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)。當組合梁承受正彎矩作用時，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，組合簡支梁跨徑可達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。因此，鋼—混凝土組合梁橋近年來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0.1～0.15mm，再伸長就要出現(xiàn)裂縫。所以，當組合梁用作連續(xù)梁或懸臂梁，需要承受一定的負彎矩時，就會導致鋼筋混凝土橋面板局部段受拉，橋面開裂。因此，必須采取一定的措施，來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)。對于這種情況，施加預應(yīng)力是一種非常有效的處理方法。
1 施加預應(yīng)力的幾種方法
1.1 引入縱向力法
引入縱向力來施加預應(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)預應(yīng)力筋(包括預應(yīng)力粗鋼筋、預應(yīng)力鋼絞線等) ，通過張拉，對埋設(shè)預應(yīng)力筋的區(qū)段施加預應(yīng)力；第二種是在鋼梁下翼緣施加一個張力，使鋼梁變形后對上翼緣的混凝土橋面板施加一個預壓應(yīng)力。
1.2 預加荷載法
對于像懸臂梁這樣的外部靜定結(jié)構(gòu)，可以采用預加荷載法來施加預應(yīng)力，見圖1所示。
現(xiàn)以懸臂梁為例加以說明(見圖1)。首先，澆注懸掛跨、錨固跨跨中部分橋面板的混凝土，當其達到一定強度后，在這些橋面板上預加臨時荷載；然后再澆注支座附近的橋面板混凝土，等混凝土達到設(shè)計強度后便將預加荷載去掉，由于預加荷載的加載和卸載，使梁各處受到一個大小相等、符號相反的彎矩。
預加荷載可以用砂、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，不僅可作預加荷載，還可用作澆注混凝土時調(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應(yīng)力的過程可以用
圖2加以簡單說明。
首先，在鋼梁吊裝、拼接結(jié)束后，將中間支點抬高。接著，澆注橋面板混凝土，當其達到設(shè)計強度后，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)生了預壓應(yīng)力。這種方法的優(yōu)點是沿梁全長均施加了預應(yīng)力。
圖3為移動支座產(chǎn)生的彎矩圖。
對于長度較大的梁，鋼梁中部需要抬高很多，在實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，通過設(shè)置臨時支撐并將這些鉸在豎直方向頂高，或在設(shè)鉸處用千斤頂引進所需的彎矩，使組合梁在縱向恢復順直，并進行連接、固定，讓組合梁恢復連續(xù)性。
像其他長期荷載一樣，橋面中的預應(yīng)力值將隨著混凝土徐變的增大而降低。尤其是這種由強迫變形所引起的預應(yīng)力，下降得更為厲害。為使預應(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)護時間，減少徐變量。
支座位移法施加預應(yīng)力具有施工方便、經(jīng)濟實用的特點。避免了預加荷載法搬運堆積荷載的麻煩，也不需精確定位預應(yīng)力鋼筋，確保波紋管的暢通以及張拉、灌漿、封錨等工序，施工簡便，省工、省力，而且基本不需額外增加輔助材料，省卻了預應(yīng)力筋、錨具等費用。
(2) 端支座位移法。
中間支座上升、下降的效果， 用移動端支座的方法同樣可以達到。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)工地實際情況，往往移動端支座比移動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)支架或利用臺帽擱置千斤頂，對鋼梁進行頂高、下降，操作方便、安全。
②端支座移動比中間支座所需的頂升力要小，對頂升設(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
支座位移法采用簡單的施工處理技術(shù)來施加預應(yīng)力，具有施工方便、經(jīng)濟實用的特點。從理論上來講，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，來解決中間支座附近的負彎矩問題，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)計采用了鋼—混凝土組合連續(xù)梁橋，并用支座位移法施加預應(yīng)力。
結(jié)合該工程開展以下幾方面的研究：
(1)通過計算機仿真計算，驗證設(shè)計計算結(jié)果以及質(zhì)量控制指標；
(2)通過現(xiàn)場布置測試元件，測試相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)，以確定預應(yīng)力施加效果；
(3) 通過系列研究，達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)問題，并對以后類似工程建設(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，擔負著繁重的交通流量。
新建馬公橋總長69m，為3 跨鋼—混凝土組合連續(xù)梁橋，中跨計算跨徑為28m，兩側(cè)邊跨各為18m，組合梁總長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)計荷載標準：汽車—超20級，掛車—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41m，立柱直徑為1.0m，灌注樁和立柱各16根；橋臺為漿砌塊石重力式橋臺，基礎(chǔ)為樁徑1.0m的灌注樁，長25m，共40根。
4 施加預應(yīng)力的方法
馬公橋采用端支座位移法施加預應(yīng)力。首先在鋼梁吊裝前，在臺帽的支座墊石上放置支座調(diào)整鋼板(每個支座墊石上疊放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，進行鋼梁吊裝；待鋼梁拼接完成形成整體后，每側(cè)臺帽上放置一定數(shù)量的千斤頂(慢車道橋6只，快車道橋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 測試方案
5.1 測點布置
馬公橋的快車道共布置6個測點，每個測點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)對稱；橫橋向分別位于3號鋼梁、中線、8號鋼梁處，詳見
圖6。
5.2 測試設(shè)備
(1)振弦式混凝土應(yīng)變計共4個；其參數(shù)見
表1。
(2)振弦式鋼筋計2個；其參數(shù)見表2。
5.3 測試結(jié)果
(1)頂高后組合梁在墩頂預壓應(yīng)力見
表3。
(2)頂高前后部分橋面標高的變化見
