疊合時(shí)間對(duì)鋼-混組合結(jié)構(gòu)梁橋受力及經(jīng)濟(jì)影響研究

李立峰，胡夢(mèng)蝶，馮威，劉新華

疊合時(shí)間對(duì)鋼-混組合結(jié)構(gòu)梁橋受力及經(jīng)濟(jì)影響研究

李立峰1，胡夢(mèng)蝶1，馮威2，劉新華3

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 西安公路研究院，陜西 西安 710065；3. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

為研究鋼-混組合結(jié)構(gòu)中鋼梁與混凝土板的疊合時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性能的影響，以一座40 m跨鋼-混組合梁橋?yàn)槔?，提?種常見的施工工藝，并建立相應(yīng)的有限元模型，對(duì)不同工藝下的結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行對(duì)比；以用鋼量、吊裝設(shè)備租賃費(fèi)、架設(shè)組合梁的人工費(fèi)為相對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立相對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)公式，對(duì)各工藝的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果表明：采用“先疊合鋼板梁與預(yù)制橋面板、后整體吊裝架設(shè)”工藝時(shí)，疊合時(shí)間早，具有組合受力形式好、變形小、鋼梁用量省等優(yōu)勢(shì)，且預(yù)制混凝土橋面板減小了收縮徐變效應(yīng)的不利影響；雖然整體吊裝設(shè)備費(fèi)用略高，但綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。該施工工藝可在組合結(jié)構(gòu)工程中推廣應(yīng)用。

橋梁工程；鋼?混組合梁；疊合時(shí)間；有限元；經(jīng)濟(jì)性能

鋼?混組合結(jié)構(gòu)梁橋充分發(fā)揮了2種材料在力學(xué)性能上的優(yōu)勢(shì)，具有材料利用率高、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。交通部于2016年正式下發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》[1]也進(jìn)一步推動(dòng)了鋼結(jié)構(gòu)和鋼?混組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可見該類橋梁在國(guó)內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展條件。鋼?混組合梁橋至今已形成多種結(jié)構(gòu)形式和施工工藝，如：橋面板有現(xiàn)澆、預(yù)制和部分預(yù)制部分現(xiàn)澆之分；鋼板梁與混凝土板的疊合時(shí)間有先疊合再吊裝、架設(shè)，或先吊裝、架設(shè)再疊合等施工工藝。隨著結(jié)構(gòu)形式和施工工藝的不斷豐富，橋梁建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和綜合效益有了更廣泛的關(guān)注和討論。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼?混組合結(jié)構(gòu)梁橋的關(guān)鍵技術(shù)開展了大量研究。項(xiàng)貽強(qiáng)等[2]對(duì)目前鋼?混組合橋梁快速施工技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了跟蹤；邵長(zhǎng)宇[3]針對(duì)大跨度連續(xù)組合箱梁橋的橋面板澆筑順序、負(fù)彎矩區(qū)構(gòu)件設(shè)計(jì)、剪力連接件布置等問題提出了設(shè)計(jì)及施工措施優(yōu)化；劉永健等[4]將鋼?混組合梁橋與其他類型的中小跨徑梁橋在前期設(shè)計(jì)、中期施工及后期維修與養(yǎng)護(hù)等方面進(jìn)行技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。通過這些研究可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)施工工藝的提升和優(yōu)化可進(jìn)一步發(fā)揮鋼?混組合梁橋的整體經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，使經(jīng)濟(jì)效益最大化。目前，關(guān)于不同疊合時(shí)間對(duì)組合結(jié)構(gòu)受力性能的影響方面的研究還不多。本文將結(jié)合云南省某高速公路40 m跨標(biāo)準(zhǔn)段鋼?混組合梁橋，提出4種不同施工工藝，采用有限元法分析鋼板梁與混凝土板的不同疊合時(shí)間對(duì)鋼?混組合結(jié)構(gòu)受力性能的影響，并以用鋼費(fèi)、吊裝設(shè)備租賃費(fèi)、架設(shè)組合梁人工費(fèi)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)公式，由此對(duì)各施工工藝的相對(duì)經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行評(píng)估。

