钢-混组合梁负弯矩区裂缝控制措施探讨

王振平 张梦源 沈理斌

关键词： 负弯矩 受力 剪力键 裂缝控制

中图分类号： U441+.5 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2024）01-0130-06

钢-混凝土组合梁是通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板连成整体的横向承重构件。组合梁截面充分发挥材料特性，其中混凝土受压，钢梁受拉，承载力提高，在承载力相同时，比非组合梁节约钢材约15%～25%，减小截面高度20% 以上。但使用过程中，钢-混凝土连续组合梁负弯矩区混凝土板受拉过早地出现裂缝，严重影响支座截面的强度、刚度。在裂缝开裂时将直接导致负弯矩区钢筋锈蚀，并导致结构受力超过正常使用状态。因此，需要采取适当的措施来提高负弯矩区混凝土板的抗裂性能［1］。

1 组合梁负弯矩区受力特点

1.1 截面受力特点

处于负弯矩区的组合梁则使钢材处于受压状态和使混凝土处于受拉状态，这恰好体现两种材料各自不利的材料行为。对于连续组合梁桥，混凝土板开裂将引起结构刚度下降、承载能力降低。外界环境中的水和有害物质侵入混凝土裂缝后，将加快混凝土板内钢筋和钢梁锈蚀，造成结构耐久性显著降低，按照截面分力法，力偶N_s·d 與弯矩M_s的比例由拉伸刚度及其钢梁弯曲刚度决定［2］。将状态Ⅰ设为桥面板完好无损，状态Ⅱ设为桥面板完全损坏，具体如图1 所示。

当桥面板的拉应力超过混凝土的抗拉强度后，力偶N_s·d 逐渐减少，弯矩M_s逐渐增大。力偶的力臂d 不变，桥面板上的轴力Ns不断变化，因而把连续组合梁负弯矩区的桥面板当作是中心受拉的钢筋混凝土拉伸构件探讨其力学性能。

1.2 拉伸性能

按照拉伸变形过程，轴力N 与应变的关系分成3个阶段，具体如图2 所示。

阶段一：混凝土未产生裂缝，即处于状态Ⅰ，这时基本上可以按照弹性理论计算。

阶段二：粘结区间l_b内，伴随着混凝土的作用力向钢筋的转移，两者间产生粘结应力τ_b与滑移变形s，裂缝宽度为w=2s，应力分布如图3 所示。应力处于图3阶段轴力基本不变，当应变增大时新的裂缝逐渐产生。我们称该阶段为初期裂缝阶段，其裂缝间距不会超过2l_b。

阶段三：初期裂缝基本上稳定后，如轴力增大，将产生新的裂缝，如图4 所示。随着裂缝宽度逐渐变大，最终导致完全裂缝阶段。此时的状态称为完全开裂状态，曲率x快速增长。

设计上一般把轴力N 与应变b 的关系对应于上述的3 阶段，用3 折线来表示，其某段构件发生的平均应变，也是钢筋的平均应变ε_sm就可以用下式求出。

ε_sm= ε - Δε （1）

式（1）中，ε的理想状态为H/d ≥5.5。

1.3 负弯矩区的弯曲性能

组合梁负弯矩区轴力N 与应变的关系，其裂缝过程如图5 所示。它与钢筋混凝土拉伸构件的轴力N 与应变的关系相对应，其弯曲变形过程可以看成3 个阶段［3］。

荷载组合下的构件截面力及变形需进行结构分析，这时要考虑的荷载有钢梁架设、浇筑混凝土桥面板、死荷载与活荷载作用、温差、徐变及其收缩变形等。如果采用在活荷载作用下允许桥面板负弯矩区裂缝发生的设计方法，桥面板在桥墩上的刚度（EI）_eff是随着荷载不断变化（见图6）。依据前述的弯矩与曲率关系，采用逐渐迭代的计算方法能够求出各裂缝阶段的截面力。采用对应于状态Ⅱ的截面刚度（EI）_Ⅱ，其他区间采用对应于状态Ⅰ的截面刚度（EI）_Ⅰ（见图7）。截面刚度（EI）_Ⅰ、（EI）_Ⅱ是分别假定混凝土桥面板全截面有效与仅钢筋有效两种情况下与钢梁的组合刚度。两跨连续梁在发生裂缝后，负弯矩区的弯矩随着刚度的变化状态，即内力重分配（见图8）。由此可以看出，对于通常的（EI）_Ⅱ/（EI）_Ⅰ=0.4～0.6，弯矩重分配的大小约为15%～30%。计算出连续组合梁的内力，进行截面强度等验算，然后通过规定桥面板的最小配筋量、最大主筋的间距、限制主筋直径等控制裂缝的发生或宽度。

2 负弯矩区裂缝控制措施

组合梁桥裂缝控制方法通常有施加作用、释放作用、加强抗力3 种措施。施加作用措施包括支点升降法，预加静载，钢梁预弯，张拉高强钢筋等［4］；释放作用措施包括设置接缝、减弱连接刚度和预制混凝土板等。加强抗力措施包括加强连接件刚度、墩梁固结和设置支点横梁等［5］。

2.1 施加作用措施

2.1.1 支点升降法

支点升降法是通过改善结合梁内力，加强混凝土板和钢梁结合的有效方法。在钢梁架设后，位于中间支点钢梁顶升，浇筑的混凝土桥面板达到强度和养护周期后，降下抬升的支点，如图9 所示。

