鋼—混凝土組合梁橋是中小跨徑鋼橋中的一種重要結(jié)構(gòu)形式。這種組合結(jié)構(gòu)以鋼結(jié)構(gòu)作為梁，用鋼筋混凝土作為橋面板，兩種不同性質(zhì)的材料依靠剪力傳遞器連接成整體共同作用，作為橋梁的主要受力結(jié)構(gòu)。當(dāng)組合梁承受正彎矩作用時(shí)，混凝土板處于受壓區(qū)，鋼梁大部處于受拉區(qū)，因而能夠充分發(fā)揮兩種材料各自的力學(xué)性能。同鋼筋混凝土梁相比，組合梁能夠大大減輕結(jié)構(gòu)自重，具有更大的跨高比，組合簡(jiǎn)支梁跨徑可達(dá)50m；同鋼梁相比，組合梁又具有抗彎剛度大，結(jié)構(gòu)高度小，穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。因此，鋼—混凝土組合梁橋近年來(lái)得到了較為廣泛的應(yīng)用。
由于混凝土的抗拉性能很差，在鋼筋混凝土中，是用鋼筋來(lái)代替混凝土承受拉力的。但是，混凝土的極限拉應(yīng)變也很小，每m僅能伸長(zhǎng)0.1～0.15mm，再伸長(zhǎng)就要出現(xiàn)裂縫。所以，當(dāng)組合梁用作連續(xù)梁或懸臂梁，需要承受一定的負(fù)彎矩時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土橋面板局部段受拉，橋面開(kāi)裂。因此，必須采取一定的措施，來(lái)降低混凝土中的拉應(yīng)力，使裂縫不出現(xiàn)或控制在一定范圍內(nèi)。對(duì)于這種情況，施加預(yù)應(yīng)力是一種非常有效的處理方法。
1 施加預(yù)應(yīng)力的幾種方法
1.1 引入縱向力法
引入縱向力來(lái)施加預(yù)應(yīng)力一般可分為兩種形式：第一種是在中間支座附近的混凝土橋面板中，沿橋梁軸線方向埋設(shè)預(yù)應(yīng)力筋(包括預(yù)應(yīng)力粗鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼絞線等) ，通過(guò)張拉，對(duì)埋設(shè)預(yù)應(yīng)力筋的區(qū)段施加預(yù)應(yīng)力；第二種是在鋼梁下翼緣施加一個(gè)張力，使鋼梁變形后對(duì)上翼緣的混凝土橋面板施加一個(gè)預(yù)壓應(yīng)力。
1.2 預(yù)加荷載法
對(duì)于像懸臂梁這樣的外部靜定結(jié)構(gòu)，可以采用預(yù)加荷載法來(lái)施加預(yù)應(yīng)力，見(jiàn)圖1所示。
現(xiàn)以懸臂梁為例加以說(shuō)明(見(jiàn)圖1)。首先，澆注懸掛跨、錨固跨跨中部分橋面板的混凝土，當(dāng)其達(dá)到一定強(qiáng)度后，在這些橋面板上預(yù)加臨時(shí)荷載；然后再澆注支座附近的橋面板混凝土，等混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后便將預(yù)加荷載去掉，由于預(yù)加荷載的加載和卸載，使梁各處受到一個(gè)大小相等、符號(hào)相反的彎矩。
預(yù)加荷載可以用砂、碎石、鋼塊、水等堆放在橋面上，特別是把水盛在水袋里的方法，具有一定的精確度，不僅可作預(yù)加荷載，還可用作澆注混凝土?xí)r調(diào)整上彎度的平衡重。
1.3 支座位移法
按不同支座的位移，可分為中支座位移法和端支座位移法。
(1)中支座位移法。
中支座位移法施加預(yù)應(yīng)力的過(guò)程可以用
圖2加以簡(jiǎn)單說(shuō)明。
首先，在鋼梁吊裝、拼接結(jié)束后，將中間支點(diǎn)抬高。接著，澆注橋面板混凝土，當(dāng)其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，將中間支座下降，使組合梁落到最終支座上。這樣由于組合梁的下落、變形，就在鋼筋混凝土橋面板中產(chǎn)生了預(yù)壓應(yīng)力。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是沿梁全長(zhǎng)均施加了預(yù)應(yīng)力。
圖3為移動(dòng)支座產(chǎn)生的彎矩圖。
對(duì)于長(zhǎng)度較大的梁，鋼梁中部需要抬高很多，在實(shí)際施工中有很大難度。按
