的疊加效應(yīng)。本橋中二期恒載及活載由于構(gòu)造原因，在密橫梁體系中力的傳遞是經(jīng)過(guò)上橫梁，再傳至縱向主桁。所以在局部受力分析時(shí)，應(yīng)進(jìn)行第三體系的受力計(jì)算。

根據(jù)鋼-混組合橋面板的受力性能要求，其設(shè)計(jì)理念大概有三種：不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力、不允許出現(xiàn)裂縫、限制裂縫寬度。橋面板設(shè)計(jì)早期多采用配置預(yù)應(yīng)力鋼束的方法，但是后張法預(yù)應(yīng)力鋼束一部分會(huì)施加在鋼梁上，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼束的使用效率打折，先張法施工又過(guò)于復(fù)雜，得不償失；另外，混凝土收縮徐變的不確定性、剪力釘滑移等因素導(dǎo)致后續(xù)防裂效果不佳。對(duì)于橋面板的開(kāi)裂問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了廣泛研究，目前橋面板主要采用限制裂縫寬度，允許開(kāi)裂的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)控制配筋率及鋼筋應(yīng)力，讓橋面板按帶裂縫工作的鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，既減小了施工難度，又簡(jiǎn)化了構(gòu)造。

2.2 鋼板-混凝土組合橋面板的力學(xué)特性

鋼板-混凝土組合橋面板底部設(shè)有底鋼板，開(kāi)孔鋼板作為剪力鍵與底鋼板相焊接，橋面板鋼筋穿孔設(shè)置，最后澆筑混凝土形成鋼混組合板件。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，西南交大、西安建筑科技大學(xué)對(duì)鋼板-混凝土組合橋面板進(jìn)行了靜載試驗(yàn)研究，研究表明底鋼板與混凝土之間有可靠的連接，底鋼板能夠充分發(fā)揮自身強(qiáng)度，抵抗各個(gè)方向的拉應(yīng)力并避免混凝土裂縫外露。計(jì)算時(shí)可假設(shè)底鋼板與混凝土之間沒(méi)有滑移，且忽略混凝土的開(kāi)裂，截面變形滿足平截面假定，即視為能夠發(fā)揮完全作用的彈性板[1-2]。在車輛輪壓等局部作用下，同樣按照支承于鋼主梁上的單向板或雙向板進(jìn)行計(jì)算，在驗(yàn)算板的抗彎、抗剪承載力，可以將鋼板等效為鋼筋，沿用鋼筋混凝土構(gòu)件的驗(yàn)算方法。

2.3 計(jì)算結(jié)果

采用Midas Civil-2019 建立空間梁格模型。對(duì)該橋施工階段和使用階段的主要工況進(jìn)行了基于桿系模型的整體計(jì)算。由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，墩高較高，鋼桁梁采用頂推施工。所以本橋分為兩個(gè)階段計(jì)算：鋼桁梁、橋面板底鋼板、橋面板作為第一階段的荷載由鋼桁梁承受，橋面板在這個(gè)階段不受力；橋面鋪裝、護(hù)欄、車輛荷載作為第二階段的荷載由鋼桁梁和橋面板共同承受。

根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTG∕T D64-01-2015）第5.3.2條規(guī)定[3]，鋼混組合梁橋橋面板的有效寬度be可按如下方法計(jì)算：

其中beff寬度不應(yīng)大于混凝土板的實(shí)際寬度，Le,i為等效跨徑，按規(guī)范要求取值。根據(jù)本橋結(jié)構(gòu)鋼桁梁與混凝土板的連接形式，beff＞3.2m，驗(yàn)算橋面板第一、第二體系受力時(shí)，混凝土橋面板全截面有效。第一、二體系橋面板各工況下控制截面應(yīng)力見(jiàn)表1所示。

表1 第一、二體系橋面板各工況下控制截面應(yīng)力（MPa）

鋼板-混凝土組合橋面板只有頂面與大氣接觸，構(gòu)件理論厚度不能按普通混凝土構(gòu)件計(jì)算，根據(jù)相關(guān)規(guī)范及試驗(yàn)結(jié)果，采用鋼纖維混凝土的鋼板-混凝土組合橋面板的計(jì)算收縮量為普通混凝土的0.4，徐變系數(shù)為普通混凝土的0.5[4]。