表4。
表4 橋面標高實測記錄
6 仿真計算
由于組合梁計算理論不夠完善，本文采用有限元方法來分析結(jié)構(gòu)在預彎過程中的受力狀態(tài)，通過大型分析軟件sap2000對馬公橋施加預應(yīng)力的過程進行仿真計算，從而得出結(jié)構(gòu)在頂升過程中的變形值和應(yīng)力狀態(tài)。
6.1 計算模型
由于結(jié)構(gòu)在橫梁方向具有對稱性，故只取一榀單元進行計算。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彎10cm，中間支座為實際標高，主梁軸線本身為一微彎曲線。主梁為一變截面鋼梁，在計算中根據(jù)實際情況輸入尺寸。
6.2 計算結(jié)果
(1) 應(yīng)力結(jié)果。
在計算中，主梁兩端的支座向上移動10cm，在混凝土中建立預應(yīng)力。計算結(jié)果表明通過這一過程能在中間墩頂建立起1～2MPa 的預壓應(yīng)力。應(yīng)力分布兩邊對稱，分布范圍和數(shù)量值符合實際情況，說明本次有限元分析模擬是成功的，其計算結(jié)果也是真實可信的。
(2) 位移結(jié)果。
在計算中，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)在頂升過程中的位移大小，也就是橋面標高的變化。在頂升過程中，中間橋墩固定不動，兩端頂升，橋中位置下降，逐漸恢復到設(shè)計標高。
兩端頂升了100mm，中間2個橋墩不動。它們中間的3個橫梁與主梁的交點分別向上位移了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)與實測值進行比較分析
(1)頂高前后，橋面標高變化的實測值與計算結(jié)果較為吻合，見
表5。
(2)橋面混凝土墩頂位置實測的預壓應(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，與仿真計算結(jié)果1～2M Pa也較為吻合。
8 支座位移法施加預應(yīng)力的研究結(jié)論
8.1 支座位移法的優(yōu)點及不足
8.1.1 優(yōu)點
(1) 力學效果好。
支座位移法施加的預應(yīng)力，能夠抵抗連續(xù)梁在墩頂承受的負彎矩，對避免墩頂處橋面裂縫的產(chǎn)生起到了良好的作用。
(2) 全長施加了預應(yīng)力。
在連續(xù)梁全長施加了預應(yīng)力，對預防橋面橫向裂縫的產(chǎn)生起到了積極作用。
(3) 經(jīng)濟。
基本不需要額外增加輔助材料，節(jié)省了預應(yīng)力筋、錨具等費用，經(jīng)濟實用。
(4) 施工方便。
避免了預加荷載法搬運堆積荷載的麻煩，施工較為簡便，省工、省力。
8.1.2 不足之處
(1) 工期長。
支座位移法施加的預應(yīng)力，受混凝土徐變的影響較大，由于混凝土的養(yǎng)護期較長，伸縮縫又不能同步施工，因此工期較長。
(2) 徐變影響大。
試驗證明，加荷時混凝土的齡期越早，則混凝土的徐變越大。隨著徐變的不斷增加，橋面混凝土中的預應(yīng)力值將不斷減少。
(3) 預應(yīng)力值較小。
實測數(shù)據(jù)表明，支座位移法施加的預應(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。
在組合梁的頂升過程中，要嚴格控制每根鋼梁的頂升速度，確保整個組合梁同步頂升。如頂升不同步，就會在橋面混凝土中產(chǎn)生橫橋向應(yīng)力，嚴重時會導致橋面產(chǎn)生縱橋向裂縫。建議采用同步控制千斤頂來頂升橋梁。
(2) 鋼梁落不下的情況。
在抽走調(diào)整鋼板，鋼梁下落10cm 時，有時會出現(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，僅依靠自重無法下落到支座上。通過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，要做到表面平整，既要保證單個支座墊石表面的平整度，還要保證一個臺帽上所有支座墊石的表面均在同一個平面內(nèi)，否則，端橫梁將承受額外的應(yīng)力。澆筑混凝土時要予以足夠的重視，可采取帶通線的方法對墊石表面進行收光。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，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)護時間盡量要長。
試驗證明，加荷時混凝土的齡期越早，則混凝土的徐變越大。隨著徐變的不斷增加，橋面混凝土中的預應(yīng)力值將大大減少。為了盡量減少混凝土徐變，要加強對橋面混凝土的養(yǎng)護，保持較高的濕度，并盡可能延長混凝土的養(yǎng)護時間，最好在28d以后再頂高鋼梁，以降低預應(yīng)力值的衰減。同時，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。為了使鋼板能長期防腐，對每一塊鋼板都要進行徹底除銹，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，進一步起到防腐效果。
(6) 欄桿帶、側(cè)石先澆時要留設(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)護時間進行橋面欄桿帶、側(cè)石的現(xiàn)澆工作。為了在組合梁頂高過程中，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
目前通過支座位移來施加預應(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)的預應(yīng)力張拉方式有較大優(yōu)勢，其施工方法比較簡單，有較高的經(jīng)濟效應(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例，對鋼—混凝土組合橋梁中支座位移法施加預應(yīng)力的技術(shù)進行了研究，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應(yīng)力是切實可行的方法，實測數(shù)據(jù)與仿真計算的結(jié)果基本吻合，所產(chǎn)生的預應(yīng)力明確有效。
(2) 支座位移法施加的預應(yīng)力，能夠抵抗連續(xù)梁在中間支座附近承受的負彎矩，對預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)梁全長施加了預應(yīng)力，對預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)過了一年多的使用，實踐證明質(zhì)量情況良好，橋面(包括負彎矩區(qū)) 無任何可見裂縫。
(3) 實測數(shù)據(jù)表明，支座位移法施加的預應(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應(yīng)力值將不斷減少。因此，這種方法不適用于要求預應(yīng)力值較大及以預應(yīng)力直接承受荷載的結(jié)構(gòu)。
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