桥梁钢-混组合梁方案优化分析

楼朝伟 郑华凯

（1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050；2.江苏省交通工程建设局，江苏 南京 210004）

一、引言

钢-混凝土组合梁具有工厂化生产、预制化架设、快速化施工、不中断交通等突出优点，在桥梁、大跨度房屋和建筑工程中应用广泛[1]。钢-混凝土组合梁将钢梁与混凝土桥面板通过抗剪连接件连接成整体，最大程度地发挥顶板混凝土受压、底板钢结构受拉的受力性能，在承受正弯矩时可以发挥最大受力优势[2]。但钢-混凝土组合梁支点负弯矩区顶板承受弯拉荷载，加之混凝土收缩徐变、温度作用下钢材与混凝土变形不协调，混凝土桥面板承受较大拉应力，导致桥面板开裂。如何恰当地处理中支点负弯矩是钢-混凝土组合梁设计的关键。本文以某长江大桥引桥4×50m组合梁优化设计为例，探讨钢-混组合梁裂缝控制相关措施。

钢-混凝土组合梁中支点区桥面板是典型的拉弯构件，负弯矩区的混凝土桥面板会因拉应力超限退出工作，成为带裂缝构件。裂缝较大时有害介质会通过裂缝渗入到箱内，影响结构耐久性，增加后期维护难度。为提高结构耐久性，避免水汽进入钢箱内部，应控制裂缝扩展，目前常用措施主要有结构措施、材料措施和防水措施。

二、结构措施

结构措施是钢-混凝土组合梁桥面板裂缝控制的重要方法，可细分为：配筋控制裂缝宽度；优化施工工序降低中支点负弯矩，降低桥面板收缩徐变的影响，如采用预制拼装技术、跨中预加荷载法和支点顶落梁法；桥面板采用预应力结构体系。

（一）配筋控制裂缝宽度

某长江大桥为双线六车道高速公路，左右分幅布置，单幅桥宽16.3m，高墩区引桥采用50m连续组合梁，梁高2.66 m，单幅桥横向由三片主梁构成，横向间距5.7m。主梁为钢箱组合梁，顶板采用C50混凝土结构，板厚25cm～26cm，腹板、底板采用Q345qD钢板，腹板厚14mm～16mm，底板厚28mm～44mm，加劲肋均为板式。组合梁标准横断面如图1所示。

图1 中小跨钢-混组合梁横断面（单位：mm）

裂缝宽度与配筋率呈负线性相关，配筋率越高，裂缝宽度约小。增加桥面板配筋率、采用直径较小的螺纹钢筋可降低桥面板应力，控制裂缝宽度及分布[3-4]。为降低桥面板渗漏风险，该工程桥面板裂缝宽度按0.15mm限值控制。组合梁桥面板厚25cm～26cm，纵桥向设置Φ22@100mm钢筋，横桥向Φ16@100mm钢筋。中支点位置桥面板最大拉力4224.5kN，最大弯矩83.3kN·m，裂缝宽度0.125mm；跨中最大拉力958.1kN，弯矩98.8kN·m，裂缝宽度0.053mm。采用相对严苛的裂缝设计标准，可大幅提高桥面板防渗性能，提高组合梁结构耐久性。

采用0.15mm裂缝控制标准与规范0.2mm裂缝控制标准相比，桥面板配筋率增加约30%，钢-混组合梁上部结构费用增加约2.4%，全桥费用增加约1.39%。采用更高的裂缝控制标准虽然增加了少量造价，但提高了结构耐久性，减少了后期维护费用。该工程北引桥施工图预算对比如表1所示。

表1 北引桥钢-混组合梁预算对比表

（二）预制桥面板降低收缩徐变效应

以4×50m钢-混组合梁为例，混凝土收缩徐变将对支点处桥面板产生3.74MPa的拉应力。桥面板采用预制拼装方案可大幅降低混凝土收缩徐变产生的拉应力。除支点附近桥面板采用现浇外，其余桥面板均采用预制拼装方案，预制桥面板存放龄期按不小于180天控制。有限元对比分析表明，跨中桥面板采用预制拼装方案，收缩徐变引起的支点桥面板拉应力降低近30%，支点附近桥面板待跨中桥面板施工完成后现浇施工，保证连接质量。

