變截面鋼板組合梁施工方案結構性能對比分析

朱 眾 趙 陽

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

近年來我國大力推廣鋼結構橋梁，而鋼板組合梁作為鋼結構橋梁中主要的結構形式(見圖1)，通過栓釘連接件使鋼梁和混凝土板形成組合結構，以其適用跨徑范圍較廣、較為經濟的特點[1]得到日益廣泛的應用。

圖1 鋼板組合梁結構示意圖(小橫梁)

然而對于連續(xù)組合梁結構，在其負彎矩區(qū)，鋼梁與混凝土之間的組合作用會使組合梁處于混凝土受拉、鋼梁受壓的不利狀態(tài)[2]，從而容易出現(xiàn)拉應力超限問題，進而產生裂縫；同時，連續(xù)組合梁在不同的施工方案下的結構性能也存在較大差異，橋面板及鋼梁均有可能因不同的方案在施工階段下出現(xiàn)應力超限問題。

針對上述情況，國內學者進行了相關研究。聶建國、余志武等[3]最先開展對這種組合結構的應用性能研究；同時，聶建國、張眉河[4]對負彎矩區(qū)工作性能進行了研究，提出負彎矩區(qū)裂縫寬度計算有別于普通鋼筋混凝土；劉少華等[5]對鋼-混組合梁施工階段受力性能進行了分析；聶建國、陶慕軒等[6]討論了鋼-混凝土組合結構橋梁研究新進展，并針對抗裂難題提出抗拔不抗剪連接新技術[7]。

目前，處理負彎矩區(qū)橋面板開裂的技術手段主要集中在結構構造形式和理論計算方面，包括加密布置鋼筋、縱向預應力技術、改進連接件布置形式、鋼下翼緣外包混凝土等，而對于施工階段中結構的性能研究相對較少。同時，不同方案對連續(xù)組合梁結構在施工階段和成橋狀態(tài)的影響也不同。因此，有必要進行不同施工方案下結構性能的對比分析，進而從施工工藝角度提供優(yōu)化思路。

1 變截面鋼板連續(xù)梁設計參數

本文以跨徑組成為65 m+120 m+65 m的某變截面鋼板連續(xù)梁為工程背景，圖2為該橋總體布置圖。橋梁總寬16.0 m(0.5 m防護欄+15.00 m行車道+0.5 m防護欄)，雙向4車道，橋面橫坡1%。主梁橫向由5片鋼板梁組成，鋼板梁之間設置橫向連接系；其中墩頂至L/8的負彎矩區(qū)域所用鋼材為Q420鋼，其余區(qū)域均為Q345鋼。橋面采用C60預制混凝土橋面板，橋面板普通鋼筋為HPB300光圓鋼筋及HRB400螺紋鋼筋。連接件采用群釘形式設置于工字鋼上翼緣，橋面板設置剪力槽，通過澆筑剪力槽處混凝土與工字鋼主梁連接成整體。

圖2 橋梁總體布置圖(單位：cm)

橫截面布置見圖3，橋面板厚350 mm,跨中截面高3 m，工字鋼主梁高2 650 mm；支點截面高4.8 m，工字鋼主梁高4 450 mm。

圖3 橫截面布置圖(單位：mm)

2 計算有限元模型

2.1 有限元模型建立

全橋模型共劃分為3 504個單元，2 510個節(jié)點，成橋計算模型見圖4，采用雙主梁單元，即工字鋼主梁與橋面板采用雙單元形式，忽略鋼梁與橋面板之間的滑移效應，利于建立不同施工方案和施工階段，進行橋面板和鋼主梁的應力變形讀取。

圖4 有限元計算模型圖

如圖5所示，在橋面板安裝過程中，橋面板剪力槽未澆筑混凝土之前，鋼主梁對橋面板只起支撐作用，用彈性連接中“僅受壓”來模擬；在澆筑剪力槽內混凝土后，通過彈性連接中“剛性連接”模擬。

圖5 連接件模擬圖

2.2 施工方案設計

針對變截面鋼板連續(xù)梁提出3種施工方案，具體如下。

1) 工字鋼主梁與橋面板同步安裝。懸臂對稱吊裝工字鋼主梁→安裝對應預制橋面板→澆筑剪力槽混凝土→懸臂對稱吊裝下節(jié)段→……。

圖6 同步安裝示意圖

2) 工字鋼主梁合龍后橋面板順序依次安裝。合龍鋼主梁→依次安裝預制橋面板完成→澆筑剪力槽混凝土。

圖7 順序安裝示意圖

3) 工字鋼主梁合龍后橋面板間斷安裝。合龍鋼主梁→安裝正彎矩區(qū)橋面板→澆筑剪力槽混凝土→安裝負彎矩區(qū)橋面板→澆筑剪力槽混凝土。

圖8 間斷安裝示意圖

3 施工方案對比分析

3.1 施工過程應力變化

為分別考察上述3種施工方案下不同施工工序下上部結構應力變化，選取工字鋼主梁和橋面板幾個關鍵截面進行對比分析。如圖9所示，包括中間支點處鋼主梁上翼緣、橋面板，中跨L/8，L/4，3L/8，L/2處鋼主梁上翼緣、橋面板。

