吴志勇
【摘 要】随着预制装配工业化技术的发展,钢-混凝土结合梁特别是曲线结合梁也开始采用预制桥面板,但是钢梁与预制桥面板的界面结合技术目前研究较少,技术不成熟.结合一50 m曲线结合梁预制桥面板设计与施工的成功案例,总结了曲线预制桥面板钢-混凝土结合梁在临时支撑、界面结合、桥面板模块化、剪力键布置等方面的关键技术,为相关工程的研究与设计提供参考. 【期刊名称】《铁道建筑》 【年(卷),期】2018(058)007 【总页数】6页(P30-35)
【关键词】桥梁设计;曲线结合梁;预制桥面板;剪力键;界面结合;模块化;临时支撑 【作 者】吴志勇
【作者单位】中铁上海设计院集团有限公司 市政工程设计院,上海 200070 【正文语种】中 文 【中图分类】U448.25
钢-混凝土结合梁将受压的混凝土桥面板和受拉的钢梁通过抗剪连接件组合成整体，充分发挥了材料性能、施工费用低、施工速度快的优点，尤其是混凝土桥面板采用预制工艺后，使得预制装配化水平大大提高。随着国内钢-混凝土结合梁相关规范的日益完善，其在工程中的应用也越来越多，但是关于曲线结合梁采用直接与剪力
键连接的预制桥面板工程案例却很少，有必要针对其开展深入的研究。 1 曲线结合梁的特点
钢-混凝土结合梁的钢梁一般采用工字形板梁和开口钢箱梁，后者抗扭刚度大，具有更高的稳定性，适于跨高比及扭转作用较大的跨线桥和曲线桥，例如城市立交中的匝道桥。因此，曲线结合梁采用开口钢箱梁较为合理，且具有一定的经济性。 混凝土桥面板可分为现浇混凝土桥面板、叠合板混凝土桥面板、预制混凝土桥面板、压型钢板混凝土组合桥面板及钢-混凝土组合桥面板等。预制混凝土桥面板是指通过现浇湿接缝或预留槽口将现场安装的预制桥面板连接成整体的结构形式，包括通过现浇湿接缝与剪力键间接连接、通过现浇预留槽口与剪力键直接连接和二者的组合3种形式。其特点[1]是：①收缩徐变小。预制桥面板在安装前一般需放置3个月以上，并在湿接缝或预留槽口处现浇具有收缩补偿性能的微膨胀混凝土，可以明显降低混凝土收缩徐变引起的附加应力，这对剪力键非常有利。②标准化。桥面板可根据现场安装条件、吊重等对桥面板进行分割，尽量实现标准化、规格化。 2 曲线50 m结合梁设计
一工程第10联梁为50 m的简支钢-混凝土结合梁。结构构造如下： 1)混凝土桥面板
混凝土桥面板顶宽10 m，根部板厚45 cm，跨中板厚25 cm，钢筋混凝土结构。由于本联平面位于曲线上，标准预制段纵向轮廓线为弧线形，标准预制桥面板横向宽度4.7 m，纵向道路中心线处长度为4.0 m，预制板之间设现浇混凝土接缝。采用工厂分段预制桥面板，并在钢梁上翼缘布置焊钉，通过现浇湿接缝连接。同时，在预制板上对应于剪力钉的位置开槽口，槽口基本尺寸为700 cm×430 cm，槽口顺桥向净距为320 cm。
为减少混凝土收缩徐变对结构的不利影响，预制板存放时间宜不少于4个月，同时要求剪力钉槽和湿接缝处采用C50微膨胀混凝土。为保证预制板与钢梁顶缘密
贴，两者间铺垫一层环氧树脂砂浆，另在钢梁上翼缘两侧顺桥向通长粘贴可压缩的橡胶条(40 mm×35 mm)，既防止砂浆外溢，又防止水汽进入锈蚀钢梁。 2)钢箱梁一般构造
钢箱梁截面为单箱双室直腹板形式，底宽6.3 m，顶宽7.0 m，梁段间采用焊接，箱梁顶、底板与腹板间纵缝焊接均采用全熔透角焊缝。