1 工程概述

本依托工程為多聯(lián)等跨布置，標(biāo)準(zhǔn)段為3×40 m鋼?混組合梁橋、先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)。單幅橋面寬16.8 m，由6片梁組成。主梁梁高2.1 m，采用C50混凝土及Q345工字鋼形成鋼?混組合截面，具體布置如圖1所示。為防止鋼梁屈曲，沿橋縱向設(shè)置多道橫向加勁肋及鋼橫撐；為保證鋼與混凝土結(jié)合面的密封性，在結(jié)合處澆筑20 mm厚的環(huán)氧砂漿。

單位：mm

2 不同疊合時(shí)間的施工工藝

鋼?混組合結(jié)構(gòu)中，鋼板梁與混凝土板根據(jù)疊合時(shí)間的不同，一般分為先疊合再吊裝、架設(shè)，或先吊裝、架設(shè)再疊合。結(jié)合依托工程，本節(jié)將提出4種不同施工工藝，并對(duì)各施工工藝及其受力特點(diǎn)進(jìn)行分析和比較。依托工程的主梁橫向布置了6片鋼板梁，本節(jié)將以2片梁進(jìn)行闡述。

2.1 工藝1：先鋼梁架設(shè)就位、后澆筑混凝土橋面板

本方案中，先將鋼梁吊裝至橋位、安裝橫向聯(lián)結(jié)系，再搭設(shè)模板完成現(xiàn)澆混凝土橋面板施工。其施工過程如圖2所示。

(a)架設(shè)鋼梁至橋位，安裝鋼橫撐；(b) 現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土橋面板

從受力特點(diǎn)來看，本方案采用橋面板現(xiàn)澆施工，混凝土板與鋼梁、連接件結(jié)合緊密，結(jié)構(gòu)整體性好。但是，施工初期需要鋼梁獨(dú)自承擔(dān)鋼梁和橋面板重量及所有施工荷載，形成組合梁后，混凝土板才能參與受力，導(dǎo)致鋼梁整體應(yīng)力水平大，且需要布置相當(dāng)數(shù)量的加勁肋及橫向聯(lián)結(jié)系，以防鋼梁產(chǎn)生失穩(wěn)及局部屈曲問題。此外，現(xiàn)澆混凝土板的收縮徐變效應(yīng)更為明顯，使組合梁截面內(nèi)力重分布大，將進(jìn)一步加大鋼梁應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利。

從施工經(jīng)濟(jì)性來看，現(xiàn)澆施工不需要大型的吊裝設(shè)備以及專門的預(yù)制場(chǎng)地，但現(xiàn)澆橋面板施工工期長(zhǎng)、臨時(shí)支架的大量使用均會(huì)增加工程成本。

2.2 工藝2：先鋼梁架設(shè)就位、后吊裝預(yù)制混凝土橋面板

本方案在工藝1的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)澆橋面板改為預(yù)制橋面板。具體施工過程如下：吊裝鋼梁至橋位并組拼鋼橫撐，再吊裝預(yù)制橋面板使橋面板的預(yù)留孔位與鋼梁剪力釘群精準(zhǔn)就位，最后澆筑橋面板縱、橫向濕接縫，形成組合結(jié)構(gòu)體系，見圖3。

(a) Step 1：架設(shè)鋼梁至橋位，并安裝鋼橫撐；(b) Step 2：吊裝預(yù)制混凝土橋面板

本方案受力特點(diǎn)和工藝1類似，與橋面板形成組合結(jié)構(gòu)前僅鋼梁承擔(dān)所有荷載，不同的是，由于采用了預(yù)制橋面板，混凝土早期變形和水化熱過程已在預(yù)制場(chǎng)完成，可以明顯改善結(jié)構(gòu)受力性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了橋面板的標(biāo)準(zhǔn)化制作，構(gòu)件質(zhì)量可控且無需高空作業(yè)，但施工時(shí)應(yīng)妥善處理濕接縫。

