岳宗崇

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

1 結(jié)合梁發(fā)展概況

橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)中所說的結(jié)合梁是指受壓區(qū)采用混凝土、受拉區(qū)采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土構(gòu)件之間采用剪力連接件進(jìn)行連接，使兩者共同受力、變形協(xié)調(diào)的一種組合結(jié)構(gòu)，鐵路系統(tǒng)稱之為結(jié)合梁。

結(jié)合梁是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)的雛形最早于1894年出現(xiàn)于北美，當(dāng)時(shí)出于防火的需要，并未考慮混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的共同受力［1］。真正具有現(xiàn)代意義的結(jié)合梁橋最早出現(xiàn)在20世紀(jì)40年代的瑞典。隨著研究的深入，對于結(jié)合梁的研究逐漸完善，20世紀(jì)50年代，美國、前聯(lián)邦德國、前蘇聯(lián)、英國、印度相繼編制行業(yè)規(guī)范［2］。到1970年前后，結(jié)合梁技術(shù)進(jìn)入蓬勃發(fā)展期，其應(yīng)用更是一日千里，一躍成為繼傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之后的第五大結(jié)構(gòu)［3］。我國的結(jié)合梁系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)80年代，尤其是近些年在公路和城市橋梁建設(shè)方面取得了舉世公認(rèn)的進(jìn)步［4］。1993年建成北京國貿(mào)橋，1994年建成上海南浦大橋，掀起了我國結(jié)合梁橋應(yīng)用的高潮。結(jié)合梁橋在橋梁結(jié)構(gòu)中的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了輕型大跨、預(yù)制裝配、快速施工的目的，符合我國城市立交橋建設(shè)的國情。繼國貿(mào)橋之后，僅北京又有數(shù)十座大跨立交橋的主跨采用了這種結(jié)構(gòu)形式，最大跨度已達(dá)到70 m，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益［5］。

在軌道交通工程應(yīng)用方面，常規(guī)結(jié)合梁橋分為連續(xù)結(jié)合梁和簡支結(jié)合梁。連續(xù)結(jié)合梁在研究應(yīng)用方面比較廣泛，各種施工技術(shù)不斷涌現(xiàn)。而簡支結(jié)合梁相對研究較少、技術(shù)措施也比較單一，包括搭設(shè)臨時(shí)支架、分段吊裝拼接鋼梁、澆筑混凝土橋面板、拆除臨時(shí)支架。本文要介紹的是針對簡支結(jié)合梁的較新穎的一種技術(shù)措施，有望在一定程度上推動簡支結(jié)合梁的普及應(yīng)用。

2 結(jié)合梁的特點(diǎn)

按功能類型不同，結(jié)合梁的組成部分可分為3部分:上部混凝土橋面板、下部鋼梁、中間部分的剪力連接件。單從受力特點(diǎn)和構(gòu)造上就可以看出簡支結(jié)合梁是一種非常優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)，簡支梁的上緣受壓、下緣受拉特性與結(jié)合梁的材料特性分布使其結(jié)合得完美無缺，即受壓區(qū)(上緣)采用受壓性能優(yōu)異的混凝土板，受拉區(qū)(下緣)采用受拉性能優(yōu)異的鋼梁。結(jié)合梁充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的材料特性，使形成整體的結(jié)合梁既有足夠的剛度來控制結(jié)構(gòu)變形和降低振動、噪聲，又提供了足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來降低梁高，另外還兼顧了減輕結(jié)構(gòu)自重、節(jié)省鋼材、降低工程造價(jià)的需求，再加上良好的抗震性能和施工便利性，使結(jié)合梁成為鋼梁、混凝土梁以外又一種新穎的橋梁結(jié)構(gòu)［6］。

3 結(jié)合梁的計(jì)算理論

結(jié)合梁的計(jì)算理論和鋼梁、混凝土梁相同，都采用彈性理論，符合平截面假定，材料服從虎克定律，因此原則上可以利用材料力學(xué)公式計(jì)算結(jié)合梁截面的應(yīng)力和變形［5］。但是材料力學(xué)公式只適用于單一的勻質(zhì)彈性體，而結(jié)合梁是由鋼材和混凝土兩種不同性質(zhì)的材料組成的組合結(jié)構(gòu)，因此計(jì)算之前應(yīng)首先進(jìn)行截面換算，即將兩種材料換算為具有相同彈模的同一種材料。這樣就可以根據(jù)換算截面的幾何特征值，利用材料力學(xué)公式進(jìn)行結(jié)合梁的應(yīng)力和變形計(jì)算。

