港珠澳大桥钢混组合梁设计与施工技术分析

吴泽生，黄宜龙 （港珠澳大桥管理局，广东 珠海 519015）

0 前言

组合梁是由钢梁和混凝土桥面板共同组成、共同参与结构受力的组合结构，其充分发挥了钢材抗拉能力强、混凝土抗压能力强这两种不同材料的物理特性，组合梁桥具有结构较轻、刚度较大和高跨比较小的特点，在工程上应用非常广泛。港珠澳大桥浅水区桥梁采用钢-混组合箱梁设计及施工，在钢-混结合面、连接方式、组合顺序等设计及施工方面，有着自身的特点。

1 概述

港珠澳大桥连接香港大屿山、澳门半岛和广东省珠海市，总长约55km，主体工程采用桥隧组合方案，其中浅水区组合梁桥长6.1km，深水区钢箱梁桥长15.9 km。组合梁主梁采用“U型钢梁+混凝土桥面板”的组合连续梁，钢箱梁采用Q345qD和Q345C钢材，混凝土桥面板采用C60混凝土。见图1。

1.1 钢主梁

钢主梁设计成倒梯形结构，顶面宽9.30m，底面宽6.70m，腹板斜置。钢主梁组成由腹板、底腹式板、上翼缘板、横隔板、横肋板及加劲肋。除支点横隔板外，其余横隔板均采用桁架式构造。为减小混凝土桥面板跨度，改善其受力性能，设一道小纵梁，支撑于横隔板，小纵梁采用工字型断面。翼缘板上布置焊钉剪力键与混凝土板相连。见图2。

图1 组合梁断面布置图

图2 主梁断面示意图

图3 混凝土桥面板布置图

1.2 混凝土桥面板

混凝土桥面板宽16.3m，悬臂长3.50m，横桥向跨中部分厚26cm，钢梁腹板顶处厚50cm，悬臂板端部厚22cm，其间均以梗肋过渡，桥面板纵桥向分块预制，横向整块预制，在钢梁腹板顶间断开孔，采用C60高强耐久海工混凝土；现浇湿接缝处采用C60微膨胀混凝土。见图3。

2 钢-混组合梁设计

2.1 组合梁结合面设计

钢主梁与混凝土桥面板结合面处理是设计的关键，不仅关系到桥面板与钢箱梁上翼缘是否能密贴，而且关系到箱梁内部是否实现密封。主要考虑的关键因素如下。

2.1.1 预制板制造尺寸的误差

在钢箱梁安装预制板时，预制板制造存在的尺寸误差将直接影响预制混凝土板与钢翼缘贴合面的平行性和预制板由两片或两片以上腹板的上翼缘支承时翼缘板间的相对标高。

2.1.2 上翼缘横坡的公差

对于工厂制作的箱梁，横坡倾角的精确性一般都控制得很好，1/100的装配精度很容易满足。在可能的最差情况下，钢上翼缘顶面与预制混凝土桥面板底面之间的平行性误差达1/50，即500mm宽的上翼缘，存在最多10mm的间隙。

为解决上述各项尺寸公差问题，本项目采用将可压缩防腐胶条粘贴在钢梁上翼缘板边缘顺桥向两侧的设计方案，两侧橡胶条之间浇注环氧砂浆。胶条附近砂浆的高度与胶条的初始高度相同，中部微隆起，形成上拱的弧面。然后将混凝土桥面吊装就位，在混凝土桥面自重作用下，橡胶条完全压实密封，环氧砂浆与上下接触面充分接触，实现粘结面密封。见图4。

图4 预制桥面板简图

图5 剪力钉布置示意图

2.2 组合连接方式设计

组合梁是通过剪力键连接件把钢梁与混凝土桥面板接合成一体承担外力的构件，为了确保两者之间不发生相对滑移，选用合理的剪力键形式是关键。常用的剪力键有型钢、圆柱形焊钉、PBL剪力键等，而圆柱头焊钉具有刚度适中，施工方便，维护方便的特点。因此，圆柱形头部用作剪力连接。

