钢-混连续叠合梁中墩负弯矩处理方法研究

马宇平

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司）

0 概述

钢-混组合梁是将钢材和钢筋混凝土板以抗剪力连接件连接起来形成整体而共同工作的受弯构件，它能较大程度地发挥钢材抗拉和混凝土抗压的材料性能[1]。具有结构高度小、刚度大、抗震性能好、噪声小、经济效益好等优点。从上个世纪70 年代开始，在我国得到快速发展和广泛应用。随着桥梁向轻型化和大跨度方向的发展，钢混组合梁也由简支结构向多跨连续结构发展[2]。连续组合梁较简支组合梁具有结构跨度大、截面高度低、经济效益好等优点。但其支点负弯矩导致钢梁受压、混凝土受拉的不利情况。为了抵抗负弯矩产生的拉应力，常用的措施有预加荷载法、调整支点标高法、预应力法、限制混凝土裂缝宽度方法或部分结合梁方法[1]。

1 负弯矩区处理方法

1.1 预加荷载法

钢梁施工完毕后，首先在正弯矩区段浇筑混凝土和施加一定的临时荷载，使支点附近钢梁负弯矩段产生足够的预应力，然后在预应力状态下浇筑负弯矩段混凝土，待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，支点附近产生一个反向的正弯矩，使得结合梁混凝土板产生一定的压应力[1]。

预加荷载法必须将临时的静荷载加在桥面板上，并需要实时监控压重状况，造成施工不便，工作量大，此法在施工中已经很少采用[3]。

1.2 调整支点标高法

在钢梁架设后，将中间支点抬高，接着浇注混凝土桥面板，待其硬化后，下降中间支点至设计高度[1]。

调整支点标高法因施工方便、效果明显，在施工中被大量应用。

1.3 张拉预应力钢束

在中间支点负弯矩区的混凝土桥面板中设置预应力钢束，待钢束张拉后再将钢梁与混凝土桥面板组合。钢梁上翼缘采用焊钉群钉构造，并在混凝土预制板相应位置处留有预留孔或后浇接缝，待预制板安装后，在预留孔或后浇接缝处灌注高强砂浆使钢梁与混凝土预制板组合[3]。

该法可以有效地对负弯矩区混凝土桥面板施加预应力，但施工工序较为复杂。

1.4 配筋限制混凝土裂缝宽度法

在负弯矩区混凝土板中配置足够的钢筋可以将混凝土板的裂缝宽度限制在容许值以内。

1.5 部分结合梁方法

在支点附近负弯矩区段不设置剪力连接件，做成部分结合梁法。该法可以减小裂缝，但需增加钢梁截面，且在不设剪力连接件的交界处内力变化很大，为克服这个弱点，可使桥面板的纵向钢筋连续通过，并适当加强，也可在钢梁上焊接适当的锚固钢筋，起到弹性剪力连接件的作用，达到过渡的效果[1]。

在工程实践中，往往根据项目的具体情况，采用一种或多种方法为负弯矩区混凝土桥面板施加预压应力，以达到控制裂缝宽度、防止钢梁失稳的作用[2]。

2 工程实例

2.1 工程概况

佛山市某跨江大桥引桥上部结构为P.C. 小箱梁+钢混组合梁+连续箱梁+连续刚构。其中钢-混组合梁桥跨径为50+75+55m，采用双主梁结构，单幅桥面宽17.5m。

组合梁边支点处梁高为2.5m，中支点处3.5m，变高段位2.5～3.5m，采用二次抛物线变化。

单幅桥设2 道槽型梁，主梁间距为4.5m。钢主梁腹板采用中心对齐，顶底板采用下缘对齐。边支点钢主梁等高段梁高为2.12m，中支点为3.12m，采用二次抛物线变化。桥面板厚280mm，梗腋处加厚至380mm。钢主梁顶板宽600～1200mm。底板宽4.8m，底板设I 型纵向加劲肋。

边支点处主梁箱间设置端横梁，箱内设置端横隔板，端横梁与端横隔均为工字型断面。中支点处设置中横梁，箱内设置中隔板。组合梁总体布置如图1、图2 所示。

图1 立面布置图/mm

图2 单幅桥梁断面图/mm

2.2 设计要点

桥面板按B 类预应力混凝土构件进行设计。为了改善结构的受力及使用性能，采取先张拉预应力钢束、后浇筑负弯矩区桥面板剪力焊钉群钉预留孔和先顶升、后浇筑负弯矩区桥面板混凝土两种方法对桥面板施加预压应力。