2.3 工藝3：先完成鋼板梁與預(yù)制橋面板疊合、后整體吊裝就位

本方案與工藝2最大的不同是，先在施工場(chǎng)地將鋼板梁與預(yù)制橋面板疊合，形成組合梁，再整體吊裝組合梁至橋位，施工過程如圖4所示。

本方案中鋼?混組合梁的疊合時(shí)間早，由組合結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)自重及施工荷載，結(jié)構(gòu)受力形式好，但整體吊裝組合梁時(shí)吊裝噸數(shù)大，會(huì)受到設(shè)備的吊裝能力和環(huán)境條件等因素的限制。

(a) Step 1：在預(yù)制場(chǎng)地完成鋼板梁、鋼橫撐的制作及組裝，與預(yù)制橋面板形成組合梁后現(xiàn)澆濕接縫；(b) Step 2：整體吊裝組合梁至橋位

2.4 工藝4：先澆筑部分混凝土與鋼板梁疊合、后吊裝至橋位、再澆筑余下混凝土橋面板

為減小工藝3整體吊裝的設(shè)備要求，因此提出了工藝4：先在鋼梁上現(xiàn)澆約100 mm厚的混凝土橋面板，后整體吊裝組合梁至橋位；再以底層混凝土為模板，現(xiàn)場(chǎng)澆筑約180 mm厚的混凝土，形成二次澆筑疊合橋面板，施工過程如圖5所示。

Step 1：完成鋼板梁、鋼橫撐的制作及拼接，再現(xiàn)澆部分混凝土，待達(dá)齡期后準(zhǔn)備吊裝至橋位

分層澆筑橋面板的底層混凝土提前與鋼梁形成整體。相比現(xiàn)澆橋面板，可作為現(xiàn)澆混凝土施工的底模，減少了支架和模板的使用；相比預(yù)制橋面板，可以提前參與受力，又可減小吊裝重量。

但是，采用2次澆筑混凝土施工，使得施工工藝更加復(fù)雜，同時(shí)需要特別注意分層澆筑的混凝土能否保證良好的共同工作性能。相較一次澆筑成形的混凝土，其整體受力性能、抗?jié)B性能應(yīng)予以關(guān)注：一方面，若層間結(jié)合部位處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)裂縫；另一方面，不同混凝土層的澆筑時(shí)間不宜相隔過長(zhǎng)。為減小層與層之間的約束應(yīng)力，工程實(shí)踐表明，底層混凝土澆筑完成后，一般在4～10 d內(nèi)澆筑頂層混凝土，本文2次澆筑齡期差取為7 d。

2.5 工藝對(duì)比

通過以上工藝對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：

1) 采用“先吊裝、架設(shè)鋼梁，再疊合組合梁”(工藝1，2)施工時(shí)，組合梁疊合時(shí)間晚，施工初期僅由鋼梁?jiǎn)为?dú)受力，易產(chǎn)生鋼梁應(yīng)力過大、腹板及頂板的局部屈曲和鋼梁的整體傾覆等問題，需要布置足夠的側(cè)向支撐；

2) 采用“先疊合組合梁，再整體吊裝、架設(shè)”(工藝3，4)施工時(shí)，組合梁疊合時(shí)間早，更能發(fā)揮組合結(jié)構(gòu)的受力優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)考慮吊裝設(shè)備能力及吊裝施工成本的問題；

3) 相較現(xiàn)澆混凝土橋面板，預(yù)制板一般在吊裝前存放3～6個(gè)月，可改善收縮徐變的不利影響；

4) 采用分層澆筑橋面板，施工工藝復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)性不突出，綜合效益有待進(jìn)一步討論。

由以上闡述可知，4種施工工藝具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及施工限制條件，實(shí)施時(shí)還需結(jié)合實(shí)際工程，定量分析不同工藝對(duì)組合梁的結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟(jì)效益的影響。

