雙面組合連續(xù)梁橋施工階段模擬分析

劉小軍

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

鋼-混凝土組合梁橋已在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用[1]。它合理地利用現(xiàn)今土木工程界最重要的兩種材料的力學(xué)特性，通過抗剪連接件將混凝土板與鋼梁組合成整體，避免了混凝土受拉易開裂，鋼梁受壓易失穩(wěn)的不利問題，同時(shí)還具備較輕的自重和較高的剛度[2-3]。

鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋中支座位置處會(huì)出現(xiàn)鋼梁受壓，混凝土受拉的不利情況，容易造成混凝土板開裂，降低結(jié)構(gòu)的剛度和耐久性。通過在負(fù)彎矩區(qū)鋼箱梁內(nèi)澆筑混凝土，形成雙面組合梁結(jié)構(gòu)可以明顯改善這一問題，如圖1所示，同時(shí)給予鋼箱梁腹板以側(cè)向支撐，在一定范圍內(nèi)防止鋼結(jié)構(gòu)的局部失穩(wěn)[4-5]。

圖1 組合梁截面示意圖

本文以一座典型的鋼-混雙面組合箱梁橋?yàn)橐劳校榻B了相關(guān)鋼箱梁底板混凝土與頂板混凝土分段澆筑的方法。同時(shí)，運(yùn)用有限元軟件建立該橋的精細(xì)化有限元模型，采用施工階段模擬的方法，分析設(shè)置鋼箱梁底板混凝土對(duì)鋼-混組合梁橋的影響，計(jì)算得到了各施工階段控制截面的豎向位移、鋼箱梁應(yīng)力和混凝土應(yīng)力。

1 工程概況及有限元模型建立

本文依托某實(shí)際鋼-混雙面組合連續(xù)箱梁橋。該橋?yàn)槟掣咚僭训罉?，全長90 m，其跨徑布置為3×30 m，橋梁中心線處于半徑R=90 m圓弧線上。主梁采用雙箱單室，雙箱之間用橫梁連接，鋼箱梁頂板寬8.5 m，單箱底板寬2.0 m，外側(cè)單懸臂1.25 m，梁中心高度為1.695 m，兩個(gè)中支座截面左右8 m澆筑箱梁底板混凝土。該橋采用C50混凝土、Q345qD鋼材，鋼筋等級(jí)為HRB335，有限元分析中采用實(shí)體單元模擬混凝土，板單元模擬鋼材，鋼筋單元模擬鋼筋，有限元模型如圖2所示。

圖2 全橋空間精細(xì)化模型

鋼箱梁底板混凝土與橋面混凝土分段澆筑的理論方法如圖3所示，有限元分析中加入預(yù)加荷載的概念[6]，如圖4所示，為的是給負(fù)彎矩區(qū)混凝土施加預(yù)壓應(yīng)力，防止混凝土開裂。分析工況有二，具體的施工階段如表1所示。

圖3 底板混凝土與頂板混凝土分段澆筑理論方法

圖4 預(yù)加荷載施加預(yù)應(yīng)力法

表1 施工階段劃分

2 計(jì)算結(jié)果分析

隨著施工階段的進(jìn)行，計(jì)算得到工況一與工況二的結(jié)果如圖5～圖9所示，當(dāng)在箱梁底板設(shè)置混凝土形成雙面組合梁時(shí)，結(jié)構(gòu)的豎向位移與鋼梁應(yīng)力均有所降低，說明雙面組合梁能夠增加結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度。值得注意的是第六階段卸掉預(yù)加荷載后支座截面混凝土呈受壓狀態(tài)，說明預(yù)加荷載法能夠給混凝土板施加預(yù)壓應(yīng)力，同時(shí)成橋狀態(tài)時(shí)工況一中支座截面混凝土橋面板受壓，工況二橋面板受拉，說明雙面組合梁對(duì)負(fù)彎矩區(qū)抗裂有積極作用。

對(duì)比圖7～圖9可以分析得到，連續(xù)梁橋的鋼梁受力狀態(tài)為支座截面大于邊跨跨中大于中跨跨中，所以設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注重支座截面的控制與監(jiān)測。

圖5 跨中豎向位移

圖6 支座截面混凝土橋面板應(yīng)力

圖7 邊跨跨中鋼梁應(yīng)力

圖8 支座截面鋼梁應(yīng)力

圖9 中跨跨中鋼梁應(yīng)力

3 結(jié)論

a）雙面組合連續(xù)梁能夠有效減小結(jié)構(gòu)的豎向位移、鋼梁應(yīng)力和負(fù)彎矩區(qū)橋面板混凝土受拉應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)的剛度、抗疲勞性和抗裂性。

b）預(yù)加荷載法能夠給負(fù)彎矩區(qū)混凝土施加預(yù)壓應(yīng)力，應(yīng)進(jìn)一步研究預(yù)加荷載法的施工工藝，提高施加預(yù)應(yīng)力的效果。

c）連續(xù)梁橋的鋼梁受力狀態(tài)為支座截面大于邊跨跨中大于中跨跨中，設(shè)計(jì)施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)支座截面的控制與監(jiān)測。