连续钢桁架叠合梁桥面板裂缝控制技术

卿前志

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

连续钢桁架叠合梁桥面板裂缝控制技术

卿前志

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

宁波梅山春晓大桥工程水中引桥采用3×72 m连续钢桁架叠合梁结构。连续结构钢-混凝土叠合梁设计时，重点需要解决结构墩顶开裂的问题。论述了常规钢-混凝土叠合梁控制墩顶裂缝的方法，结合春晓大桥工程实际，对其采用的控制墩顶混凝土桥面板裂缝的措施进行了论述。同时，针对采用预制混凝土桥面板结构的叠合梁墩顶裂缝计算过程进行了简要说明。该工程主要采用了调整支点高度方法，计算表明，该方法对控制墩顶裂缝宽度是有效的。

连续钢桁架；叠合梁；混凝土桥面板；裂缝控制

1 概述

近年来，随着我国国民经济的发展，钢梁及钢-混凝土叠合梁在桥梁建设中运用得越来越多。与钢结构相比，钢-混凝土叠合梁由于采用混凝土桥面板，避免了钢桥面在汽车荷载作用下的疲劳开裂问题日益受到青睐。钢-混凝土叠合梁分简支叠合梁及连续叠合梁。简支叠合梁采用钢结构抗拉，混凝土桥面板受压，充分发挥了钢及混凝土两种材料各自的优点，因而在常规桥梁工程中得到广泛应用。然而，由于简支叠合梁需要在梁端设置伸缩缝，对行车的舒适性有一定的影响，近年来，连续叠合梁在我国桥梁建设中的运用日益增多。

连续钢-混凝土叠合梁的桥面板可以现浇施工，也可以在工厂预制，待钢梁架设完毕进行安装，然后浇筑叠合梁桥面板之间的湿接缝。常规的钢-混凝土叠合梁根据采用钢结构形式的不同分为钢板梁叠合梁桥、钢箱梁叠合梁桥、波形钢腹板箱梁叠合梁桥及钢桁架叠合梁桥[1]。不论采用哪种结构，桥梁设计过程中均需要解决中支点墩顶位置混凝土桥面板开裂问题。

2 控制墩顶裂缝方法

连续钢-混凝土叠合梁中支点位置，在恒载及汽车等活载作用下，主梁承受负弯矩作用。在墩顶负弯矩作用下，上缘混凝土桥面板受拉。为抵抗负弯矩产生的拉应力，通常可以采用的工程措施有预加荷载法、调整支点高度法、设置预应力钢筋、优化桥面板施工顺序、限制混凝土裂缝宽度方法以及部分组合梁法[2]。

2.1 预加荷载法

预加荷载法一般是钢梁施工完成后，首先在主梁的正弯矩区段浇筑混凝土桥面板，并施加一定的临时荷载，使中支点附近钢梁负弯矩区承受一定的预应力，然后在预应力状态下浇筑负弯矩区段混凝土，混凝土达到设计强度后，撤去临时荷载。由于正弯矩区段临时荷载的卸载，在负弯矩区段产生一个反向的正弯矩，从而使混凝土桥面板产生一定的压应力，减小或消除正常使用阶段混凝土桥面板的拉应力。

2.2 调整支点高度法

调整支点高度法，一般先在钢梁架设完成后，将中支点通过千斤顶抬升一定高度，然后浇筑混凝土桥面板，待混凝土桥面板达到设计强度后，将中支点下降至设计高度，从而使混凝土桥面板产生一定的压应力。

2.3 设置预应力钢筋

设置预应力钢筋的方法，一般是在中支点附近的混凝土桥面板中，沿顺桥向布置预应力钢筋，从而减小或消除混凝土桥面板的拉应力，达到控制桥面板裂缝宽度，改善桥面板受力状态的目的。