圖4所示方法給組合梁設(shè)鉸，可以克服這一困難。在設(shè)鉸處，上拱度是不連續(xù)狀態(tài)，如圖4所示，鋼梁中部的抬高量可以大大降低。最后，通過(guò)設(shè)置臨時(shí)支撐并將這些鉸在豎直方向頂高，或在設(shè)鉸處用千斤頂引進(jìn)所需的彎矩，使組合梁在縱向恢復(fù)順直，并進(jìn)行連接、固定，讓組合梁恢復(fù)連續(xù)性。
像其他長(zhǎng)期荷載一樣，橋面中的預(yù)應(yīng)力值將隨著混凝土徐變的增大而降低。尤其是這種由強(qiáng)迫變形所引起的預(yù)應(yīng)力，下降得更為厲害。為使預(yù)應(yīng)力保持較高值，應(yīng)盡可能遲一些將梁下落到最后支座位置，以使混凝土澆注后得到足夠的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，減少徐變量。
支座位移法施加預(yù)應(yīng)力具有施工方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。避免了預(yù)加荷載法搬運(yùn)堆積荷載的麻煩，也不需精確定位預(yù)應(yīng)力鋼筋，確保波紋管的暢通以及張拉、灌漿、封錨等工序，施工簡(jiǎn)便，省工、省力，而且基本不需額外增加輔助材料，省卻了預(yù)應(yīng)力筋、錨具等費(fèi)用。
(2) 端支座位移法。
中間支座上升、下降的效果， 用移動(dòng)端支座的方法同樣可以達(dá)到。端支座位移法的施工順序與中支座位移法基本相同，只要把中間支座上升、下降，改為端支座的下降、上升即可。
根據(jù)工地實(shí)際情況，往往移動(dòng)端支座比移動(dòng)中間支座施工更為方便，主要體現(xiàn)如下。
①中間支座往往位于河道中，水中搭設(shè)支架或腳手較為困難；而端支座在岸邊，可方便地搭設(shè)支架或利用臺(tái)帽擱置千斤頂，對(duì)鋼梁進(jìn)行頂高、下降，操作方便、安全。
②端支座移動(dòng)比中間支座所需的頂升力要小，對(duì)頂升設(shè)備及支架的要求不高，施工較為方便。
2 研究目的和內(nèi)容
支座位移法采用簡(jiǎn)單的施工處理技術(shù)來(lái)施加預(yù)應(yīng)力，具有施工方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。從理論上來(lái)講，大多數(shù)中小跨徑鋼—混凝土組合連續(xù)梁橋都可以采用這一方法，來(lái)解決中間支座附近的負(fù)彎矩問(wèn)題，從而避免或控制混凝土裂縫的產(chǎn)生。常州市馬公橋工程設(shè)計(jì)采用了鋼—混凝土組合連續(xù)梁橋，并用支座位移法施加預(yù)應(yīng)力。
結(jié)合該工程開(kāi)展以下幾方面的研究：
(1)通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果以及質(zhì)量控制指標(biāo)；
(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)試元件，測(cè)試相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)，以確定預(yù)應(yīng)力施加效果；
(3) 通過(guò)系列研究，達(dá)到保證馬公橋工程施工質(zhì)量的目的，解決該工程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并對(duì)以后類(lèi)似工程建設(shè)提出一些建議。
3 常州市馬公橋概況
馬公橋位于常州市市區(qū)西南側(cè)，是城市主干道上的一座重要橋梁，擔(dān)負(fù)著繁重的交通流量。
新建馬公橋總長(zhǎng)69m，為3 跨鋼—混凝土組合連續(xù)梁橋，中跨計(jì)算跨徑為28m，兩側(cè)邊跨各為18m，組合梁總長(zhǎng)64.6m ，橋梁寬36.6m。橋梁兩側(cè)縱坡均為2.5% ，豎曲線半徑為1 150m，橋面橫向不設(shè)橫坡。
設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車(chē)—超20級(jí)，掛車(chē)—120，人群4.5kN/m
2。
馬公橋下部結(jié)構(gòu)：橋墩為樁柱式，灌注樁樁徑為1.2m，長(zhǎng)41m，立柱直徑為1.0m，灌注樁和立柱各16根；橋臺(tái)為漿砌塊石重力式橋臺(tái)，基礎(chǔ)為樁徑1.0m的灌注樁，長(zhǎng)25m，共40根。