圖9 關鍵截面選取示意圖

3.1.1同步安裝

1) 鋼主梁上翼緣應力變化。在同步安裝過程中，鋼主梁上翼緣應力較小,各截面應力在各施工階段下幾乎處于受拉狀態(tài)下，最大應力值均出現(xiàn)在最大懸臂狀態(tài)下，最大拉應力為64 MPa，位于墩頂截面。

2) 橋面板應力變化

圖10 同步安裝橋面板應力圖

從圖10橋面板各截面在施工階段下的應力狀態(tài)可知：在懸臂初期，墩頂、L/8、L/4處截面橋面板均處于受壓狀態(tài)；隨著懸臂伸長，墩頂、L/8截面均出現(xiàn)了拉應力超限問題，3L/8、跨中處截面處于受壓狀態(tài)。由此可見，模型中在負彎矩區(qū)處設置縱向預應力筋，對懸臂初期效果較好，但懸臂伸長，墩頂處負彎矩也隨之增大，在L/4處節(jié)段吊裝后即出現(xiàn)拉應力，在成橋前最大拉應力為9.1 MPa，超過C60混凝土軸心抗拉強度設計值。

3.1.2鋼主梁合龍后一次安裝

1) 鋼主梁上翼緣應力變化。在安裝第一跨橋面板時，第二跨墩頂至跨中各截面上翼緣均處于受拉狀態(tài)；安裝第二跨橋面板時，第二跨跨中及3L/8處截面上翼緣開始受壓，這是因為安裝第一跨橋面板時荷載對第二跨鋼主梁產生了預加力。整個階段最大拉應力為墩頂143 MPa，最大壓應力為跨中149 MPa。

2) 橋面板應力變化

圖11 一次安裝橋面板應力圖

由圖11可見，安裝墩頂處橋面板產生較小的壓應力，而在按順序施工安裝第二跨跨中橋面板時，除了跨中正彎矩區(qū)域橋面板為受壓狀態(tài)，墩頂至L/4處均出現(xiàn)拉應力，最大拉應力為L/8截面5.8 MPa，超過C60軸心抗拉強度設計值。原因是墩頂沒有足夠的壓應力儲備，在順序安裝至第二跨跨中時，由于較大的跨徑，橋面板安裝的荷載將對墩頂區(qū)域產生一定的負彎矩，造成橋面板出現(xiàn)拉應力。

3.1.3鋼主梁合龍后間斷安裝

1) 鋼主梁上翼緣應力變化。間斷安裝橋面板方案下，墩頂處截面上翼緣出現(xiàn)最大拉應力，為231 MPa；跨中截面上翼緣出現(xiàn)最大壓應力，為102 MPa。安裝第二跨跨中橋面板時，鋼主梁上翼緣應力變化較為明顯；安裝第三跨橋面板時，第二跨鋼主梁各截面應力變化較小。

2) 橋面板應力變化

圖12 間斷安裝橋面板應力圖

由圖12可見，間斷施工方案下，橋面板各截面具有良好的壓應力儲備。前兩跨安裝過程中，橋面板各截面均處于受壓狀態(tài)，最大壓應力為墩頂3.6 MPa。安裝第三跨橋面板時(施工階段CS19后)，第二跨橋面板應力均有所變化，其中跨中和3L/8處截面應力變化較為明顯，3L/8處橋面板出現(xiàn)最大拉應力為1.4 MPa，墩頂至L/4處負彎矩區(qū)拉應力小于0.7 MPa，各截面橋面板拉應力均小于C60軸心抗拉強度設計值。

3.2 施工方案對比分析

為了分析3種施工方案下成橋后對結構性能的影響，選取正常使用極限狀態(tài)下的標準組合作用對結構關鍵截面的應力、變形進行對比分析。為方便概述，同步安裝為方案一，鋼主梁合龍后一次安裝為方案二，鋼主梁合龍后間斷安裝為方案三。