（三）跨中预加荷载法

预加荷载法利用跨中桥面板自重及压重对中支点钢梁施加预压力，消除了跨中桥面板对中支点的负弯矩效应，压重荷载的卸载将在支点产生正弯矩，使支点桥面板产生一定的压应力，类似在桥面板上施加了预应力，可大幅降低裂缝宽度[5]。

钢梁施工完成后，先架设跨中正弯矩区桥面板（根据需要可增加压重），然后施工中支点负弯矩区桥面板，中支点桥面板混凝土达到设计强度后，除去临时预加荷载，施工步骤如图2所示。

图2 预加荷载法施工步骤图

（四）中支点顶落梁法

中支点落梁法，即采用中间支点升降的方法，在组合梁混凝土桥面板内预施压应力[6]。以某长江大桥4×50m钢-混组合梁为例，施工步骤为：顶升中墩钢梁20cm→施工中墩上方桥面板→回落中墩钢梁至设计标高→顶升次边墩钢梁10cm→施工次边墩上方桥面板→回落次边墩钢梁至设计标高，施工步骤如图3所示。

图3 支点顶落梁法施工步骤图

由计算结果可知，未采用支点顶落梁工艺支点负弯矩区桥面板上缘最大拉应力7.06MPa，下缘最大拉应力3.285MPa，混凝土板上下缘应力包络图如图4所示；采取顶落梁工艺后桥面板上缘最大拉应力降低至3.815MPa，下缘最大拉应力降低至0.95MPa，降幅46%，混凝土板上下缘应力包络图如图5所示。

图4 未采取顶落梁工艺混凝土板上下缘应力

图5 中支点采用顶落梁工艺后混凝土板上下缘应力

（五）预应力筋法

预应力筋法是在连续组合梁负弯矩区混凝土板内配置预应力筋，控制混凝土桥面板拉应力，提高组合梁桥耐久性。以50m钢-混组合梁为例，需要增加25束7-7Φ5钢绞线，每平米桥面板需增加预应力筋约7.5kg，该工程南、北引桥组合梁总长3.3km，需要增加预应力钢筋约874t，费用约1137万元。增设预应力后混凝土板上下缘应力如图6所示。

图6 中支点增设预应力后混凝土板上下缘应力

系杆有限元计算表明，增设预应力可减少中支点拉应力，但桥面板厚度较薄，预应力筋数量多，桥面板开槽数量大，桥面板穿孔预制和张拉难度大，槽口封堵不良易漏水。同时，混凝土收缩徐变使组合梁截面应力重分布，导致混凝土卸载而钢结构加载，大部分预应力将转加到钢梁上[7]，在中小跨度钢-混组合梁中，预应力效率将打折扣，目前国内在大跨度钢-混组合梁有少量应用实例。

三、材料措施

工程中可采用UPHC（Ultra High Performance Concrete）桥面板，混凝土桥面板掺入纤维等措施提高桥面板抗裂性能，增强结构耐久性。

（一）桥面板采用抗裂混凝土

UPHC也称作活性粉末混凝土RPC (Reactive Powder Concrete)，抗折强度30MPa～60MPa，为普通混凝土的10倍；抗压强度170MPa～230MPa，为普通混凝土的4倍。采用该类改性UHPC材料作为结构层能大幅降低结构层厚度和自重，显著提高组合梁桥面板耐久性[8]。

UHPC理论上可保证桥面板不开裂，但成本较高，每立方米UHPC费用要超过1万元。该工程如南、北引桥改用UHPC桥面板，UHPC用量将达到1.6万m3，费用约1.6亿元，投入较大。

（二）采用纤维混凝土

混凝土极限拉伸率较低，一般为0.01%～0.20%，掺入纤维可提高混凝土抗裂性能，如钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土等。聚丙烯纤维拉伸率高达15%～18%，均匀散布于混凝土中的聚丙烯单丝纤维，不仅阻止了骨料下沉，改善和易性及泌水性、减少离析，也能有效承担混凝土收缩产生的拉应变，延缓或阻止混凝土内部微裂缝及表面宏观裂缝的发生扩展，提高混凝土抗渗性、抗冲击性、抗冻性、抗碳化性能等[9]。