钢箱梁顶板厚度30 mm，底板厚度20 mm。底板采用I形加劲肋，加劲肋厚度16 mm，高度200 mm，基本间距400 mm。
腹板厚度16 mm，腹板水平加劲肋采用I形加劲肋形式。横隔板采用板式结构，分普通横隔板、竖肋、支点横隔板。横隔板留有人孔，普通横隔板每隔4.5 m 设置一道，竖肋板每隔1.5 m设置。
桥面的曲线超高通过内外侧腹板的变高实现，为了保证桥面板底砂浆垫层的均匀，钢梁上翼缘也设置横坡，并按照桥面横坡进行设置。钢-混凝土结合梁断面见图1。 图1 50 m钢-混凝土结合梁断面(单位：cm) 3 抗扭计算
国内规范对钢-混凝土结合梁的抗弯、抗剪及连接件计算等有比较详尽的描述。本文主要讨论抗扭计算。
在荷载作用下，曲线钢-混凝土结合梁截面的扭矩不可忽略。在扭矩作用下，曲线钢-混凝土结合梁在可能发生整体倾覆的同时，组合截面也产生剪力流，同时产生剪应力。剪力流在计算结合面剪力钉的剪力时考虑，剪应力在计算钢梁截面的剪应力时考虑。
对于钢-混凝土结合梁，由于扭转时杆件承受的主要是剪应力，故需按钢与混凝土的剪切模量比n将混凝土桥面板的壁厚换算成与钢相当的壁厚[2]，则换算成的壁厚tl=th/n，则单箱单室钢-混凝土结合梁截面抗扭计算简图见图2。 图2 钢-混凝土结合梁截面抗扭计算简图
由于混凝土桥面板悬臂部分的抗扭性能很差，所以在计算截面扭转常数时可以略去不计，于是根据计算简图可得[3]
式中：K为扭转常数; Si所围箱形截面薄壁中心线的长度，i=1，2，3；ti为壁厚，i=1，2，3；h为梁高； q为剪力流，其值为常数，方向与壁厚中心线的切线方向一致，大小取决于F；F为壁厚中心线所围的面积； T为最不利工况下的扭矩；τ为薄壁剪应力，与壁厚t成反比。
剪力流的方向与扭矩T方向相同，其正负与扭矩T正负同号。另外，由于桥面板与钢梁结合形成封闭截面，形成回环剪力流，其抗扭刚度较开口钢梁截面增加很多。因此，对于曲线钢-混凝土结合梁，一次落架施工形成组合截面共同受力最为理想。 对于单箱多室截面，受中腹板室壁的影响，剪力流的分布与单室截面不同，见图3。多室箱形截面中两相邻室壁中的剪力流方向相反，其值等于两相邻室剪力流的差值。对于对称的单箱双室截面，中腹板位于扭矩中心上，剪力流基本为0；对于两室以上的截面，一般越靠近扭矩中心，室内的剪力流越大。总之，中腹板的剪力流从工程角度并不起控制作用，可按照外腹板包围的单箱单室截面进行计算。 图3 单箱多室截面抗扭计算简图
对于多室分离的箱形截面，其总纯扭转常数等于分离各室扭转常数之和，且每个分离的截面剪力流分布与单箱单室截面相同，可将扭矩T均分到分离的各室单独计算，见图4。
图4 多室分离截面抗扭计算简图
按照能量守恒定律，杆件扭转时扭矩所做的功等于内力对材料变形所做的内功，在扭矩作用下除截面发生相对于扭转中心的扭转外还产生竖向弯曲[4]，即截面的变形包括了扭转角和竖向变形，扭矩所做的功不能全部作用于截面上产生扭转角。因此，上述计算针对纯扭转的情况，实际桥梁工程中桥梁较宽时，纯扭转工况不存在，
但按照上述计算偏于保守，仍具有工程意义。 4 设计关键技术 4.1 曲线桥面板模块化 4.1.1 桥面板分块
曲线结合梁的预制桥面板分割主要有2种方式：扇形分割和矩形分割。前者是湿接缝等宽，后者是预制板等宽，实现预制标准化的工艺取决于曲线梁半径。 当桥梁平面曲线150 m≤R≤1 000 m时，宽度较小的结合梁可采用扇形分割，湿接缝宜在50 cm，方便现场湿接缝钢筋绑扎。当曲线半径R>1 000 m时桥面板可采用矩形分割，湿接缝沿曲线梁径向呈扇形分布，内外侧宽度差宜不大于10 cm。当R<150 m时，结合梁的应用有其局限性，这里不再讨论。