2.4 优化桥面板施工顺序

优化桥面板施工顺序，通常是钢梁架设完成后，首先在正弯矩区段浇筑混凝土桥面板，然后往两侧推进，最后浇筑中支点负弯矩区的混凝土桥面板，从而达到减小中支点负弯矩区混凝土桥面板拉应力的目的。

2.5 限制混凝土裂缝宽度的方法

限制混凝土裂缝宽度的方法，是通过在混凝土桥面板中配置足够的钢筋，可以将混凝土桥面板的裂缝宽度限制在容许值以内，满足结构耐久性的要求。当钢-混凝土叠合梁配置足够的剪力连接件时，负弯矩区混凝土板中的受力钢筋直至屈服阶段，均能够与钢梁很好地共同工作。

2.6 部分组合梁法

部分组合梁法，一般是通过将负弯矩区段设计为非结合或柔性结合结构，即在负弯矩区段不布设钢-混凝土连接件或仅设置柔性连接件。采用部分组合梁，在荷载作用下，桥面板负弯矩处的拉应力能够显著降低，但是在不设置连接件的分界处会造成较大的应力集中，必须采取相应的构造措施。例如使桥面板的纵向钢筋连续通过，并适当地加强；或者在钢梁上适当焊接锚固钢筋与混凝土桥面板连接，起到弹性剪力连接件的作用，从而达到过渡效果。

在实际工程中，往往根据工程具体情况，采用一种或多种方法来控制负弯矩区混凝土桥面板的拉应力，从而达到桥面板裂缝控制的目的。

3 墩顶桥面裂缝计算方法

连续叠合梁桥梁设计时，外荷载作用下，需验算桥面板中的最大裂缝宽度，使其满足现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）的相关规定[3]。通常，在荷载作用下，混凝土桥面板控制不出现裂缝或将裂缝宽度限制在一定范围内。从经济性考虑，一般将墩顶的裂缝宽度限定在一定的允许范围。

负弯矩区组合梁混凝土板工作性能接近于混凝土轴心受拉构件，规范《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》（JTG/T D64-01—2015）规定，对于钢筋混凝土板应按式（1）计算[4]：

式中：Ms为形成组合作用后，按荷载作用频遇组合效应计算的组合梁截面弯矩值；Icr为由纵向普通钢筋与钢梁形成的组合截面的惯性矩，即开裂截面惯性矩；ys为钢筋截面形心至钢筋和钢梁形成的组合截面中性轴的距离。

对于钢板梁或钢箱梁与混凝土桥面板形成的组合梁，换算截面计算可根据结构是否开裂分别考虑[4]：对于开裂区即中墩顶两侧各0.15 L范围内组合梁截面刚度取开裂截面刚度EIcr，其余区段组合梁截面刚度取未开裂截面刚度EI。

实际计算过程中，一般采用有限元的分析方法，根据施工过程，建立相应的计算模型，并求解各荷载工况下结构受力，然后进行荷载组合。得到桥面板中的内力后，便可按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的规定进行裂缝宽度的求解。

4 工程概况

宁波市梅山春晓大桥工程西起春晓洋沙山东六路与春晓东八路交叉口，终点位于梅山岛盐湖路与港湾路交叉口，工程全长约1.971 km。桥梁工程主要包括主桥、春晓侧引桥、梅山侧引桥以及明月湖辅道桥。梅山春晓大桥主桥采用中承式双层桁架拱桥。水中引桥结构形式为3×72 m连续钢桁架-混凝土桥面板叠合梁，包括梅山侧与春晓侧两联。为了解决慢行系统过江的问题，桥梁采用双层桥面布置：上层为双向六车道一级公路，下层为人非专用通道。考虑到下层桥面系需要布置人非系统，为降低车辆行驶过程中对下层慢行交通系统的噪声影响，同时避免钢桥面板在活载作用下的疲劳问题，上层机动车桥面系采用混凝土桥面板。