聚丙烯纤维混凝土普遍用于桥面板、水库大坝及港湾、渡槽等，其综合性能如抗折、抗裂、抗疲劳、耐磨损性、耐海水侵蚀性等各项指标均优于普通混凝土；在交通量大、车辆通行频繁的条件下，聚丙烯纤维的抗疲劳性能表现更为突出；在气候变化剧烈、冻融频繁的条件下，聚丙烯纤维混凝土的抗冻融性能更能得到充分体现。相关研究表明，混凝土掺入1%体积百分比的聚丙烯纤维后，劈裂抗拉强度可提升约2.1MPa，抗裂性显著提高。另外，混凝土掺入玄武岩纤维、钢纤维也有类似效果。

四、桥面防水层措施

钢-混组合梁耐久性改善方案除结构措施、材料措施外，在桥面防水层及其铺装设计上也应有针对性措施。为降低钢-混组合梁二期恒载，桥面铺装一般不设置钢筋混凝土调平层。桥面铺装如有较大联通空隙或者运营期开裂渗水现象，会直接影响组合梁耐久性，对桥梁结构产生有害影响。因此，采用一种高黏结、抗裂且具有结构性防水性能的铺装体系，有利于提升钢-混组合梁耐久性。

对江苏跨江、跨湖大桥典型铺装结构开展调研与比选，结合五峰山南北引桥、石臼湖、淮安大桥等沥青铺装施工及服役状况的长期观测数据，推荐采用高模密水组合型铺装结构体系。该体系防水粘结层采用渗透性树脂封层（0.5 kg/m2～0.6 kg/m2）+二阶环氧防水粘结层（0.5kg/m2～0.6kg/m2）。渗透性树脂封层可封闭填充桥面板裂缝（如有），提高桥面板抗渗性能；二阶环氧防水粘结层具有高粘结、高强度、不透水特性，通过其一阶常温固化反应，解决防水粘结层施工损伤问题，通过沥青层铺筑的高温二次固化反应提升铺装结构与桥面板的粘结强度。桥面铺装下面层可选6.5cm高模密水沥青混合料HMAC-13，其孔隙率可以控制为2%～3%（一般Sup-20为4%～5%），大幅减小联通空隙。根据五峰山大桥使用效果，可实现桥面“零渗水”，且其高温稳定性达到10000次/mm以上，抗车辙能力提升一倍；上面层采用常规4cm改性沥青SMA-13作为抗滑磨耗层。该桥面铺装结构单价约390元/m2，如沥青施工前桥面板没有裂纹，可取消渗透性树脂封层，桥面铺装费用可降低至315元/m2，与常规铺装方案差异不大。钢-混组合梁桥面铺装参考方案如图7所示。

表7 钢-混组合梁桥面铺装参考方案

五、结语

本文以某长江大桥引桥钢-混组合梁方案优化为例，从结构措施、材料措施和防水措施三个方面分析了钢-混组合梁桥面板的抗裂性能，主要结论有：建议钢箱组合梁桥面板裂缝宽度限值提高到0.15mm，虽增加了工程造价，但提高了结构耐久性，减少了后期维护费用，全寿命周期成本更经济；采用预制拼装技术，提高了钢-混组合梁施工效率，降低混凝土收缩徐变的影响，对降低桥面板拉应力、控制裂缝宽度有不错效果；跨中预加荷载法、支点顶落梁法都是预压支点桥面板，可大幅降低裂缝宽度，是钢-混组合梁施工推荐必选工艺之一；掺入聚丙烯纤维、钢纤维等材料可提升混凝土抗拉能力，同时加强桥面防水层、铺装层设计，多环节、多手段保证组合梁结构耐久性；目前国内有部分项目在组合梁负弯矩区应用了抗拔不抗剪剪力钉技术，防止剪力钉竖向分离但又不约束纵向滑移，减少了收缩徐变引起的裂缝，可作为钢-混组合梁桥面板抗裂研究方向。