4 施加預(yù)應(yīng)力的方法
馬公橋采用端支座位移法施加預(yù)應(yīng)力。首先在鋼梁吊裝前，在臺(tái)帽的支座墊石上放置支座調(diào)整鋼板(每個(gè)支座墊石上疊放5塊規(guī)格為50cm×50cm×2cm的鋼板，總厚度10cm) ，如
圖5 所示；
然后將板式橡膠支座放在鋼板頂面上，進(jìn)行鋼梁吊裝；待鋼梁拼接完成形成整體后，每側(cè)臺(tái)帽上放置一定數(shù)量的千斤頂(慢車(chē)道橋6只，快車(chē)道橋8只)，同步將鋼梁頂高，抽去支座調(diào)整鋼板，使鋼梁端部整體下落10cm；然后在鋼梁上鋪設(shè)壓型板，扎鋼筋、澆橋面混凝土；待橋面混凝土養(yǎng)護(hù)10d后，重新用千斤頂將組合梁端部頂高，墊回支座調(diào)整鋼板，使端支座抬高10cm，頂高過(guò)程中一定要保證每只千斤頂頂升速度的同步性，否則，橋面混凝土因橫向受力不均，易產(chǎn)生裂縫；最后，將鋼梁平穩(wěn)地落在支座上。這樣，由于組合梁的被迫變形，橋面混凝土被施加了預(yù)壓應(yīng)力。操作的流程為：
在支座墊石上安放10cm厚的調(diào)整鋼板和橡膠支座→吊裝鋼梁→鋼梁拼裝、焊接，抽走10cm厚的調(diào)整鋼板、鋼梁下落→鋪設(shè)壓型板、綁扎橋面鋼筋→澆筑橋面混凝土、養(yǎng)生、頂高鋼梁→ 重新墊入10cm厚的調(diào)整鋼板→鋼板四周用砂漿封閉、防腐。
5 測(cè)試方案
5.1 測(cè)點(diǎn)布置
馬公橋的快車(chē)道共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別用扎絲將壓力傳感器固定在鋼筋混凝土橋面板厚度的中部；縱橋向布置于橋墩蓋梁靠近跨中一側(cè)的邊線處，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)；橫橋向分別位于3號(hào)鋼梁、中線、8號(hào)鋼梁處，詳見(jiàn)
圖6。
5.2 測(cè)試設(shè)備
(1)振弦式混凝土應(yīng)變計(jì)共4個(gè)；其參數(shù)見(jiàn)
表1。
(2)振弦式鋼筋計(jì)2個(gè)；其參數(shù)見(jiàn)表2。
5.3 測(cè)試結(jié)果
(1)頂高后組合梁在墩頂預(yù)壓應(yīng)力見(jiàn)
表3。
(2)頂高前后部分橋面標(biāo)高的變化見(jiàn)
表4。
表4 橋面標(biāo)高實(shí)測(cè)記錄
6 仿真計(jì)算
由于組合梁計(jì)算理論不夠完善，本文采用有限元方法來(lái)分析結(jié)構(gòu)在預(yù)彎過(guò)程中的受力狀態(tài)，通過(guò)大型分析軟件sap2000對(duì)馬公橋施加預(yù)應(yīng)力的過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，從而得出結(jié)構(gòu)在頂升過(guò)程中的變形值和應(yīng)力狀態(tài)。
6.1 計(jì)算模型
由于結(jié)構(gòu)在橫梁方向具有對(duì)稱(chēng)性，故只取一榀單元進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)模型中包括主梁、橫梁以及混凝土橋面。主梁和橫梁的幾何尺寸采用實(shí)際的結(jié)構(gòu)尺寸，主梁兩邊的混凝土橋面取87.5cm，為橫梁跨度的一半，厚度為20cm。
模型中主梁兩端先預(yù)彎10cm，中間支座為實(shí)際標(biāo)高，主梁軸線本身為一微彎曲線。主梁為一變截面鋼梁，在計(jì)算中根據(jù)實(shí)際情況輸入尺寸。
6.2 計(jì)算結(jié)果
(1) 應(yīng)力結(jié)果。
在計(jì)算中，主梁兩端的支座向上移動(dòng)10cm，在混凝土中建立預(yù)應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明通過(guò)這一過(guò)程能在中間墩頂建立起1～2MPa 的預(yù)壓應(yīng)力。應(yīng)力分布兩邊對(duì)稱(chēng)，分布范圍和數(shù)量值符合實(shí)際情況，說(shuō)明本次有限元分析模擬是成功的，其計(jì)算結(jié)果也是真實(shí)可信的。
(2) 位移結(jié)果。