水中引桥采用钢-混凝土连续桁架叠合梁形式，设置上下两层桥面系。结构总高8.96 m，上层桥面总宽25 m，下层桥面宽12 m。钢桁架下弦杆采用箱形截面，截面高1.2 m，截面宽1 m。上弦杆采用箱形截面，截面高1.8 m，截面宽1.53 m。腹杆根据受力采用H形或箱形截面。上层桥面弦杆中心距16.46 m，中间设置小纵梁一道。纵桥向布置横隔板，间距4 m。上层桥面为混凝土桥面板，板厚250 mm，混凝土强度等级C60。下层桥面采用钢板，加劲采用一字肋。水中引桥叠合梁横断面如图1所示。

图1 梅山春晓大桥水中引桥断面图（单位：cm）

5 裂缝控制措施及裂缝宽度计算

首先为了减小收缩徐变，水中引桥采用预制桥面板，桥面板架设前存放6个月以上。采用桥梁分析软件建立结构分析模型，上弦杆、下弦杆、腹杆用梁单元模拟，上层及下层桥面板均采用板单元模拟，上层混凝土桥面板与上弦杆间通过弹簧单元进行连接，模拟其中的剪力钉，计算模型如图2所示。

图2 梅山春晓大桥水中引桥计算模型

经过计算，当不采取任何措施，成桥阶段，在栏杆、铺装等二期恒载作用下，墩顶负弯矩区桥面板中有3.5 MPa的拉应力。为了控制墩顶裂缝，采用了调整支点高度的方法：钢梁架设完毕后先将桁架顶升55 cm，然后从安装预制桥面板，并从跨中向墩顶浇筑桥面板间现浇接缝，待达到规定的结构强度后将结构下降到永久支座上。结构建模分析计算时考虑的施工阶段如下：架设钢桁架→两个中支点向上顶升55 cm→施工上层桥面板（桥面板自重以荷载形式施加于钢梁上）→桥面板参与整体受力→中支点回落至原位→施工二期恒载→收缩徐变10年。钢梁顶升点在永久支座旁进行，图3为钢梁顶升施工。

图3 顶升中的钢桁梁

在桥面板裂缝计算时，值得一提的是桥面板受力需要考虑局部受力和整体受力两个方面。

5.1 桥面板局部受力计算

春晓大桥引桥桥面板采用预制结构，横桥向预制板分为4块，纵桥向标准间距4 m。分析桥面板局部受力时，需要首先根据桥面板的尺寸确定桥面板为单向板还是双向板，然后计算恒载下桥面板局部受力与活载下的局部受力。由于桥面板搁置在钢梁上时受力状态与现浇湿接缝后受力状态不同，两者考虑如下。

对于湿接缝刚浇筑完成的预制桥面板，恒载下局部受力计算时，受力状态与简支板一致，可按照简支板来计算板中的弯矩，然后考虑徐变影响，对桥面板内力进行重分配。收缩徐变完成后，桥面板自重作用下受力与四周嵌固板一致。

根据上述原则，计算上层混凝土桥面板自重弯矩时，可通过查板的静力计算公式[5]进行计算。徐变系数可根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》进行求解，本工程计算时徐变系数取（t）=1.5。

以本工程两上弦之间的桥面板为例，预制桥面板尺寸如图4所示，现浇接缝完成阶段自重引起弯矩按四边简支板计算，收缩徐变引起自重弯矩重分配按四边嵌固板计算。桥面板顺桥向受力计算过程如下。

图4 预制桥面板尺寸（单位：cm）

荷载集度q=0.25×26=6.5（kN/m2），lx=4，ly= 7.6，泊松比μ=0时，查静力计算手册表[5]，取混凝土泊松比μ=1/6，得Mx=0.096 5ql2，相应弯矩为M1g=Mx=10.3 kN·m。

