钢-混凝土叠合梁桥成桥新方案

彭亚东 何维利 徐德标

（北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082）

引言

钢-混凝土叠合梁是指通过在钢梁和混凝土翼缘板之间设置剪力连接件（目前实际工程主要为栓钉），抵抗两者在交界面处的掀起及相对滑移，使之成为一个整体而共同工作的主梁。钢-混凝土叠合梁桥刚度更大，噪音较小［1］。同混凝土梁相比能够有效降低梁高，减轻自重，提升跨越能力；同钢梁相比能够减少用钢量，节约造价，增大刚度和稳定性，且采用预应力混凝土桥面板比钢桥面耐久性、耐疲劳性能更好。从施工上来说，钢-混凝土叠合梁桥采用的是工厂预制和现场浇筑相结合，这样能发挥预制与现浇各自的优点。从造价上来看，钢-混凝土叠合梁桥比钢箱梁桥更加经济合理。由于城市空间限制以及施工阶段交通不中断等要求，钢-混凝土叠合梁桥无支架施工被广泛应用［2］。

本文以海淀区上庄路跨京密引水渠桥为例，通过优化钢-混凝土叠合梁桥构造使其充分发挥钢材和混凝土的材料性能，改善闭口封闭断面的检查维护困难问题，控制钢-混凝土叠合梁桥桥面板预制时段和浇筑顺序及钢梁制作段安装阶段，并优化桥面板钢束布置方式，从而达到改善结构受力降低材料用量的目的。

1 工程概况

上庄路跨京密引水渠桥全长667m，桥宽27m，跨径组合为2×（30+30+30）+（32+63+32）+4×（30+30+30）m，其中引桥为3×30m先简支后连续小箱梁，主桥为（32+63+32）m钢-混凝土叠合梁。图1为京密引水渠主路桥布置示意。

主桥中跨跨越京密引水渠，边跨跨越现况黑龙潭路，受桥下净空等边界条件限制，主梁梁高为2.4m，主梁高跨比达到1/26.25。为尽可能降低桥梁施工对现况黑龙潭路交通和京密引水渠水利安全的影响，主桥钢-混叠合梁中跨拟不设置临时支墩，采用无支架工法施工。

2 方案设计

钢-混凝土叠合梁的典型断面为钢梁在下混凝土桥面板在上，两者通过剪力钉连接。由于钢梁部分主要在截面中性轴以下，混凝土桥面板在截面中心轴以上，故当截面在承受正弯矩内力时（如荷载作用下的简支梁中跨跨中和连续梁中跨跨中），下缘钢材受拉、上缘混凝土受压，这样充分发挥了两种材料的性能；但当截面在承受负弯矩内力时（如荷载作用下的连续梁中支点），上缘的桥面板承受较大的拉应力，同时考虑收缩徐变和温度的作用，此处混凝土桥面板极易开裂，影响桥梁结构安全和耐久性。在实际工程中，为了使连续梁中支点上缘桥面板满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）抗裂要求，通常需要在此处设置大量顶板负弯矩钢束。

以京密引水渠桥为例，常规叠合梁断面如图2所示。

为降低桥面板的厚度减轻自重，分离式钢箱单箱宽度取1.8m，两箱横向间距1.3m，桥面板悬臂1.075m。

常规钢-混叠合梁的施工方式为：搭设临时支架→架设钢梁制作段并连接成整体→浇筑桥面板混凝土→桥面板混凝土达到设计强度后张拉体外预应力、桥面板钢束→拆除支架，施工桥面附属。

当连续梁跨径较大且梁高受限时，采用该方案施工，中支点负弯矩内力较大，桥面板需要配置较多负弯矩预应力短束，以满足抗裂要求，而大量短束锚固会在桥面板内产生较大的拉应力，为了抵消此拉应力又需要设置通长顶板束，这样既增加造价又提高了施工难度。本文提出以下几种成桥施工方案，通过比较关键点处的计算指标，探索较优方案。

为避免预应力钢束布置对计算结果的影响，在荷载相同，不张拉预应力的前提下，比较各施工方案中墩墩顶、中跨跨中几个关键点处混凝土桥面板和钢梁的应力及主梁中跨跨中挠度值。

本文采用桥梁博士V3.6有限元程序建立平面杆系模型进行施工阶段计算，主梁和墩柱采用梁单元模拟，中墩采用固定支座，边墩采用板式橡胶支座，墩底固结。模型计算参数如下：