在計(jì)算中，不但要關(guān)心結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)，還要關(guān)心結(jié)構(gòu)在頂升過(guò)程中的位移大小，也就是橋面標(biāo)高的變化。在頂升過(guò)程中，中間橋墩固定不動(dòng)，兩端頂升，橋中位置下降，逐漸恢復(fù)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。
兩端頂升了100mm，中間2個(gè)橋墩不動(dòng)。它們中間的3個(gè)橫梁與主梁的交點(diǎn)分別向上位移了67.5mm，42.0mm，21.6 mm。橋最中間處向下位移了63.1 mm。
7 理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較分析
(1)頂高前后，橋面標(biāo)高變化的實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果較為吻合，見(jiàn)
表5。
(2)橋面混凝土墩頂位置實(shí)測(cè)的預(yù)壓應(yīng)力為：平均應(yīng)變值( 3.435 ×10
-5) × 彈性模量( 3.5 × 10
4M Pa) =1.2M Pa，與仿真計(jì)算結(jié)果1～2M Pa也較為吻合。
8 支座位移法施加預(yù)應(yīng)力的研究結(jié)論
8.1 支座位移法的優(yōu)點(diǎn)及不足
8.1.1 優(yōu)點(diǎn)
(1) 力學(xué)效果好。
支座位移法施加的預(yù)應(yīng)力，能夠抵抗連續(xù)梁在墩頂承受的負(fù)彎矩，對(duì)避免墩頂處橋面裂縫的產(chǎn)生起到了良好的作用。
(2) 全長(zhǎng)施加了預(yù)應(yīng)力。
在連續(xù)梁全長(zhǎng)施加了預(yù)應(yīng)力，對(duì)預(yù)防橋面橫向裂縫的產(chǎn)生起到了積極作用。
(3) 經(jīng)濟(jì)。
基本不需要額外增加輔助材料，節(jié)省了預(yù)應(yīng)力筋、錨具等費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
(4) 施工方便。
避免了預(yù)加荷載法搬運(yùn)堆積荷載的麻煩，施工較為簡(jiǎn)便，省工、省力。
8.1.2 不足之處
(1) 工期長(zhǎng)。
支座位移法施加的預(yù)應(yīng)力，受混凝土徐變的影響較大，由于混凝土的養(yǎng)護(hù)期較長(zhǎng)，伸縮縫又不能同步施工，因此工期較長(zhǎng)。
(2) 徐變影響大。
試驗(yàn)證明，加荷時(shí)混凝土的齡期越早，則混凝土的徐變?cè)酱?。隨著徐變的不斷增加，橋面混凝土中的預(yù)應(yīng)力值將不斷減少。
(3) 預(yù)應(yīng)力值較小。
實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，支座位移法施加的預(yù)應(yīng)力值較小。
8.2 在支座位移法施工中的一些建議
(1) 同步頂高。
在組合梁的頂升過(guò)程中，要嚴(yán)格控制每根鋼梁的頂升速度，確保整個(gè)組合梁同步頂升。如頂升不同步，就會(huì)在橋面混凝土中產(chǎn)生橫橋向應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致橋面產(chǎn)生縱橋向裂縫。建議采用同步控制千斤頂來(lái)頂升橋梁。
(2) 鋼梁落不下的情況。
在抽走調(diào)整鋼板，鋼梁下落10cm 時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部鋼梁落不到底，鋼梁與支座有間隙的情況。這要查清原因，到底是鋼梁局部被雜物卡住，還是鋼梁自身剛度較大，僅依靠自重?zé)o法下落到支座上。通過(guò)排除雜物或加壓的方法，使所有鋼梁與支座密切貼合。
(3) 支座墊石表面要平整。
支座墊石澆筑時(shí)，要做到表面平整，既要保證單個(gè)支座墊石表面的平整度，還要保證一個(gè)臺(tái)帽上所有支座墊石的表面均在同一個(gè)平面內(nèi)，否則，端橫梁將承受額外的應(yīng)力。澆筑混凝土?xí)r要予以足夠的重視，可采取帶通線的方法對(duì)墊石表面進(jìn)行收光。一旦在支座墊石間出現(xiàn)高差，應(yīng)用1～5mm的薄鋼板墊入調(diào)整。支座位移時(shí)，薄鋼板始終留在墊石上，以保證每根鋼梁的升降量相同。