钢-混连接件的布置区域和间距等布置方式的不同，将对结合梁的结构应力将产生一定的影响，而且对混凝土桥面板的分块也有着影响。组合梁常常在钢梁顶板上翼缘均匀密布剪力钉，在钢梁顶板设置通长纵缝，混凝土桥面板通常在钢梁顶板处断开，横向分为多块，这样不利于保持桥面板的整体性、横向预应力钢筋以及普通钢筋的通长布置，也不利于简化桥面板的施工工序，降低混凝土现浇工作量，减小混凝土收缩徐变。为了实现桥面板的横向作为一个整体，本项目采用了一种新的剪力钉布置方式-集束式布置，这样桥面板横向无需分块，只需在有集束式剪力处开槽。见图5。

为了验证这种剪力钉布置方式组合梁的受力性能，通过有限元软件模拟了单跨组合箱梁分别采用这两种不同的剪力钉布置方式下的受力情况。

分析结果表明，在荷载作用下，虽然剪力钉采用集束式布置会使剪力钉的内力增大，桥面的局部应力略有改善。与均匀分布相比，组合梁的竖向垂直位移略微增加约0.5%，但剪力钉和桥面板的应力均在允许范围内，剪力钉的利用率高于均布式。故集束式剪力钉完全能够满足结构受力和使用的需要。

桥面板纵向应力图采用剪力钉集束式布置，可横向整体预制混凝土桥面板，具有以下优点。

①桥面板整体性好；

②横向采用全预应力体系，布置通长钢束，方便快捷；

③预应力管道压浆采用真空压浆工艺，日后养护中也可采用X光技术检查预应力钢绞线锈蚀状况；

④简化了桥面施工工艺，减少了混凝土现浇工作量，节约了桥面安装所需的施工支架；

⑤它为以后更换桥面提供了可能性和方便，是真正可修可换的。

本工程采用集束式钉群布置纵桥向，焊钉剪力键纵向间距126mm，横向间距125mm，横向布置2×9根；单个钉群纵向布置为4排；钉群中心线之间的纵向距离为1000mm。

2.3 负弯矩区混凝土板受力分析及设计

钢箱组合连续梁桥，跨中为正弯矩，混凝土板受压；中墩顶处为负弯矩，混凝土板受拉，由于混凝土为抗压能力强抗拉能力差的材料特性，所以墩顶负弯矩区混凝土板容易开裂，如若混凝土板裂缝宽度过大，这不仅影响混凝土板内钢筋的耐久性，还影响与之结合的钢梁耐久性，以及结构刚度和内力分布。

目前国内较大规模的组合连续梁桥，有郑州黄河公铁两用桥、芜湖公铁两用桥、武汉二七路长江大桥、上海长江大桥等，这些桥在设计时对负弯矩区混凝土桥面板的受力性能都进行了认真研究，并采取了一定措施。处理组合梁中混凝土的开裂有两类方法可以采用：一是预防开裂，二是容许裂缝出现但限制其宽度。解决负弯矩区混凝土板开裂问题的方法有施加纵向预应力法、钢梁支点升降法、压重法、纵向普通钢筋高配筋率法等。

2.3.1 影响负弯矩区混凝土板受力状态的因素

本项目组合梁跨度较大，活载比公路I级活载大25%，而且身处海洋环境，设计寿命为120年，对结构耐久性提出了更高的要求，故设计中虽可借鉴以往组合梁桥设计中的一些经验，但由于本桥的特殊性，所以对负弯矩区混凝土板的受力状态的控制，提出了更高的要求。经对影响负弯矩区混凝土板受力状态的综合研究分析，主要结论如下。

①主梁刚度。主梁梁高越小，则主梁刚度迅速降低，墩顶区混凝土板的拉应力则越大。混凝土板及钢板厚度对主梁刚度有一定影响，通过增加墩顶区混凝土或钢板厚度可使主梁刚度增加，从而适当降低混凝土板的拉应力，但幅度有限。

②施工方案。组合梁施工方法的不同，影响着钢梁与混凝土板之间内力的分配，采用整孔吊装先简支后连续的施工方法，跨中部分混凝土板与钢梁先结合并一同吊装，墩顶负弯矩区混凝土板先不与钢梁结合，钢梁简支变连续完成后，混凝土板再与之结合，这样墩顶处混凝土板只承受二期恒载和活载，负弯矩减小，墩顶负弯矩区混凝土板拉应力可大大减低，相对一次成桥可降低约10MPa。