3 4種工藝的結(jié)構(gòu)受力性能對(duì)比

本節(jié)將采用橋梁有限元軟件，對(duì)依托工程分別建立4個(gè)不同工藝下的分析模型，并對(duì)其受力展開分析。

3.1 計(jì)算模型

建立分析模型時(shí)，4種不同工藝的截面先統(tǒng)一按照?qǐng)D1所示布置，模型如圖6所示。

圖6 40 m跨鋼?混組合梁橋有限元模型

3.2 計(jì)算荷載

分析荷載包括：一期恒載按結(jié)構(gòu)實(shí)際自重計(jì)入，二期恒載為14.71 kN/m。設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)。均勻溫度按整體升溫、降溫20 ℃；梯度溫度按規(guī)范要求取值。環(huán)境相對(duì)濕度取70%。

3.3 計(jì)算結(jié)果

依據(jù)我國(guó)鋼混組合橋梁規(guī)范[19]規(guī)定，按持久設(shè)計(jì)狀況下的最不利組合，計(jì)算得到各工藝下跨中截面的應(yīng)力結(jié)果，見表1。

由表1結(jié)果可知，統(tǒng)一按照?qǐng)D1所示截面進(jìn)行分析時(shí)，工藝1和2的跨中截面鋼梁應(yīng)力遠(yuǎn)大于工藝3和4。規(guī)范[19]規(guī)定，鋼?混組合結(jié)構(gòu)在持久狀況下的鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力不應(yīng)大于75%的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(即0.75×295=221.25 MPa)。工藝1和工藝2的跨中鋼梁頂緣壓應(yīng)力高達(dá)278.50 MPa和261.40 MPa，底緣應(yīng)力也偏大，均超出規(guī)范規(guī)定，不能滿足規(guī)范要求，需要進(jìn)一步合理調(diào)整結(jié)構(gòu)或布置。但工藝3和4的鋼梁應(yīng)力滿足要求，同時(shí)在實(shí)際工程中采用了工藝3施工。

表1 不同疊合時(shí)間下鋼?混組合梁橋的組合應(yīng)力結(jié)果(拉＋壓?)

對(duì)比依托工程橋梁在不同施工工藝下的組合應(yīng)力結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)疊合時(shí)間對(duì)鋼梁應(yīng)力有較大影響：采用“先吊裝、架設(shè)鋼梁，再疊合組合梁”工藝時(shí)，因疊合時(shí)間晚，未形成組合結(jié)構(gòu)前，僅鋼梁?jiǎn)为?dú)承受所有荷載，導(dǎo)致鋼梁應(yīng)力水平大，甚至難以滿足規(guī)范要求；若改用“先疊合組合梁，再整體吊裝、架設(shè)”工藝時(shí)，鋼梁、混凝土板及剪力釘疊合而成的組合梁共同受力早，鋼梁應(yīng)力明顯降低。

4 結(jié)構(gòu)調(diào)整后各工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

為保證組合梁不同工藝下的可行性及可比性，本節(jié)將首先對(duì)工藝1，2的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行調(diào)整，使4種施工工藝關(guān)鍵截面的鋼梁應(yīng)力滿足規(guī)范要求，且應(yīng)力在同一水平，再對(duì)各工藝的結(jié)構(gòu)受力、施工技術(shù)和施工建設(shè)期的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行比較。

4.1 工藝1，2的結(jié)構(gòu)布置調(diào)整

經(jīng)反復(fù)計(jì)算和對(duì)比，考慮到設(shè)計(jì)和計(jì)算的方便，調(diào)整方案確定為：跨中32 m范圍內(nèi)的鋼梁頂板厚度1增加20 mm、底板厚度2增大5 mm，其余截面參數(shù)不變，如圖7所示。

單位：mm

4.2 結(jié)構(gòu)受力對(duì)比

因此，工藝1和2采用調(diào)整后的截面布置(圖7)，工藝3和4采用原截面布置(圖1)，重新計(jì)算后按規(guī)范[19]規(guī)定提取跨中截面的各項(xiàng)應(yīng)力和變形結(jié)果，列于表2。