⑴方法一：张拉预应力钢束+配筋

①负弯矩区混凝土板布置顶底两层φ22@100 HRB400 纵向钢筋，使桥面板的裂缝宽度满足规范要求。

②负弯矩区混凝土每根主梁的桥面板内配置12 束φ15.2-5 的预应力钢束，提高负弯矩区混凝土桥面板的压应力储备。

③预制桥面板施工采用先浇筑跨中、后支点的施工顺序，减小桥面板恒载在支点处的拉应力。

④钢梁与负弯矩桥面板采用后结合的施工方法以提高预应力钢束的有效利用率。钢梁上翼缘布置群钉，浇筑混凝土时预留剪力钉槽口，张拉预应力后再浇筑剪力钉槽口，使混凝土板与钢梁共同受力。

⑵方法二：调整支点标高法+配筋

①负弯矩区混凝土板布置顶底两层φ22@100 HRB400 纵向钢筋，使桥面板的裂缝宽度满足规范要求。

②先浇筑两边跨正弯矩区和中跨正弯矩区桥面板混凝土，待其硬化后将中墩支点处梁体顶升400mm，再浇筑中间墩顶负弯矩桥面板混凝土，养生至设计强度后将中墩支点处梁体回落400mm。该法有效地对中墩桥面板混凝土施加预压应力，提高墩顶桥面板压应力储备，改善桥面板受力性能。

2.3 建模计算

采用有限元软件Midas 建立梁格模型。变高段截面按照二次抛物线变化。结构按荷载组合梁分阶段受力，即钢梁承担一期恒载，组合梁承担二期恒载与活载。在支座位置的横梁节点处设置约束。全桥在一中支点桥墩处设置纵向约束，在每个墩的一侧支座设置横向约束。

图3 空间有限元模型

根据《钢- 混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917-2013）第4.2.3 条的规定，当钢-混凝土组合梁进行钢梁应力计算时，作用的效应组合应采用现行业标准《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)的基本组合；当进行抗裂计算时，作用的效应组合应采用频遇组合。

基本组合下，钢梁应力如图4、图5 所示。方法一工况下上翼缘最大拉应力122MPa，最大压应力195MPa；下翼缘最大拉应力127MPa，最大压应力155MPa；上下翼缘应力均不超过强度设计值270MPa。方法二工况下上翼缘最大拉应力150MPa，最大压应力174MPa；下翼缘最大拉应力153MPa，最大压应力1335MPa；钢主梁应力均满足要求。

频遇组合下，桥面板纵向应力如图6 所示。方法一工况下中墩桥面板砼最大拉应力为5.2MPa；方法二工况下中墩桥面板砼最大拉应力为6.2MPa。

图4 方法一工况下钢梁正应力图

图5 方法二工况下钢梁正应力图

表1 方法一工况下钢梁正应力结果

表2 方法二工况下钢梁正应力结果

图6 频遇组合下桥面板砼应力

表3 方法一工况下桥面板抗裂结果

假设受拉区混凝土完全开裂，退出工作，桥面板内力完全由钢筋承担。对于本桥，组合梁混凝土桥面板与钢主梁结合之前的结构内力，均由钢主梁承担，故钢筋只承担截面结合后的新增桥面板内力。根据《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》（JTG∕T D64-01-2015），由作用（或荷载）频遇组合效应引起的开裂截面纵向受拉钢筋的应力σss应满足下列要求：

表4 方法二工况下桥面板抗裂结果

钢筋混凝土板应按式⑴计算：

式⑴中，

Ms——形成组合作用之后，按作用（或荷载）频遇组合效应计算的组合梁截面弯矩值；

Icr——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——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。

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，由上式计算得到组合梁混凝土板纵向钢筋平均应力，代替混凝土轴心受拉构件钢筋应力值，按钢筋混凝土轴心受拉构件计算负弯矩区组合梁混凝土板最大裂缝宽度。

由上述图表得知：方法一和方法二工况下钢梁上下缘应力、桥面板混凝土裂缝均满足规范要求，且可通过调节钢束根数和支点升降值使两者应力接近。

3 结论

通过对多种钢-混连续叠合梁负弯矩处理方法的介绍，结合工程实例，可以得出以下结论：

⑴张拉预应力钢束和调整支点标高均能有效地对桥面板施加预压应力，减小桥面板混凝土拉应力。

⑵按B 类预应力混凝土构件进行设计的桥面板，在负弯矩区混凝土板中配置适当的钢筋可以将混凝土板的裂缝宽度限制在容许值以内。

⑶考虑施工简便，调整支点标高法较张拉预应力钢束更广泛运用于工程实例中。

⑷当单独采用调整支点标高法不能满足要求时，可同时采用调整支点标高法加张拉预应力钢束或其他方法来处理。