考虑桥面板混凝土徐变后，计算公式如下：

式中：M1g为先期结构自重引起弯矩；M2g为先期结构的自重，按作用于后期结构计算引起弯矩，即嵌固模式计算弯矩[3]。

从而得到收缩徐变后的跨中弯矩为

同理可计算支点弯矩：

考虑收缩徐变后，支点弯矩为

对于汽车车轮荷载作用在桥面板上引起的方法，同样可根据汽车荷载内力计算方法[5]进行，不再赘述。

5.2 桥面板整体受力分析

桥面板整体受力可根据建立的有限元模型进行求解，并将结构所受的外荷载在桥面板和钢梁中根据规范规定进行分配。

本工程整体受力考虑的外荷载包括：恒载；汽车、人群等荷载；混凝土徐变及收缩；温度荷载，包括整体升降温及梯度温度；基础沉降。

整体计算得到的桥面板内力与局部计算桥面板中的内力进行组合，便可对桥面板裂缝进行验算。本工程叠合梁桥面板厚度为250 mm，墩顶位置桥面板纵桥向采用d=28 mm@135 mm，验算结构承载能力满足规范要求，验算最大裂缝宽度为0.158 mm，亦满足规范要求。其余位置桥面板配筋根据内力进行适当调整，满足结构受力要求。图5给出了在钢-混凝土叠合梁桥混凝土桥面板的受力计算流程。

图5 桥面板计算分析流程

6 结语

连续钢-混凝土叠合梁在承受外荷载时，需要重点解决墩顶区段的混凝土桥面板裂缝问题。本文首先综述了在连续叠合梁设计中常用的控制墩顶区域桥面板裂缝的方法，并结合梅山春晓大桥水中引桥进行了分析。在桥面板裂缝计算时，必须要注意将桥面板整体受力和局部受力进行组合，以便得到桥面板中外荷载的最大效应。梅山春晓大桥水中引桥采用的是调整支点位移方法，同时施工中对桥面板现浇湿接缝的浇筑顺序进行了控制，计算表明，能有效控制墩顶位置桥面板裂缝宽度，可供类似工程项目参考。

[1]聂建国.钢-混凝土组合结构桥梁[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]吴冲.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[4]JTG/T D64-01—2015，公路钢混组合桥梁设计与施工规范[S].

[5]邵旭东，程翔云，李立峰.桥梁设计与计算[M].北京：人民交通出版社，2007.

四川规定四类公共建筑须安装防震减灾“黑匣子”

日前，由四川省地震局起草的《四川省建设工程强震动监测台阵技术要求》（以下简称《技术要求》）正式发布实施。《技术要求》明确了四川省必须布设强震动监测台阵的四类公共建筑物，分别是：抗震设防类别为特殊设防类和重点设防类的水利工程建筑物，处于地震重点监测防御区的特殊桥梁，抗震设防烈度为7度、8度、9度地区的高度分别超过160 m、120 m、80 m的公共建筑、核电厂和核设施建设工程。

强震动监测台阵，是为加强重大建设工程的强震动观测，按专门设施布设的多个强震动台站或监测网。目前，强震动监测在大坝、水电站和核电厂等工程领域广泛应用，但在公共建筑和特殊桥梁等建设工程领域的应用较少。四川省地震局地震监测专家赖敏表示，此举是给重大建设工程安上“黑匣子”，在遭遇强烈地震时，能够监测出工程结构受震动的情况，为建筑物抗震设计和抗震结构研究提供基础数据。

根据《技术要求》，强震动监测系统由传感器、记录器、数据处理计算机、传输线路四部分组成。地震发生时，传感器会根据震动记录下数据，然后通过传输线路传到中心机房的数据处理计算机。 布设强震动监测台阵规模应根据工程等级而异，一般建设工程不应少于12通道（4个观测点），重要建设工程不应少于18通道（6个观测点）。赖敏强调，观测点要布置在工程结构反应的关键和敏感部位，强震动监测仪器应通过螺栓固定在观测点上，布设室外电缆时，须穿入镀锌铁管内加以保护并固定。

U442

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1009-7716（2017）04-0096-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.028

2017-01-10

卿前志（1985-），男，湖南邵阳人，工程师，从事道路桥梁设计工作。