與鋼梁、混凝土梁的另一個(gè)不同點(diǎn)就是結(jié)合梁的截面形成過程。第1階段，在混凝土橋面板澆筑時(shí)，由于鋼梁和混凝土橋面板尚未形成聯(lián)合截面，鋼梁、澆筑的混凝土橋面板重量將由鋼梁自身承擔(dān);第2階段，隨著混凝土的強(qiáng)度、彈性模量的上升，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，之后增加的荷載將由聯(lián)合截面承擔(dān)，并且兩者的應(yīng)力、變形是疊加關(guān)系，表達(dá)為:

式中，σs為鋼梁應(yīng)力;M1為第1階段荷載彎矩效應(yīng);M2為第2階段荷載彎矩效應(yīng);Ws為鋼梁截面抗彎抵抗矩;W0為聯(lián)合截面抗彎抵抗矩［7］。

其中M1第1階段荷載包括:鋼梁自重、澆筑的橋面板混凝土重量、施工臨時(shí)荷載;M2第2階段荷載主要包括:橋面二期荷載，車輛、溫度等結(jié)合梁形成聯(lián)合截面之后施加的荷載。

4 無支架施工技術(shù)措施

4.1 無支架施工的技術(shù)方案

常規(guī)簡支結(jié)合梁的施工是需要搭設(shè)臨時(shí)支架來為鋼梁的拼裝創(chuàng)造條件的，本文所說的無支架是指無任何地面支架，完全不受地面條件限制的無支架施工。無支架施工的核心內(nèi)容為:鋼梁整孔預(yù)制吊裝、無支架現(xiàn)澆施工全橋橋面板。

1)鋼梁整孔預(yù)制吊裝。根據(jù)常規(guī)簡支結(jié)合梁施工，整孔預(yù)制吊裝階段主要難點(diǎn)在運(yùn)輸環(huán)節(jié)。軌道交通橋梁寬度一般為10 m左右，跨越結(jié)構(gòu)物的需求使得結(jié)合梁跨度一般都超過30 m，這類超長、超寬的結(jié)構(gòu)物運(yùn)輸對城市交通而言確實(shí)很難［8-9］。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特性，為解決運(yùn)輸問題鋼梁可分成2片或多片制作，現(xiàn)場采用橫梁連接。

2)無支架現(xiàn)澆施工全橋橋面板。澆筑混凝土橋面板時(shí)，可以利用已經(jīng)架設(shè)完畢的鋼梁作為承重結(jié)構(gòu)，通過錨固在鋼梁腹板上的螺栓進(jìn)行無支架橋面板澆筑工作［10］(見圖 1)。

圖1 結(jié)合梁懸臂支架

根據(jù)計(jì)算分析，無支架施工時(shí)鋼梁在澆筑混凝土橋面板階段受力較大，并通過應(yīng)力疊加效應(yīng)，最終使鋼梁應(yīng)力成為結(jié)構(gòu)控制應(yīng)力，難以通過計(jì)算。根據(jù)結(jié)合梁的計(jì)算理論，鋼梁在澆筑橋面板階段受力較大是因?yàn)榇穗A段鋼梁和混凝土尚未形成聯(lián)合截面，荷載作用(自重及施工荷載)全部由鋼梁承擔(dān)。第1階段過大的鋼梁應(yīng)力直接拉高了鋼梁的使用階段應(yīng)力，極容易形成鋼梁應(yīng)力控制設(shè)計(jì)的情況。從上述分析，鋼梁應(yīng)力過大的問題應(yīng)該這樣解決:在鋼梁形成聯(lián)合截面前盡量減小荷載重量，具體來說即為先澆筑鋼梁應(yīng)力較大部分的橋面板混凝土，鋼梁應(yīng)力越大，澆筑混凝土區(qū)段長度越短，待鋼—砼形成聯(lián)合截面后澆筑下一階段混凝土。

