钢混结合梁梁板起顶结合技术

王世峰，黄海欧，陈超华，孙晓伟

（中交二航局第五工程分公司，湖北 武汉 430012）

0 引言

桥梁上部结构采用钢箱梁时，由于沥青与钢板结合差，桥面质量问题频现；采用混凝土主梁时，又因梁体自重大、施工速度慢等原因，较难在大跨度桥梁中应用。钢混结合梁较好地综合了两者的优势，充分发挥钢材的抗拉、抗弯性能以及混凝土的抗压性能，沥青与混凝土桥面板结合好，保证了桥面系质量。钢混结合梁还具有抗震性能优良、自重轻、施工快等特点，应用日趋广泛。

结合梁结构受力性能直接取决于钢主梁和预制桥面板的结合质量，武汉二七长江大桥6×90 m连续梁桥在钢槽梁与预制桥面板结合施工中采用一系列创新工艺，成桥线形、结构受力状态达到了设计目标，具有较好的推广价值。

1 工程概况

武汉二七长江大桥是武汉市二环线控制工程之一，主桥采用三塔斜拉桥，主跨616 m，上部结构采用结合梁，是世界最大跨度的三塔斜拉桥和世界最大跨度的结合梁桥[1]。汉口侧非通航孔深水区采用6×90 m钢混结合连续梁[2]，对应墩号从汉口侧至武昌侧依次为N6～N1墩、1墩，见图1。

主梁上、下游分幅布置，为单箱单室钢-混结合梁结构（如图2），结合梁由下部钢槽梁和上部混凝土面板通过剪力钉结合而成。钢槽梁高3.55 m，采用顶推法架设，每跨中间设置1个临时墩；桥面板厚28～45 cm，桥面板与钢槽梁顶板接触面铺垫橡胶条、预埋压浆管（如图3）。

橡胶条断面尺寸为20 mm×20 mm，抗压强度＞1 MPa时压缩量＜1 mm，使桥面板不与钢槽梁直接接触。压浆管采用外径18 mm无缝钢管，通过灌浆对该部位钢槽梁顶板进行了防腐封闭。

2 梁板结合方式选择

钢混结合梁的钢主梁与桥面板结合方法主要有两种，目前常用的工艺是在钢主梁、桥面板安装完后浇筑湿接缝混凝土。施工过程中桥面板处于无应力状态（不考虑自重影响），只有在二期恒载、后期荷载作用下桥面板才会与钢梁共同受力，发挥结合梁作用。这种结合方式可称为“被动结合”，广泛应用于斜拉桥、悬索桥、系杆拱桥等有索桥梁中。当被动结合的结合梁在负弯矩作用下或在温度变化、混凝土收缩徐变时，桥面板在拉应力作用下易开裂，影响桥梁使用寿命。

钢主梁与桥面板结合的另一种方法可称为“主动结合”，其工艺为：在钢主梁、桥面板安装完成后，采取措施将连续梁支点处未结合的主梁起顶一定高度，相邻支点处主梁锁定，然后浇筑接缝混凝土，混凝土达到强度及一定的养护龄期后，再下落主梁。桥面板储备了压应力，在结合梁承受外界荷载之前钢主梁与桥面板主动结合在一起共同受力。主动结合更加充分地发挥了钢材的抗弯、抗拉性能以及混凝土的抗压性能，并通过对桥面板的压应力储备使结合梁桥面板的拉应力有效减小或抵消，减少桥面开裂，延长桥梁使用寿命。

武汉二七长江大桥6×90 m连续梁桥结合梁刚度较小，墩顶桥面板承受拉应力较大。若采用常规的被动结合方式，结合梁的使用性能将大打折扣，故本桥采用了梁板主动结合的施工方法。

3 梁板结合技术

3.1 施工顺序

首先进行墩顶区桥面板与钢槽梁结合（图4），使其获得较大压应力储备，然后进行跨中区（临时墩顶）桥面板与钢槽梁结合。结合施工从N3号墩开始，向两侧对称进行。结合顺序依次为N3→N2、N4→N1、N5→L1、L6→L2、L5→L3→L4，直至完成所有梁板结合施工，进行落梁及受力体系转换，将结合梁回落至永久墩支座上，完成结合梁主体结构施工。

3.2 起顶理论计算

3.2.1 整体建模计算

采用结构计算软件Midas进行模拟计算，钢槽梁采用梁单元建立，结合梁采用施工阶段联合截面建立，共划分1 713个节点，1 712个梁单元。建模时所采用的坐标系为直角坐标系，X轴为桥的横向，Z轴为桥的竖向，Y轴为桥的纵向。

有限元模型在各施工阶段，起顶墩的起顶量采用强迫位移模拟，起顶墩相邻两侧的主墩约束DZ、DX、RZ；其余各墩约束DZ，同时施加相应“DX、DY”、“RX、RY、RZ”约束使结构保持静定。其中“DX、DY、DZ”分别表示节点平动自动度，“RX、RY、RZ”分别表示节点转动自由度。

