连续钢板梁负弯矩区抗裂处理措施优化研究

郭俊峰

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司， 湖北 武汉 430023）

0 引言

市政桥梁高架项目中，采用等跨径的桥梁比例高，依据相关研究资料，对于中等跨径桥梁，钢混组合结构能充分发挥两种材料的优势，具有更好的经济性。

钢板梁适用范围为跨径35～130m，经济性范围为跨径40～90m，是现代城市高架桥梁推广的主要桥型之一，但在实际实施过程中，负弯矩区开裂一直是这类桥型的难点。连续梁负弯矩区钢板梁的混凝土部分桥面板承受拉力，工字型钢梁下翼缘承受压力，结构受力非常不利。在重荷载作用下，极易导致负弯矩区混凝土桥面板出现严重裂缝，对结构造成极大危害[1-2]。因此，在钢板梁桥型中负弯矩区均采用了必要的抗裂措施[3-4]：。

1 钢板梁桥型中负弯矩区的抗裂措施

1.1 设置预应力钢束

优点：考虑布束空间限制及损失后，能使墩顶砼拉应力下降2.2MPa左右，施工起来较为容易。

缺点：由于负弯矩区砼拉应力大于6MPa，即使设置了预应力仍不能使结构达到预应力混凝土A类构件的要求，同时锚固处交接面应力突变也需处理，难以很好地解决开裂问题。

1.2 支座顶升

优点：在实际施工过程中，可以十分容易地控制顶升量，最大能使墩顶砼拉应力下降6.5MPa左右，应力储备效果较为明显。

缺点：顶升部位的钢梁需要特殊设计；采用的顶升设备在墩顶操作，属于高危作业，存在一定的施工安全隐患。

1.3 负弯矩区桥面板后浇筑

优点：所有的构造措施中的唯一减少恒载拉应力的措施。

缺点：墩顶砼拉应力减少幅度不到1MPa，施工顺序进行了调整，对规模较大的城市高架来说，对施工工期的耽误影响是巨大的。

1.4 施工阶段跨中水袋压重

优点：实施起来最为直接，成桥后对钢梁应力及挠度影响不大。

缺点：墩顶砼拉应力减少幅度不到1.6MPa，需要大吨位的配重；各跨桥梁压重不同，不利于城市高架快速化施工。

如上所述，目前对于任何一座上部结构采用钢板梁的工程，采用上述任何一种措施都无法较好地解决墩顶负弯矩区开裂的问题，都需要根据桥梁实际情况，综合以上措施才可以实现。对于该桥型在大规模城市高架桥的使用上受到限制。因此迫切需要提出一种施工快速、操作方便的抗裂措施。

2 工程概况

白沙洲大道主线高架桥由北向南依次跨越白沙四路、三环线、青菱河、白沙洲大市场出入口、丽水路及青菱湖北路。全线采用高架桥，桥梁标准段为双向6车道。高架桥全长约2.46km，全线采用连续钢板梁结构，共计22联。桥梁横向共采用11片预制小组合梁（见图1）。

图1 工程断面示意图

3 负弯矩区抗裂措施优化设计

3.1 新型负弯矩区抗裂方案

为解决问题，本文提出了一种新的负弯矩抗裂技术方案：即在连续钢板梁结构负弯矩区域顶部铺设一层100mm厚的超高性能混凝土（UHPC）（见图2）。其中超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，简称UHPC），是一种弹性模量较大，抗拉性能强的新型水泥基材料。

图2 负弯矩区域抗裂措施示意图

3.2 新型负弯矩区抗裂措施有限元分析

3.2.1 有限元模型建立

以白沙洲大道主线高架桥中跨径较大的连续钢板梁作为研究对象，选取受力复杂的负弯矩段进行受力分析。采用大型空间通用有限元ANSYS建立计算模型（见图3）。由于混凝土桥面板与主梁工字钢之间利用的是剪力钉进行连接，我们假设连续钢板梁断面变形一致，协同受力。在有限元模型中混凝土结构和剪力钉模拟采用空间SOLID65单元，其它结构均采用空间SHELL63壳单元、通过在实体单元中充分考虑配筋率进行模拟钢筋网[5]。

图3 新型负弯矩区域抗裂措有限元模型图

3.2.2 计算工况及计算结果分析

在有限元模型中通过调整桥面板结构组成，对负弯矩区抗裂措施对结构各项应力指标进行对比分析，具体见表1、图4。

图4 桥面板结构主拉应力趋势图

表1 应力指标对比数据

通过以上桥面板拉应力变化趋势：工况二负弯矩区域全断面UHPC方案效果最好，工况三次之，工况一最差。鉴于目前UHPC高性能混凝土价格昂贵，若全项目负弯矩区域全断面使用，会使工程造价增加，不是很合理。工况三用量较少，造价增加有限，对于大规模城市高架桥造价来说增加不大，再显著简化负弯矩抗裂构造措施，加速桥梁建设周期方面作用明显[6]。

该负弯矩区域抗裂措施能够满足连续钢板梁负弯矩区抗裂需求。目前白沙洲大道主线高架桥正在施工，通车运营后，其使用效果需具备足够的使用时间后方可进行评价。

4 结束语

本文对白沙洲大道主线高架桥连续钢板梁项目提出了一种新型的负弯矩区域抗裂技术方案，并讨论了通过调整桥面板结构组成后，负弯矩区结构应力指标，通过对比分析总结，得出传统负弯矩抗裂措施方案普遍存在构造措施复杂，施工进度较慢的缺陷。同时提出了一种新的负弯矩抗裂技术措施:即在连续钢板梁结构负弯矩区域顶部铺设一层100mm厚的超高性能混凝土（UHPC），并利用有限元模型得出本负弯矩抗裂技术方案理论上优于其它措施。