結(jié)果表明，經(jīng)調(diào)整后，各工藝在持久狀況下的鋼梁最大應(yīng)力均在200～210 MPa范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求且應(yīng)力在同一水平，各項(xiàng)結(jié)果對(duì)比如下。

4.2.1 應(yīng)力對(duì)比

1) 鋼梁應(yīng)力：在鋼梁底板應(yīng)力水平一致的情況下，工藝1和2的鋼梁頂緣壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于工藝3和4(工藝3的鋼梁頂緣壓應(yīng)力僅為工藝1的45%)?？梢?，若施工工藝的疊合時(shí)間越早，則橋面板和剪力釘更早地參與受力，使鋼梁頂緣壓應(yīng)力大幅度降低，同時(shí)鋼梁的腹板、頂板的局部屈曲及整體穩(wěn)定問題更容易得到滿足，間接地節(jié)省了材料。

表2 不同疊合時(shí)間下某鋼?混組合梁橋的組合應(yīng)力及收縮徐變、活載、溫度作用下的應(yīng)力結(jié)果

注：“收縮徐變”對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，為成橋后收縮徐變效應(yīng)引起的應(yīng)力；應(yīng)力符號(hào)的具體含義同表1。

2) 混凝土應(yīng)力：各工藝下的混凝土均受壓。在不同疊合時(shí)間的影響下，工藝1和2的混凝土在形成組合截面前未參與受力，其壓應(yīng)力略小于工藝3和4，但都小于0.5f(0.5×32.4=16.2 MPa)，滿足規(guī)范[19]要求。

3) 收縮徐變效應(yīng)：收縮徐變引起截面內(nèi)力重分布，即混凝土應(yīng)力減少、鋼梁應(yīng)力增加。表2結(jié)果表明：對(duì)于同一結(jié)構(gòu)布置，工藝1采用現(xiàn)澆混凝土板，收縮徐變使鋼梁頂緣壓應(yīng)力增大43.25 MPa；工藝2采用預(yù)制混凝土板，收縮徐變使鋼梁頂緣壓應(yīng)力增大31.58 MPa，相比較而言，收縮徐變效應(yīng)降低了27%。顯然采用放置3~6個(gè)月后再架設(shè)的預(yù)制板能有效改善混凝土收縮徐變對(duì)鋼梁應(yīng)力的不利影響。

4.2.2 跨中變形對(duì)比

對(duì)比4種工藝下的跨中變形，顯然工藝3的跨中撓度最小，僅為工藝1的62%。另外，工藝4采用的分層澆筑橋面板，其收縮徐變引起的鋼梁應(yīng)力及跨中撓度變化最顯著，對(duì)結(jié)構(gòu)受力相對(duì)不利。

4.2.3 材料用量對(duì)比

1) 砼和鋼材的用量：每40 m跨，各工藝的混凝土用量均為427.79 t。但鋼材用量相差較大，工藝1和2的用鋼量為145.82 t，工藝3和4的用鋼量則減少至127.68 t，每橋跨節(jié)可減少12.4%的用鋼量。

2) 剪力釘用量：各工藝采用圓頭焊釘ML15，焊釘直徑為22 mm，高140 mm?？辜暨B接件需滿足一定承載能力，本節(jié)將依據(jù)規(guī)范[20]，考慮滿足相同安全系數(shù)2.5時(shí)，按式(1)和式(2)，計(jì)算各工藝至少所需的剪力釘數(shù)量，見表3。

單個(gè)抗剪連接件的受剪承載力設(shè)計(jì)值公式：

式中：f和f分別為栓釘抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；E為混凝土彈性模量；A為栓釘截面積。