③纵向配筋。为减小墩顶负弯矩区混凝土桥面板的裂缝宽度，可在满足结构构造空间的前提下提高纵向钢筋的配筋率，从而在一定程度上改善混凝土桥面板的受力性能。但此方法适用于拉应力水平较低的情况下。

④张拉纵向预应力。减小墩顶负弯矩区混凝土桥面板的拉应力，可在混凝土板张拉纵向预应力，但是纵向预应力的根数一方面受混凝土板构造空间的限制，另一方面，纵向预应力有一部分传给了钢梁，效果受到一定限制，常常需要配置的数量较多。

⑤顶升支点。为了减少墩顶负弯矩区混凝土板的拉应力，在墩顶段混凝土现浇缝浇注之前（即墩顶混凝土未与钢梁结合，参与受力之前），对支点处的钢梁进行顶升操作，支点顶升到设定高度之后浇注墩顶混凝土现浇缝，待墩顶混凝土与钢梁结合，参与受力之后，将支点回落，通过这样的施工顺序，在墩顶区域的混凝土桥面板内预先储存了一定的压应力，从而改善了混凝土桥面板在后续施工阶段和成桥使用阶段的受力状态。通过计算分析，采用顶升支点的方法，效果明显，混凝土的拉应力可大大降低，同时，不用额外增加钢梁的材料用量，经济效果佳。

2.3.2 保证负弯矩区混凝土板的受力性能和耐久性的措施

港珠澳大桥需满足120年设计寿命的要求，综合以上分析，设计中为保证负弯矩区混凝土板的受力性能和耐久性，采取了一如下措施。

①针对负弯矩区桥面受力特性，参考国内外同类桥梁的设计经验和相关规范，负弯矩区域的桥面设计为钢筋混凝土构件，允许负弯矩桥面开裂，但为保证结构耐久性和承载力，严格控制裂缝宽度δ≤0.15mm；

②采用适量的纵向预应力钢梁，使桥面板在主荷载组合下不产生拉应力，尽可能改善桥面板受力状况，使桥面拉拔而不开裂；

③在负弯矩区域中通过顶升支座这一措施，将预应力载荷施加到组合梁桥面板上，大大降低混凝土板拉应力；

④负弯矩区混凝土板采用掺合物混凝土，从而提高混凝土的抗拉能力；

⑤桥面板预留预应力孔道，为后期调整主梁内力提供可实施条件。见图6。

图6 负弯矩区预制桥面板简图

3 钢-混组合梁施工技术

3.1 组合顺序及体系转换方法

桥面板与钢梁结合分两次进行，在拼装场地内采用门吊先铺设中间段桥面板。桥面板铺设完成后进行湿接缝的施工，完成桥面板与钢梁首次结合。墩顶负弯矩区段24.4m范围内桥面板（共6片），随同钢梁吊运到桥址，主梁架设到位并完成钢梁连接后，实现桥面板与钢梁第二次结合，完成一联的组合梁体系转换。

本工程中采用较为特殊墩顶顶落梁工艺，即在连续梁墩顶部用千斤顶进行支点顶升作业，目的是给支点墩顶处桥面板施加预应力，从而改善梁体结构的应力状态。也就是说，在完成组合梁一联架设，调梁和墩顶接头的焊接后，先在中间墩墩顶起组合梁，后依次浇筑预留结合孔处混凝土及桥面板横向湿接缝，其中离墩顶各约12m左右处横桥向湿接缝暂不浇筑，直至混凝土达到设计强度后，开始张拉纵向预应力，然后浇筑离墩顶各约12左右m处横向湿接缝，直至混凝土达到规定强度和相关要求后，张拉墩顶范围内桥面板剩余横向预应力，最后回落组合梁于永久支座上。重复以上步骤完成其它中间墩墩顶桥面板施工，最后浇注剩余的板侧后浇带。

由于在顶梁过程中组合梁尚未与墩顶部的桥面板相结合，在落梁过程中组合梁桥与面板已经结合，因此顶升量和下降量在每个墩顶的数量是不同的。组合梁架设安装时，梁的底部标高不能一步到位，应留有一定的富裕程度。组合梁架设安装时，搁梁标高应低于成桥标高。因此，需要实施顶落梁作业的墩支座在墩支座处的预留高差为负值，临时支座标高低于成桥标高。