4.2 工程實(shí)例的計(jì)算分析和應(yīng)用

北京地鐵14號線是北京市軌道交通線網(wǎng)中一條連接?xùn)|北、西南方向的軌道交通L型骨干線，線路全長47.7 km，在線路里程 K3+079.055處上跨五環(huán)路，交角為90°。此處西五環(huán)為雙向六車道的通道橋，橋?qū)?8 m(見圖2)。

圖2 北京西五環(huán)路現(xiàn)狀

此處橋梁采用36 m雙箱簡支結(jié)合梁方案，鋼梁高1.75 m，混凝土橋面板厚0.45 m(見圖3)。施工方法:采用鋼梁整孔吊裝、橋面板分2次澆筑施工，第1次澆筑跨中15 m范圍內(nèi)的混凝土，待形成聯(lián)合截面后澆筑剩余混凝土。

圖3 結(jié)合梁橫斷面

橋梁總體縱向計(jì)算根據(jù)平面桿系理論，采用橋梁博士設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)橋梁施工流程，結(jié)構(gòu)施工階段劃分見圖4，各個(gè)階段鋼梁應(yīng)力情況見圖5。

圖4 跨五環(huán)路結(jié)合梁施工步序

從各階段鋼梁應(yīng)力包絡(luò)圖可以看出，鋼梁控制很理想。但若不考慮橋面板混凝土的分階段澆筑，則鋼梁的控制應(yīng)力顯然高出不少(見圖6)。

圖5 各階段鋼梁應(yīng)力包絡(luò)圖 單位:MPa

北京地鐵14號線于2011年初開工，2013年5月1日通車運(yùn)營。在建設(shè)過程中，跨五環(huán)路的橋梁工程方案以其良好的施工便利性和經(jīng)濟(jì)性贏得了各方人員的一致贊譽(yù)。

圖6 無分段澆筑鋼梁應(yīng)力包絡(luò)圖 單位:MPa

4.3 無支架施工的技術(shù)特點(diǎn)

通過14號線工程的應(yīng)用，無支架施工技術(shù)的推廣價(jià)值得到了體現(xiàn)。尤其在國內(nèi)城市化高速發(fā)展、城市建設(shè)條件越來越苛刻的前提下，無支架施工技術(shù)顯得尤為重要。例如，對于跨越連續(xù)的現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)物、不允許設(shè)置臨時(shí)支架的河流、較高的結(jié)構(gòu)物，以及對臨時(shí)支架成本過高等情況，都可以選擇無支架施工方案。相比懸澆、轉(zhuǎn)體等施工方案，無支架施工技術(shù)的優(yōu)越性是顯而易見的，不但節(jié)省了造價(jià)，更為重要的是使施工難度降低了一個(gè)層次，甚至從景觀上來說，體量更小的簡支結(jié)合梁顯然更容易融入外部環(huán)境。

根據(jù)目前的施工技術(shù)條件和前文中的計(jì)算總結(jié)分析，無支架施工技術(shù)在應(yīng)用推廣過程中應(yīng)注意兩點(diǎn):

1)由于運(yùn)輸、吊裝的問題，無支架施工技術(shù)向大跨度方向的發(fā)展比較困難，跨度越大困難越大。

2)無支架施工技術(shù)適用于鋼梁上緣壓應(yīng)力控制設(shè)計(jì)的開口鋼箱情況。分段澆筑對鋼梁底板的拉應(yīng)力效應(yīng)降低較少，而對上緣的壓應(yīng)力卻能產(chǎn)生質(zhì)的影響。從理論上說，只要分段足夠小，基本可以做到使鋼梁上緣忽略橋面板的存在。

5 結(jié)語

簡支結(jié)合梁無支架施工技術(shù)有效解決了橋梁無支架施工難題，是解決軌道交通橋梁跨越既有橋梁結(jié)構(gòu)、鐵路線網(wǎng)等施工條件比較惡劣的情況的一條捷徑。簡支結(jié)合梁無支架施工技術(shù)的工藝簡單、施工難度小、可操作性強(qiáng)、效率高，經(jīng)濟(jì)性更是和標(biāo)準(zhǔn)梁不相上下。該施工技術(shù)的應(yīng)用，可為以后解決類似問題提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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