另外，预制桥面板分块一般以横隔板为法线和基准，即以横隔板为分块的中心线或湿接缝的中心线。 桥面板分块图见图5。
图5 桥面板分块图(扇形分割)(单位：cm) 4.1.2 桥面板预制精度
曲线梁桥面板预制的精度除了要考虑平面尺寸以外，要特别注意纵横向坡度的影响。在纵横坡的影响下，如果界面处桥面板底面与钢梁上翼缘不平行，引起的楔形角很大，横坡越大，楔形角越大，因此这对钢-混凝土界面结合的影响很大。
为了保证预制精度和界面处的结合精度，界面处钢梁上翼缘与桥面板底面采用平行匹配预制，同时界面保持水平，这对结合面处的受力有利。 4.1.3 桥面板定位技术
桥面板吊装前，首先校核钢板梁的尺寸和高程，确定剪力钉的位置及每块桥面板的具体位置，并在钢梁上翼缘标出桥面板的边缘线及中心线。然后在每块桥面板两端标出竖向中心线以及梁板端位置横线，用墨斗弹线做好标识，以便后期安装就位。
桥面板定位如图6所示。 图6 桥面板定位示意(扇形分割) 4.1.4 桥面板安装工艺
预制桥面板的安装有静态安装和动态安装2种方式。静态法一般是在地面胎架上拼装钢梁并安装预制板，而动态法一般是在架设好的钢梁上安装桥面板。动态安装的钢梁支承少，桥面板是在不断变形的钢梁上安装，施工较为困难，精度较难保证。 为了减小跨中下挠对桥面安装精度的影响，并避免桥面板安装时结合梁的倾覆风险，对于纵横向分块的预制桥面板安装一般采用从两边向中间、先内侧后外侧的工序;对于仅纵向分块的预制桥面板的安装一般采用从两边向中间的工序。
预制桥面板安装前，外表面尤其是结合面应整洁干净，可利用高压水冲洗结合面，清除杂物。 4.2 剪力键 4.2.1 槽口剪力钉
桥面板的布置决定槽口的布置，槽口的布置决定钢梁上翼缘剪力钉的布置，同时剪力钉位置与桥面板槽口处的钢筋间距一一对应[5]。
槽口处的剪力钉一般成群布置，组成集束式剪力钉群。一个槽口的剪力钉群抵抗剪力的范围为相邻2个剪力钉群间的距离。槽口外预制桥面板和钢梁上翼缘间的区域没有布置剪力钉。 4.2.2 湿接缝剪力钉
湿接缝处的剪力钉按照常规的现浇桥面板布置方式均匀布置，并位于桥面板的纵横向主筋间距中心，见图7。 图7 槽口与湿接缝剪力钉 4.2.3 锚固装置
考虑曲线梁尤其是小半径曲线梁的横坡较大，对于动态安装的桥面板，采取临时固
定措施克服横向滑移是有必要的。
不同于传统的钢-混凝土结合梁界面设置剪力钉的工艺，锚固装置采用高强螺栓焊接于钢梁上翼缘，纵桥向布置于相邻现浇槽口中间。预制桥面板对应高强螺栓位置预留阶梯形圆孔，圆孔直径比螺栓直径大约3 cm左右。待桥面板安装完成后，在圆孔内灌注砂浆至预留圆孔阶梯处，安装锚垫板和螺母，施拧至设计扭矩。对预留阶梯形圆孔采用无收缩灌浆料封锚完成。桥面板锚固装置如图8所示。 图8 锚固装置示意
桥面板设置锚固装置的主要优点为：①与剪力钉组合使用，有效解决了钢梁与混凝土桥面接触界面易发生错动的问题，使钢梁和桥面板的整体性能更好，提高了结构的安全性。②预制桥面板在安装时由于还未进行湿接缝施工，且易发生错动，这对预制桥面板的安装定位起到关键作用。 4.2.4 剪力钉与桥面板钢筋匹配技术