（1）一期恒载包括主梁材料重，预应力混凝土容重取26kN/m3；

（2）二期恒载包括钢梁横向加劲肋、桥面铺装、防撞护栏等；

（3）钢梁横向加劲肋：荷载4kN/m；

（4）钢模板、横向联系：荷载2kN/m；

（5）桥面铺装：沥青混凝土铺装厚11cm，容重25kN/m3；

（6）钢筋混凝土铺装厚：10cm，容重25kN/m3；

（7）防撞护栏：单侧荷载9kN/m；

（8）收缩徐变时间取10年，即3600天；

（9）汽车荷载等级：城市A级；

（10）横向偏载增大系数：1.20；

（11）车道折减系数：按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）要求取值；

（12）冲击系数：程序自动计算；

（14）局部温差：按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中第4.3.10条计算；

（15）各基础不均匀沉降均按5mm计算，程序自动按最不利进行组合。

各方案施工顺序及计算结果见第3节。

3 成桥方案对比

常规方案一（以下简称方案一）步骤如图3所示，具体施工顺序如下：

图3 方案一步骤Fig.3 The steps of the first plan

（1）架设临时支墩，架设边跨钢梁，施工边跨钢梁横向联系，见图3a；

（2）架设中跨钢梁，钢梁纵向连接成整体，施工中跨钢梁横向联系，见图3b；

（3）施工支点横梁，桥面板钢模板，见图3c；

（4）浇筑全桥桥面板，见图3d；

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（5）桥面板混凝土达到强度参与结构受力，拆除临时支架，见图3e；

（6）进行桥面铺装等附属结构施工，见图3e。

方案一计算结果见表1，表中成桥状态为不配置预应力，短效组合为配置相同预应力，其余表相同。

表1 方案一计算结果Tab.1 The Result of the first plan

常规方案二（以下简称方案二）步骤如图4所示，具体施工顺序如下：

（1）架设临时支墩，架设边跨钢梁，进行边跨钢梁横向联系，见图4a；

（2）吊装中跨钢梁，与边跨钢梁连接成整体，进行中跨钢梁横向联系，见图4b；

（3）施工支点横梁以及桥面板钢模板，见图4c；

（4）拆除所有临时支架，见图4c；

（5）浇筑全桥桥面板，见图4d；

（6）桥面板混凝土达到强度参与结构受力，见图4d；

（7）进行桥面铺装等附属结构施工，见图4d。

方案二计算结果见表2。

表2 方案二计算结果Tab.2 The Result of the second plan

图4 方案二步骤Fig.4 The steps of the second plan

由表1、表2可知，方案二较方案一中墩墩顶桥面板拉应力降低近40%，这样能节约大量中墩墩顶桥面板短束。但由于短束锚固、混凝土收缩和温度梯度的共同作用，使得短效组合中跨跨中桥面板混凝土上缘产生较大的拉应力（约-4.8MPa），要满足规范B类预应力构件抗裂要求，仍需配置一定量的负弯矩短束［3］。经桥梁博士V3.6有限元程序计算，需要在中墩墩顶桥面板配置24根15-10预应力钢束，此时中墩墩顶桥面板拉应力为-1.37MPa。

如要消除这部分拉应力，目前常规做法是增加桥面板通长钢束，但这样会导致预应力钢束用量大幅提高。为了解决这一问题，我们研究提出了一种成桥新方案，即中跨采用吊装叠合梁，桥面板为部分预制加现浇湿接缝的形式，利用先期叠合梁自重产生的桥面板压应力来抵消这部分拉应力。具体断面如图5所示。

图5 成桥新方案中跨采用预制桥面板断面Fig.5 The steel-concrete beam with Prefabricated bridge deck diagram

成桥新方案（以下简称新方案）步骤如图6所示，具体施工顺序如下：

（1）架设临时支墩，架设边跨钢梁，进行边跨钢梁横向联系，见图6a；

（2）施工支点横梁、桥面板钢模板，见图6b；

（3）吊装中跨叠合梁（采用无支架工法），钢梁连接成整体，进行中跨钢梁横向联系，见图6c；

（4）拆除所有边跨临时支架，见图6d；

（5）浇筑剩余边跨桥面板、中墩墩顶负弯矩区桥面板，见图6d；

（6）桥面板混凝土达到强度参与结构受力，见图6d；

（7）进行桥面铺装等附属结构施工，见图6d。

新方案计算结果见表3。

表3 新方案计算结果Tab.3 The result of new plan

图6 新方案步骤Fig.6 The steps of new plan

由表3可知，在不配置预应力的情况下，成桥时新方案中跨跨中桥面板上缘产生3.35MPa的压应力，该压应力能有效抵消桥面板由于短束锚固、混凝土收缩和温度梯度产生的拉应力，且新方案为叠合梁吊装，故中跨跨中挠度也较方案二显著降低，同时新方案取消了中跨临时支架，既方便施工，又避免了施工临时支架对京密引水渠的污染。