鋼與混凝土結(jié)合層層間單位長(zhǎng)度水平剪力 公式：

式中：max為形成組合截面后作用于組合梁的最大豎向剪力；0為混凝土板對(duì)組合截面中性軸的面積矩；0為組合梁未開裂截面慣性矩。

表3 各施工工藝的剪力釘用量對(duì)比

由表3可知，在同一鋼梁應(yīng)力水平，考慮相同的安全系數(shù)2.5時(shí)，每40 m橋跨，工藝1和2相比工藝3和4減少12%的剪力釘用量：由于疊合時(shí)間晚，也即剪力釘參與受力時(shí)間晚，剪力釘用量得以減少，因此采用工藝3和4時(shí)，需要更多的抗剪連接件數(shù)量及合理的布置形式，以保證鋼梁與混凝土具有良好的共同受力性能。

綜上所述，通過對(duì)比鋼?混組合梁橋在不同疊合時(shí)間下的結(jié)構(gòu)受力情況，顯然，采用工藝3(先疊合鋼板梁與預(yù)制橋面板、后整體吊裝架設(shè))施工時(shí)，鋼梁應(yīng)力水平低、收縮徐變效應(yīng)的不利影響可得到改善，同時(shí)其用鋼量最少，但吊裝設(shè)備能力和綜合經(jīng)濟(jì)效益有待進(jìn)一步討論。

4.3 施工技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4.3.1 吊裝施工技術(shù)對(duì)比

各工藝相應(yīng)的吊裝施工方案考慮為：工藝1和2采用2臺(tái)100 t汽車吊，雙機(jī)抬吊、整孔架設(shè)法吊裝單片梁；工藝3和4采用1臺(tái)400 t履帶吊，按2片一榀、整孔吊裝組合梁。

為探究吊裝工藝的可行性，計(jì)算各工藝在不同工況下的起吊噸數(shù)，并按式(3)～(4)求解負(fù)載率，計(jì)算結(jié)果見表4。

單機(jī)起吊負(fù)載率：

雙機(jī)起吊負(fù)載率：

表4 各施工工藝的吊裝噸數(shù)

結(jié)果表明，負(fù)載率均滿足規(guī)范要求，以上吊裝方案可行。式中，工藝4的負(fù)載率低，吊裝方案較為保守，不夠經(jīng)濟(jì)，其他方案相對(duì)合理?？梢?，現(xiàn)行吊裝設(shè)備均能滿足吊裝施工需求。

4.3.2 各施工工藝的綜合經(jīng)濟(jì)對(duì)比

根據(jù)《公路工程建設(shè)項(xiàng)目概算預(yù)算編制辦法》(JTG 3830—2018)[18]，影響橋梁工程建設(shè)期經(jīng)濟(jì)性的直接費(fèi)用包括人工費(fèi)、材料費(fèi)及施工機(jī)械使用費(fèi)。對(duì)比以上4種施工工藝，由于鋼材用量、吊裝設(shè)備、施工工期的相對(duì)差異，導(dǎo)致各工藝的施工成本有很大出入，因此考慮以用鋼費(fèi)、吊裝設(shè)備租賃費(fèi)、架設(shè)組合梁的人工費(fèi)為相對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，參考4個(gè)工藝的各項(xiàng)施工成本，為以上評(píng)價(jià)指標(biāo)指定權(quán)重，最后建立相對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)公式，完成各工藝施工建設(shè)期經(jīng)濟(jì)效益的相對(duì)評(píng)估。

為完成本工程全長(zhǎng)2 000 m的組合梁施工，按標(biāo)準(zhǔn)段40 m跨考慮，需完成50孔組合梁的吊裝任務(wù)。按照Q345鋼單價(jià)為1.0萬元/t，吊裝施工的人工費(fèi)為0.3萬元/d，現(xiàn)澆施工的人工費(fèi)為0.8萬元/d計(jì)入，統(tǒng)計(jì)了各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算參數(shù)，見表5。

表5 各施工工藝的相對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算參數(shù)