剪力钉位置决定了桥面板钢筋的间距，同时桥面板(尤其是扇形分割的桥面板)的钢筋布置同样也决定了剪力钉的布置，不能顾此失彼，二者需要匹配模具。 匹配模具需要定制，包括底板和围板，上端开口。围板周围在钢筋中心位置设置贯通切口，切口尺寸较钢筋外径大3 mm；底板在剪力钉中心位置设置贯通圆形套管，套管尺寸比钢筋净距小5 mm，比焊钉圆柱头直径大至少2 cm。
预制桥面板时，确定每个匹配模具的位置，在围板切口处布置钢筋。同时，记录每个匹配模具的位置及相对位置，待钢梁加工好后，在钢梁上翼缘上确定匹配模具的位置及相对位置，在套管中心标记剪力钉位置，取走匹配模具，按标记的剪力钉位置施焊圆柱头焊钉。匹配模具布置与构造分别见图9、图10。 图9 匹配模具与钢筋、剪力钉位置关系 图10 匹配模具构造 4.2.5 剪力钉试验
剪力钉一般采用圆柱头焊钉，材料为ML15。焊钉表面须处理，其表面应平滑、洁净，不得有锈蚀、氧化皮、油脂、毛刺等。
焊钉在正式施焊前，必须试焊一个焊钉使其弯曲30°[6]进行弯曲试验，检查是否满足质量要求。焊钉焊接后也应进行弯曲试验，其焊缝和热影响区不应有肉眼可见的裂纹。检查数量：每批同类构件抽查10%，且不应少于10件；被抽查构件中，每件检查焊钉数量的3%，但不应少于1个。检查方法同上。
圆柱头焊钉弯曲试验后，可保留其弯曲状态使用，但若与桥面板钢筋冲突，安装桥面板前应将与其冲突的钢筋切割，并补强。 4.3 界面结合 4.3.1 界面结合工艺
不同于现浇混凝土桥面板，预制桥面板与钢梁的连接实质上是预制桥面板与砂浆层的连接，而不能与钢梁直接连接，主要有以下原因：①钢梁加工与桥面板预制有误差;②钢梁与桥面板一般没有匹配预制，且纵横坡也影响较大。上述原因使钢梁与预制桥面板板底存在缝隙，不能密贴，影响界面结合。
预制桥面板钢-混凝土结合梁先通过黏结材料将预制桥面板与钢梁结合在一起，再现浇预留槽口，与湿接缝的混凝土形成整体受力结构。结合工艺为:①在钢梁上翼缘两侧顺桥向通长粘贴可压缩的橡胶条(40 mm×35 mm)作为阻浆条，并在界面结合部位设置4块厚20 mm的垫块，涂抹厚20～25 mm的环氧砂浆。②吊装预制桥面板，在桥面板的自重作用下，使橡胶条完全压缩到20 mm，环氧砂浆被密封。 4.3.2 密封条
为使涂抹的环氧砂浆能密实封闭，阻浆条采用高弹性防腐蚀橡胶条，并满足由厚度35 mm压缩到20 mm 的要求，压缩率达42.8%。要满足以上要求，根据工程经验，阻浆条需采用邵氏硬度为60的高弹性、高密度、耐老化、防腐蚀的氯丁橡胶
条。
将钢板梁安装顶面位置清理干净，距梁边缘40 mm 用墨斗弹线，然后涂刷密封胶，粘贴密封条，安装完成24 h后可进行桥面板安装。安装前在橡胶上表面涂刷密封胶。
界面结合构造见图11。 图11 界面结合构造 4.3.3 黏结材料
为了使钢梁与预制桥面板结合牢固和耐久，参考类似工程对建筑结构胶、环氧砂浆、水泥浆及砂浆4种黏结材料的相同面荷载试验及取芯检验，进行比选，确定采用环氧砂浆作为黏结材料。 4.4 支座安装
吊装钢梁时支座应安装完成，并需考虑：①为了减小桥面板安装过程中的倾覆风险，曲线内侧设置抗拉支座。②在吊装钢梁前，支座上钢板与钢梁底3 cm厚垫块应采用非熔透角焊缝间断焊接，以免烧坏支座内部的聚四氟乙烯板。③钢梁就位后，支座应先临时固定，可采用千斤顶作为临时支承，拆除吊点后进行永久支座安装。 4.5 钢梁架设与临时支承