所施加荷载包括钢槽梁自重、横隔板重量、桥面板重量以及剪力钉重量等。

通过不同工况计算，得到使钢梁获得目标应力的预变形（起顶量）及所需的顶升力。

3.2.2 起顶量计算

各墩起顶量见表1。

3.2.3 起顶力计算

各墩起顶锚固力汇总见表2。

3.3 结合梁起顶结合施工

3.3.1 起顶千斤顶及钢垫块布置

梁板结合施工时，湿接缝混凝土养护周期为21 d，起顶点受力持续时间较长，墩顶起顶支垫布置时要考虑千斤顶与钢垫块之间的受力转换问题，设置可拆卸的钢垫块支撑。

根据计算，单侧支垫需承受1 100 t的压力，每个受力点设置3个钢支墩、2台800 t千斤顶。千斤顶及钢垫块布置见图5。

表1 桥面板结合起顶顶升量计算结果表

表2 各工况起顶力、锚固力表t

3.3.2 反拉锚点布置

墩顶起顶时以应力控制为主。为使钢槽梁获得预期应力的同时尽量减少起顶量，需在相邻两个墩顶对钢槽梁进行反拉锚固。根据建模计算，在施工过程中锚固力最大约600 t。在结构墩及临时墩墩顶布置精轧螺纹钢锚固装置，来提供锚固力，并在每根精轧螺纹钢上面安装压力传感装置（见图6），实测受力情况，确保结构安全。

3.3.3 结合梁起顶结合

首先通过千斤顶将N3墩处钢槽梁顶起30 cm（相邻墩顶精轧螺纹钢分批次锚固），监测钢槽梁顶、底板应力，若与计算值相符则将钢槽梁搁置在钢垫块上，浇筑接缝混凝土，结合N3墩顶区桥面板。待现浇混凝土达到设计强度90%后，张拉桥面板二期横向预应力钢束，然后将N3墩处钢槽梁回落。按顺序进行后续梁板结合施工。

3.4 后压浆施工

完成所有梁板结合施工后，将结合梁回落至永久墩支座上。

将桥面板与钢槽梁顶板间压满水泥浆，实现钢槽梁顶板裸露部分封闭防腐。

4 梁板结合施工效果

在特征断面钢槽梁顶板、底板以及湿接缝预埋应力元件，对梁板结合施工过程进行监测。以N3墩处梁板结合为例进行比较。

在N3墩顶附近钢槽梁的顶、底板上下侧安装点焊式应变计，在N3墩顶正上方桥面板的两侧翼缘、中间位置预埋内埋式应变计，应变计布置见图7。

4.1 起顶力、反拉锚固力情况

N3墩处梁板结合起顶过程N3墩顶起顶力及相邻墩锚固力实测值与理论计算值对照见表3。

通过对表3数据分析，N3墩起顶过程中起顶力、锚固力与理论计算数据基本吻合。最大差值出现在起顶至20 cm时的顶升力，最大偏差值为117 t，为理论计算值的6.27%。

表3 钢槽梁底板应力对照表

4.2 钢槽梁应力情况

N3墩处梁板结合起顶过程施工应力监测数据与理论计算值对照见表4、表5。

表4 钢槽梁底板应力对照表

表5 各工况钢槽梁顶板应力增量表

通过对表4、表5数据分析，N3墩起顶过程中钢槽梁顶板、底板的理论与实测应力基本吻合。最大差值出现在起顶至30 cm时钢槽梁顶板下侧，最大偏差值为22.5 MPa，为理论计算值的12.7%。

4.3 桥面板应力情况

N3墩处梁板结合完成落梁后，桥面板3个测点顺桥向压应力为14 MPa、16 MPa、13.6 MPa，与理论计算桥面板14～18.5 MPa的压应力储备值吻合。

通过对梁板结合施工过程进行理论计算和实测，结果表明：顶升力与锚固力均未超过设计范围，锚固装置受力满足施工要求；顶升过程中钢槽梁受力良好，理论与实测应力偏差较小；结合梁结合后，负弯矩区桥面板顺桥向压应力的理论与实测值基本吻合，压应力储备为14～18.5 MPa。

5 结语

武汉二七长江大桥成功采用梁、板主动结合，较好地解决了结合梁桥面板在墩顶区受拉开裂问题，整个6×90 m结合梁桥面板没有使用纵向预应力体系。钢混结合梁的两种材料受力特性得到了充分发挥，有效推动了钢混结合梁的应用。

[1] 陈超华，徐斯林，穆清君.大型钢吊箱拉靠墩系统精确定位施工技术[J].桥梁建设，2011（6）：71-75.

[2] 王世峰，陈超华，孙晓伟.多变竖曲线钢槽梁拼装及顶推施工技术[J].中外公路，2012（3）：237－241.