3.2 组合施工工艺

①桥面板与钢主梁组合分组合场地内组合与桥位处组合两阶段进行。在组合场地内采用门吊先铺设中间段桥面板，进行湿接缝的施工，完成钢主梁与混凝土桥面板第一次组合，中间墩两侧各12米范围内桥面板暂时不组合，留待桥上施工。本工艺仅指组合梁组合场地内组合。

②主要施工步骤：运输钢主梁至组合台座，就位→调整钢主梁预拱度→桥面板存放6个月后，由平板车运输至组合梁组合区→钢主梁上翼缘安装橡胶条、涂抹环氧砂浆→由龙门吊配合安装桥面板到槽型钢主梁上→绑扎湿接缝钢筋、安装预埋件→安装湿接缝模板→浇筑剪力钉群预留槽、湿接缝混凝土→组合梁横移至存梁台座→湿接缝横向预应力张拉→侧向后浇段钢筋、模板及混凝土施工。

3.3 组合施工方法

3.3.1 钢梁就位、预供度调整

钢主梁在拼装车间内完成拼装、检测、喷涂等作业工序后，由运梁台车转运至组合台座，精准对位后，将主梁落于活动垫块上。见图7，8。

钢主梁在组合台座上由四断面八点支撑，其间距布置为24m+20m+24m。钢主梁就位后，按监控指令调整预拱度。施加预拱度前，注意确定每孔梁的方向。预拱度通过起顶台座4台1000t竖向千斤顶进行调整，线形满足要求后，抄垫8个支撑点。见图9。

3.3.2 桥面板与钢主梁组合

①橡胶条粘贴。橡胶条分为两种：一种断面尺寸为55mm×35mm，顺桥向通长布置；一种断面尺寸为30mm×20mm，用于环氧砂浆填充区横向封堵。采用环氧树脂胶粘贴于钢梁顶面。粘贴时，橡胶条两端头带线进行校核，以保证线型顺直。见图10。

图7 钢主梁就位示意图

图8 钢主梁组合支点现场布置

图9 钢主梁起顶施加预拱度示意图

图10 钢主梁橡胶条现场布置图

②环氧砂浆涂抹。环氧砂浆采用JN建筑结构胶（改性环氧树脂类），仅涂抹桥面板底面与钢梁顶面结合部位，涂抹厚度与通长橡胶条初始厚度相同。见图11。

图11 钢主梁橡胶条现场布置图

图12 组合梁安装完毕效果图

③桥面板安装。使用龙门吊机和专用吊具按设计要求自梁段中间两支点处分别向两边对称安装桥面板，在板自重作用下，通长橡胶条与建筑结构胶压缩至20mm，多余的建筑结构胶从顺桥向缝隙中溢出。安装过程中重点关注混凝土结合面处理、环氧砂浆饱满度、橡胶条粘贴质量。见图12。

④湿接缝及侧向后浇段施工。湿接缝及后浇段均采用环氧钢筋，模板采用吊模结构系统。现浇湿接缝混凝土采用C60微膨胀混凝土（含增韧剂）；侧向后浇段及防撞护栏底座采用C60海工耐久混凝土。

4 结语

①钢主梁与混凝土桥面板结合面处理是设计的关键，采用将可压缩的防腐橡胶条粘贴钢梁上翼缘板两侧边缘顺桥向，两侧橡胶条之间浇注环氧砂浆的设计方案，可有效解决因预制板制造尺寸误差、上翼缘横坡公差造成的桥面板与钢箱梁上翼缘密贴问题。

②选择桥面板横向整体预制，钢主梁宜匹配布置集束式剪力钉，剪力钉利用率高，能够满足结构受力和使用的需要。

③负弯矩区混凝土板的受力性能和耐久性能，可采取施加纵向预应力钢束、顶升施加预压力、混凝土板采用掺合物等综合措施，改善负弯矩区的受力状况。

④混凝土结合面处理、环氧砂浆饱满度、橡胶条粘贴质量是施工控制的关键。