(4) 養(yǎng)護(hù)時(shí)間盡量要長(zhǎng)。
試驗(yàn)證明，加荷時(shí)混凝土的齡期越早，則混凝土的徐變?cè)酱蟆ｋS著徐變的不斷增加，橋面混凝土中的預(yù)應(yīng)力值將大大減少。為了盡量減少混凝土徐變，要加強(qiáng)對(duì)橋面混凝土的養(yǎng)護(hù)，保持較高的濕度，并盡可能延長(zhǎng)混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，最好在28d以后再頂高鋼梁，以降低預(yù)應(yīng)力值的衰減。同時(shí)，減少橋面混凝土中的水泥用量，降低水灰比，以減少混凝土的徐變量也是有好處的。
(5) 鋼板的毛刺要清除干凈，并進(jìn)行必要的防腐處理。
支座調(diào)整鋼板如果采用氣焊切割成型，必須將鋼板邊緣留下的毛刺剔除干凈，使鋼板與鋼板之間能密切貼合，以保證鋼板能均勻受力，并使各支座上的鋼板總厚度保持統(tǒng)一的10cm。為了使鋼板能長(zhǎng)期防腐，對(duì)每一塊鋼板都要進(jìn)行徹底除銹，涂防銹油漆，具體要求與鋼梁相同。在把組合梁頂高施加預(yù)應(yīng)力后，調(diào)整鋼板將永久留在支座墊石上，因此，需用1∶2的水泥砂漿將鋼板外露面封閉，阻斷鋼板與空氣的接觸，進(jìn)一步起到防腐效果。
(6) 欄桿帶、側(cè)石先澆時(shí)要留設(shè)變形縫。
由于工期要求緊，往往在組合梁頂高前，可以利用橋面混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)行橋面欄桿帶、側(cè)石的現(xiàn)澆工作。為了在組合梁頂高過(guò)程中，留出足夠的變形空間，防止混凝土被壓碎，應(yīng)在現(xiàn)澆欄桿帶、側(cè)石的墩頂、跨中位置留設(shè)1cm寬的變形縫。這樣，一方面使欄桿帶、側(cè)石在組合梁頂高過(guò)程可以自由變形，另一方面也避免增加頂升組合梁所需的頂升力。
9 結(jié)論
目前通過(guò)支座位移來(lái)施加預(yù)應(yīng)力的方法，在鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁中得到了一些應(yīng)用，這種方法比傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力張拉方式有較大優(yōu)勢(shì)，其施工方法比較簡(jiǎn)單，有較高的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。鑒于目前此種結(jié)構(gòu)的分析理論還不完善，本文結(jié)合常州市馬公橋工程的實(shí)例，對(duì)鋼—混凝土組合橋梁中支座位移法施加預(yù)應(yīng)力的技術(shù)進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論。
(1) 用支座位移法在鋼—混凝土組合梁橋中施加預(yù)應(yīng)力是切實(shí)可行的方法，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算的結(jié)果基本吻合，所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力明確有效。
(2) 支座位移法施加的預(yù)應(yīng)力，能夠抵抗連續(xù)梁在中間支座附近承受的負(fù)彎矩，對(duì)預(yù)防中間支座附近的橋面產(chǎn)生裂縫具有明顯效果，并且在連續(xù)梁全長(zhǎng)施加了預(yù)應(yīng)力，對(duì)預(yù)防橋面橫向裂縫的產(chǎn)生也起到了積極的作用。馬公橋經(jīng)過(guò)了一年多的使用，實(shí)踐證明質(zhì)量情況良好，橋面(包括負(fù)彎矩區(qū)) 無(wú)任何可見(jiàn)裂縫。
(3) 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，支座位移法施加的預(yù)應(yīng)力值較小。而且隨著混凝土徐變的不斷增加，橋面混凝土中由支座位移施加的預(yù)應(yīng)力值將不斷減少。因此，這種方法不適用于要求預(yù)應(yīng)力值較大及以預(yù)應(yīng)力直接承受荷載的結(jié)構(gòu)。
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