通過(guò)表1可以得到使用階段橋面板控制截面在主梁體系下的最大應(yīng)力結(jié)果（見(jiàn)表2所示）：邊跨跨中最大壓應(yīng)力為-4.9MPa，邊跨連續(xù)處最大拉應(yīng)力為6.3MPa，中跨跨中最大壓應(yīng)力為-4.4MPa，中跨連續(xù)處最大拉應(yīng)力為5.0MPa。橋面板第三體系主要承受車輛輪載，采用有限元軟件將橋面板以板單元模擬。第三體系橋面板板頂和板底應(yīng)力圖見(jiàn)圖3、圖4所示。

表2 橋面板在各體系下的最大應(yīng)力（MPa）

圖3 第三體系橋面板板頂應(yīng)力圖

圖4 第三體系橋面板板底應(yīng)力圖

車輪荷載作用下，橋面板底部最大拉應(yīng)力為5.7MPa。當(dāng)支點(diǎn)處橋面板產(chǎn)生最大拉應(yīng)力時(shí)，第一體系車道荷載是布置在正彎矩區(qū)的同號(hào)影響線范圍內(nèi)，在墩頂支點(diǎn)一定范圍并不布置車道荷載。所以，車道荷載和車輛荷載在不同結(jié)構(gòu)體系中對(duì)橋面板產(chǎn)生的效應(yīng)不進(jìn)行疊加。

2.4 橋面板驗(yàn)算

采用歐洲規(guī)范4推薦的應(yīng)力計(jì)算法確定開(kāi)裂區(qū)，首先通過(guò)非開(kāi)裂模型進(jìn)行彈性計(jì)算，得出標(biāo)準(zhǔn)值組合下混凝土板上緣應(yīng)力，若混凝土的拉應(yīng)力超過(guò)2fctm，則截面處于開(kāi)裂區(qū)。其中為混凝土的圓柱體抗壓強(qiáng)度。對(duì)于C50 鋼纖維砼計(jì)算得到2fctm=7MPa＞6.3MPa。則第一、二體系下橋面板可以不考慮開(kāi)裂，其承載能力滿足要求。

采用《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[3]，中間支座兩側(cè)0.15L范圍內(nèi)考慮橋面板開(kāi)裂，鋼-混組合橋面板第一體系下為軸向受拉∕受壓構(gòu)件。則受拉區(qū)橋面板裂縫寬度計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 第一、二體系下橋面板裂縫寬度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)本橋鋼板-混凝土組合橋面板構(gòu)造，中性軸位于混凝土部分，在連續(xù)板的局部受力體系下，橫梁頂?shù)呢?fù)彎矩區(qū)，橋面板鋼筋應(yīng)力σss=101.3MPa，裂縫寬度Wfk=0.102mm。結(jié)果表明，在整體計(jì)算和局部計(jì)算中橋面板裂縫寬度都滿足要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，結(jié)論如下：

（1）鋼板-混凝土組合橋面板是輕型化橋面板的發(fā)展方向，并且能夠適應(yīng)山區(qū)復(fù)雜的施工環(huán)境，做到無(wú)模板化，減小高烈度地區(qū)橋梁的地震效應(yīng)。

（2）車輪荷載作用下橋面板局部計(jì)算會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，第三體系受力較大，很多時(shí)候可能對(duì)設(shè)計(jì)起控制作用，不論是整體計(jì)算還是局部計(jì)算，設(shè)計(jì)上都可以采用強(qiáng)配筋，限制裂縫寬度的方法來(lái)解決問(wèn)題。

（3）鋼板-混凝土組合橋面板給出了輕薄型橋面板的設(shè)計(jì)思路，隨著板厚的減薄，會(huì)帶來(lái)橋面板剛度的降低，組合橋面板的動(dòng)力性能，尤其在承受車輛等動(dòng)荷載作用下疲勞問(wèn)題逐漸凸顯，其相關(guān)疲勞性能還有待研究。