经计算当新方案配置与方案二同样的钢束时，短效组合中墩墩顶桥面板拉应力相对于方案二降低了0.06MPa，中跨跨中上缘桥面板拉应力显著降低了4.2MPa，节省了桥面板通长钢束的设置，既节约造价又方便施工。

新方案第（3）步吊装中跨叠合梁，目的是在中跨跨中上缘桥面板产生一定的压应力储备，抵消桥面板由于短束锚固、混凝土收缩和温度梯度产生的拉应力。实际上如果条件允许，要达到此目的还可以采取在中跨跨中设置临时支墩再浇筑中跨跨中桥面板，然后拆除中跨跨中临时支架的方法。新方案的等效方案步骤如图7所示，具体施工顺序如下：

（1）在边跨及中跨跨中设置临时支墩，架设边跨钢梁，进行边跨钢梁横向联系，见图7a；

（2）施工支点横梁、桥面板钢模板，见图7b；

（3）吊装中跨钢梁（采用无支架工法），钢梁连接成整体，进行中跨钢梁横向联系，见图7b；

（5）浇筑中跨跨中部分桥面板，见图7c；

（6）中跨跨中桥面板混凝土达到强度参与结构受力，见图7c；

（7）拆除临时支墩，见图7d；

（8）浇筑剩余部分桥面板混凝土，见图7d；

（9）进行桥面铺装等附属结构施工，见图7d。

图7 新方案的等效方案Fig.7 The steps of another new plan

4 截面优化

根据4个方案比较可知，新方案不需要搭设中墩临时支架，且新方案中跨跨中上缘桥面板有一定的压应力储备，不需要设置通长钢束，既节省造价又方便施工。但4个方案有一个共同特点，即成桥状态时，中跨跨中下缘钢梁的拉应力不足70MPa，钢材的受拉性能没有充分发挥，故有必要研究是否可以取消跨中钢箱底板。

因此提出钢-混叠和梁截面优化方案，即将跨中部分箱形断面改为工字形断面，优化后的断面见图8。

按优化后的断面，利用桥梁博士V3.6有限元程序建立模型，按新方案施工顺序进行纵向整体计算。计算结果见表4。

表4 截面优化方案计算结果Tab.4 The result of plan with optimized section

在不配置预应力的情况下，成桥时截面优化方案较新方案中跨跨中钢梁下缘拉应力增大26MPa，挠度稍微增大12mm。当与新方案配置同样钢束时，截面优化方案相对于新方案短效组合中墩墩顶桥面板拉应力又降低了0.54MPa，中跨跨中上缘桥面板拉应力显著降低了0.4MPa。

图8 中跨跨中断面（隔板处）Fig.8 The cross section at middle span

截面优化方案由于将箱形断面改为工字形断面，取消了钢箱底板，材料用量大幅降低，且便于钢梁的后期维护［4］。

5 综合对比

综合各方案计算结果见表5。

表5 各方案对比结果Tab.5 The results of different plans

由表5可知截面优化方案应力情况最好，且其材料用量指标也较低，新方案与截面优化方案的主要材料用量指标对比见表6。

表6 材料用量指标Tab.6 The material consumption index of different plans

6 结语

钢-混叠合梁的成桥状态与施工方案息息相关，合理的施工方案既方便了施工，又能充分发挥材料性能。本文通过对以上三种施工方案的整体数据对比可以得出如下结论：①先吊装中跨叠合梁（或在中跨跨中设置临时支墩，浇筑中跨跨中桥面板）→②拆除临时支架→③最后浇筑中支点桥面板，该施工方案能够有效降低桥面板的成桥拉应力。吊装中跨叠合梁（或在中跨跨中设置临时支墩）能够在中跨跨中储备一定的压应力，抵消桥面板由于短束锚固、混凝土收缩和温度梯度产生的拉应力，避免设置通长预应力钢束，既节省材料又方便施工。先浇筑中跨跨中桥面板，然后拆除临时支架再浇筑中支点桥面板，能够有效降低中墩墩顶桥面板负弯矩产生的拉应力，从而减少负弯矩钢束用量。而采用工字型钢梁截面可以充分发挥钢材受拉的性能，减少钢材用量，降低后期维护难度。希望该工程实践能够给类似工程设计提供借鉴。

致谢

本文在撰写过程中得到了院专业副总工何维利教授、室主任徐德标教授的无私指导，在此表示衷心的感谢。