3.2.1結構應力對比

圖13所示為正常使用極限狀態(tài)標準組合下，3種不同方案的鋼梁應力對比(包括上、下翼緣)?？梢?，方案一鋼主梁上翼緣應力變化較方案二、三??；方案二和方案三應力變化趨勢較為相似，方案三最大拉應力在墩頂截面，為255 MPa，滿足負彎矩區(qū)Q420鋼材強度設計范圍；方案二最大壓應力在跨中截面，為201 MPa。鋼主梁截面下翼緣應力變化趨勢一致，最大壓應力均在墩頂處，為205 MPa，而跨中截面最大拉應力為方案二，為167 MPa。

圖13 標準組合鋼梁應力對比圖

圖14所示為正常使用極限狀態(tài)標準組合下，3種不同方案的橋面板應力對比?？梢姡桨敢缓头桨付诙枕斨罫/8處均存在拉應力超限問題；方案三在墩頂負彎矩區(qū)域內的橋面板拉應力明顯小于其它2種方案，最大拉應力為1.5 MPa，較方案一減少10 MPa，較方案二減少6 MPa。說明方案三間斷安裝橋面板可以有效減小負彎矩區(qū)域的拉應力，有利于成橋狀態(tài)下的結構受力。

圖14 標準組合橋面板應力對比圖

3.2.2結構變形對比

3種方案下由自重和靜活載產生的主梁的豎向變形對比見圖15。

圖15 標準組合主梁豎向變形對比圖

由圖可見，3種施工方案下的組合梁的位移主要在中跨跨中位置產生差異，組合梁在邊跨的變形量差別較小。方案一最大變形量為260 mm，方案二為454 mm，方案三為549 mm，較方案一差值為289 mm。原因為方案二、三在施工階段中鋼主梁與橋面板未同步施工，即未形成組合截面前鋼主梁剛度較方案一組合梁小，跨中變形量較方案一大。

4 負彎矩區(qū)混凝土橋面板應力控制

4.1 支點頂升法

根據上述可知，大跨徑組合鋼板梁橋負彎矩區(qū)混凝土橋面板存在拉應力超限問題，容易產生裂紋，導致負彎矩區(qū)組合截面失效。建議采取支點頂升等[9]較適用于大跨徑組合梁的措施，它可以和間斷安裝橋面板工法結合，進而有效控制負彎矩區(qū)混凝土橋面板裂縫的產生，見圖16。

圖16 支點頂升法示意圖

4.2 支點頂升量分析

支點理想頂升量可以通過對比分析不同頂升距離對結構應力的影響來確定。本次對比擬設置頂升中間支座方案，起頂距離為10，20，30，40，50 cm，然后回落至設計點，分析正常使用極限狀態(tài)標準組合下關鍵截面應力狀態(tài)。不同頂升距離下的鋼梁部分截面應力值見表1，橋面板應力計算分析結果見圖17。

表1 支點不同頂升量的結構應力對比

圖17 不同頂升量橋面板應力對比圖

由表1可見，在正常使用極限狀態(tài)標準組合下，鋼主梁支座處截面上翼緣拉應力隨頂升量增加而增大，在支座頂升距離為50 cm時，鋼主梁上翼緣拉應力為272 MPa；邊跨和中跨跨中截面上翼緣壓應力隨頂升量增加而減??；同上翼緣，各關鍵截面下翼緣應力在支座處壓應力減小，在邊跨和中跨跨中處拉應力增大。原因是支點頂升相當于在墩頂區(qū)域施加負彎矩，其附加彎矩抵消一部分跨中正彎矩，使跨中正彎矩減小，墩頂負彎矩增加。

由圖17可見，在正常使用極限狀態(tài)標準組合下，支座處截面橋面板在頂升距離為30 cm時從拉應力轉變?yōu)閴簯Α?/p>

綜合上述分析可知，當頂升距離取30 cm時可保證正常使用極限狀態(tài)下橋面板不出現(xiàn)拉應力，而負彎矩區(qū)工字鋼主梁最大應力為256 MPa，具備一定的富余值。

5 結論

1) 對于大跨徑變截面鋼板組合梁，鋼梁合龍后間斷安裝橋面板形成組合截面可有效減小負彎矩區(qū)拉應力，有利于施工過程中結構的受力。

2) 在正常使用極限狀態(tài)標準組合下，間斷安裝橋面板方案的成橋結構各部件應力均在容許范圍內，且有一定的應力安全儲備。

3) 支點頂升法相比于設置縱向預應力筋，前者更適用于解決大跨徑組合梁負彎矩區(qū)橋面板應力超限問題，本工程設置支點頂升理想距離為30 cm左右。

4) 間斷安裝法與支點頂升法能夠配合施工，兩者在工序上不相沖突，適用于橋面板負彎矩區(qū)拉應力超限問題，能夠有效地控制橋面板在施工階段和成橋狀態(tài)下裂縫的產生。