2.1.2 预加静载法

架设钢梁完成后即浇捣混凝土，受压区达到整体强度后预加静荷载。在静荷载状态下，待其硬化后去除预加荷载，从而在受拉区混凝土中得到希望的预应力。

预加静荷载严格按规定执行，将压重加在结构上并控制压重数值，需要间断地铺设桥面，给施工带来极大的不方便，工作量相当大。

2.1.3 钢梁预弯法

钢梁预弯法是采用反向加力方式向上预弯，浇筑的混凝土达到强度和养护周期后，从而对混凝土施加预压力，具体如图10 所示，这种施加预应力的方法要求组合梁段完全预制，然后整体吊装，对吊装要求很高，并且梁段间的结合难度较大。

2.1.4 张拉高强钢筋

对混凝土桥面板施加预应力应在桥面板与钢梁组合前施加，具体如图11 所示。该组合前施工可分为两种方法：一是混凝土板与钢梁分离，施加预应力后，待收缩徐变发展一段时间后再与钢梁组合，这种方法的预应力施加效率很高，但消耗时间过长；二是混凝土板张拉完成后即与钢梁组合，随后一起发生变形对混凝土桥面板施加预应力采用预应力在桥面板与钢梁组合后施加，是对整体施加预应力，沿整个桥长架设钢梁后铺设混凝土板，使两者结合在一起，并张拉高强钢筋，完成后进行管道压浆，该方法对混凝土徐变的预应力损失较大，并且负弯矩区段破损翻修困难。

2.1.5 钢梁热处理法

钢梁加热法，即利用钢梁受热膨胀和冷却收缩比混凝土大的特性对混凝土施加预应力的施工方法。该方法的施工工序为：架设钢梁→加热均匀并维持温度→浇筑混凝土板→维持加热不变→拆除加热，冷却至常温。通过连续梁试验，80 ℃时，连续梁负弯矩区施加约4.8 MPa 压应力储备，70 ℃时，施加压应力储备为3.8MPa，6 个月后损失28%，预计长期损失最终为56%，和绝大多数预应力结构差不多，在可以接受的范围内，该方法可行，钢梁的具体加热施工步骤如图12所示。

2.2 释放作用措施

2.2.1 接缝设置

在负弯矩区设置接缝，负弯矩区的混凝土板分段设置板块，避免混凝土板和钢梁之间剪切位移的积累和结构的破坏，也可在中间支座的上方直接做一个横向接缝以保证临近接缝的混凝土板段可沿钢梁自由滑动，具体如图13 所示。

2.2.2 预制混凝土桥面板

钢梁架设完成后，进行拼装预应力预制混凝土板，预应力在浇筑剪力键预留孔后再施加预应力。考虑该结构在接缝部位仍十分薄弱，很容易产生裂缝，须加强监测记录。

2.2.3 减弱连接刚度

在负弯矩区内布置剪力键时，会导致中间支点的钢筋拉应力增大，而采用柔性剪力键可以有效地减小拉应力。因此，负弯矩区采用柔性剪力键对桥梁整体刚度有一定影响，使桥梁截面刚度减小，结构的挠度增大。

2.3 抗力加强方法

2.3.1 墩梁固结

墩梁固结是指在连续梁桥中，桥墩和梁固结为一体。这样，荷载产生的中支座处负弯矩将会减小，有利于改善负弯矩处混凝土板受力。而墩梁固结中，结合部的技术特点是关键，合理的结合方式，使主梁的力能顺利传递到桥墩上，提高墩梁固结的有效性。

2.3.2 设置支点横梁

对于中小跨径桥梁，在欧洲较为常见的一种做法是在支点处鋼梁断开，钢梁直接插入支点混凝土横梁，具体如图14 所示。

主梁采用焊接或者轧制钢截面，全部在工厂中制作加工。钢筋混凝土桥面板可以在工厂预制也可以现浇。横梁只设置在支点处，并且采用普通钢筋混凝土横梁。施工时先浇筑跨中段混凝土桥面板，后浇筑支承横梁和支点处混凝土桥面板。这种简易的施工方法避免了现场施焊。

2.3.3 加强连接件刚度

就负弯矩区构造而言，在钢梁上翼缘加厚和焊接加劲板，可以较好地防止组合梁截面形心上移，并减小距离，施工过程中，加劲板焊于上翼缘后还需要与混凝土板有效的连接［6］。

3 结语

通过对组合梁负弯矩区截面受力特点进行了理论分析，把传统负弯矩区混凝土桥面板裂缝控制措施分为施加作用、释放作用、加强抗力三类；通过负弯矩区模型试验，研究钢-混凝土组合截面的非线性受力性能得到以下结论。

（1）组合梁试件从开始加载到最终破坏，主要经过3 个受力阶段：①弹性阶段，混凝土板尚未开裂，混凝土和钢筋应力均可按弹性理论求解；②带裂缝工作阶段，部分混凝土开裂而退出工作，钢筋应力显著增加直至屈服；③破坏阶段，钢筋屈服后，完全由钢梁承担荷载增量，最终钢梁屈曲，结构失效。

（2）经多次研究和试验，组合梁混凝土板裂缝在加载点现行出现，通过横向宽展贯穿，随着裂缝数量增多，其宽度明显增大，最后导致裂缝向纵深发展。

（3）焊钉连接件应变测试结果说明两个模型试件的结合性能良好，可以确保组合梁在设计荷载下的正常使用。并且在试验梁破坏状态下，连接件仍然处于较低的应力水平。