注：在計(jì)算工期時(shí)，將多孔同時(shí)施工換算為單孔施工工期；設(shè)備租賃費(fèi)中不計(jì)入人工費(fèi)。

依據(jù)各施工工藝的用鋼費(fèi)、吊裝設(shè)備租賃費(fèi)、人工費(fèi)計(jì)算得各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重依次為0.94，0.02和0.04。以工藝1為參考對(duì)象，按式(5)計(jì)算得各施工工藝相對(duì)工藝1的相對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)E，結(jié)果見表6。

表6 各施工工藝的相對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)值

由表6計(jì)算結(jié)果可知，采用工藝3先疊合再吊裝、架設(shè)組合梁施工時(shí)，施工成本最低，僅為工藝1的0.844倍。雖然該工藝吊裝施工時(shí)設(shè)備租賃費(fèi)用較高，但用鋼量大大減少，有效降低了施工成本，且整孔架設(shè)可進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

1) 不同疊合時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響顯著：采用“先吊裝、架設(shè)鋼梁，再疊合組合梁”工藝時(shí)，因疊合時(shí)間晚(未形成組合截面前僅鋼梁?jiǎn)为?dú)承受所有荷載)，導(dǎo)致鋼梁整體應(yīng)力大，未發(fā)揮結(jié)構(gòu)的組合作用；采用“先疊合鋼板梁與預(yù)制橋面板、后整體吊裝架設(shè)”工藝時(shí)，因疊合時(shí)間早(鋼梁、混凝土板及剪力釘疊合而成的組合梁共同受力時(shí)間早)，鋼梁應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形均大幅度降低，且腹板和頂板的局部穩(wěn)定及鋼梁的整體穩(wěn)定等更易滿足要求。

2) 鋼?混組合梁中，若將現(xiàn)澆混凝土橋面板改為放置3～6個(gè)月的預(yù)制板，可使收縮徐變效應(yīng)明顯降低，建議采用。

3) 采用“先疊合鋼板梁與預(yù)制橋面板、后整體吊裝架設(shè)”工藝時(shí)，綜合成本低、經(jīng)濟(jì)性好，符合目前工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，在吊裝設(shè)備能力和環(huán)境條件允許的情況下，值得大力推廣和 應(yīng)用。

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Research on the influence of the composite time of the steel-concrete composite girder bridge on structural stress and economic benefit

LI Lifeng1, HU Mengdie1, FENG Wei2, LIU Xinhua3

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Xi’an Highway Research Institute, Xi’an 710065, China; 3. CCCC Second Highway Consultants Co., Ltd., Wuhan 430056, China)

In order to analyze the respective effect of the steel-concrete composite time on both structural performance and economic benefit in the steel-concrete composite girder bridge, four different construction techniques of a 40 m span steel-concrete composite girder bridge were proposed, and the corresponding finite element models were established to compare the structural mechanical behavior under different techniques. Taking the steel consumption, rental cost of hoisting equipment and the labor cost as the relative evaluation metrics, a formula was presented to evaluate the economy of each construction technique. The results show that the construction technique of “combining steel with the precast concrete bridge deck first, and then hoisting and erecting” has the advantages of a good stress state, small deformation and low steel consumption. The early composite time and the use of precast concrete deck significantly reduces the influence of shrinkage and creep. Although the hoisting construction cost is slightly higher, the total economic benefits are significant. Therefore, the steel-concrete composite girder bridge can be widely constructed by this technique in the practical engineering.

bridge engineering; steel-concrete composite beam; composite time; finite element analysis; economic benefit

U448.21+6

A

1672 ? 7029(2020)10 ? 2568 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20191097

2019?12?06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51978257)；陜西省交通廳科研課題資助項(xiàng)目(17-19K)；云南省交通廳科研課題資助項(xiàng)目(2017-17)

李立峰(1971?)，男，湖南沅江人，教授，博士，從事橋梁抗震、超高性能混凝土應(yīng)用、鋼橋與鋼混組合橋基本理論等研究；E?mail: lilifeng@hnu.edu.cn

(編輯 涂鵬)