钢-混凝土结合梁的受力与施工顺序、截面特性密切相关。主要分为3类[7-8]：组合截面形成后落架、第一阶段钢梁部分承受施工荷载、第一阶段钢梁完全承受施工荷载。第一类因不能体现结合梁的施工优势而很少采用;第三类需要钢梁具有很大的刚度和强度而大大增加用钢量，因此大部分钢-混凝土结合梁在第一阶段受力时需承受钢梁自重、桥面板的一部分荷载，待组合截面形成后，拆除临时支承，共同承受后续施加的荷载。
钢-混凝土结合梁的钢梁一般情况下采用分段吊装焊接，在分段处需设置临时支承。但在吊重不大的情况下，为了施工方便，钢梁也可以采用整体吊装，但是一般仍需
设置临时支承。此时设置2个临时支承可起到中支点的作用，钢梁成为3跨连续梁。主要是因为：① 钢梁受压上翼缘面积较小，且钢梁中性轴距离上翼缘较远，在承受第一阶段荷载且无临时支承的情况下，钢梁上翼缘的压应力较大，容易屈曲，并且钢梁的挠度也较大。②由第3节抗扭计算可知，在未形成组合截面前，钢梁抗扭刚度小，设置临时支承减小了跨径，增大了截面抗扭刚度。
钢梁在临时支承位置应设置横隔板，并进行加强。临时支承一般在桥面板湿接缝达到强度后解除，可采用先脱空后拆除的方式，并在解除过程中缓慢卸载，禁止骤然卸载。
钢梁架设后，需经历逐块桥面板安装、桥面板结合、湿接缝浇筑、形成组合截面等阶段，受力过程复杂。桥面板安装过程中，钢梁由于是开口截面，需对稳定性进行考虑，若不满足，应进行加强。为了提高开口钢梁的抗扭能力，主要措施为:①设置间距较小的横隔板，且横隔板上翼缘与钢梁上翼缘连接;②设置横向加劲肋。 4.6 湿接缝与槽口浇筑
预制桥面板横向湿接缝宽60 cm，纵向湿接缝宽50 cm，横向配筋设计为φ*********，纵向配筋设计为φ*********。横向湿接缝处顺桥向钢筋采用扣环搭接(悬臂处直筋采用双面焊接);纵向湿接缝处横桥向钢筋采用扣环搭接，钢筋伸出预制板部分设计为环形，环形钢筋成型采用双面焊接，焊接接头应错开。桥面板纵横向湿接缝交汇处纵横向通长钢筋绑扎布置。桥面板钢筋净保护层厚度不小于3.0 cm。
桥面板的预留槽口与湿接缝采用C50高性能微膨胀增韧混凝土浇筑。其配合比为水∶水泥∶Ⅰ级粉煤灰∶S95级矿渣粉∶UEA型膨胀剂∶大碎石∶小碎石∶砂∶高性能减水剂∶增韧材料
=146∶319∶74∶96∶42∶647∶431∶660∶5.310∶2.655[5]。湿接缝可采用吊模施工。C50高性能微膨胀增韧混凝土在搅拌站生产，利用泵车运至现场，泵送
入模，按先两边后中间、先内侧后外侧、先剪力钉预留槽口后湿接缝的顺序连续对称浇筑，一次成型。浇筑后采取覆盖土工布、洒水的措施进行保湿养护。 4.7 线形监控
为了控制桥面板的安装精度，需要对桥面板安装进行全过程监控。线形监控的主要内容为：①钢梁中心线的竖向变形及内外侧变形差；②桥面板的三点坐标(每个桥面板3个角点的坐标可以反映桥面板的空间位置)；③临时支承顶的竖向变位。 5 结语
预制桥面板作为钢-混凝土结合梁承受车辆荷载的直接载体，其与钢梁的结合及湿接缝是施工的关键工序。通过工厂预制、现场拼装，提高了桥面板的施工效率，对桥梁结构大规模采用预制装配技术起到了推动作用。
本文从曲线预制桥面板钢-混凝土结合梁的特点和受力特性出发，总结了预制桥面板的多项关键技术，并提出了抗扭计算方法，对以后类似桥梁工程的设计具有借鉴意义。 参考文献
【相关文献】
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