鋼-混組合連續(xù)箱梁橋施工階段計算分析

李林，盧珊珊

（1.中鐵七局集團有限公司第二工程有限公司， 沈陽 110000；2.江西現(xiàn)代職業(yè)技術學院， 南昌 330095）

1 引言

鋼-混組合結構橋梁通過2種材料的共同工作，充分發(fā)揮了混凝土抗壓和鋼材抗拉性能上的優(yōu)勢，避免了混凝土受拉開裂和鋼材受壓失穩(wěn)的問題。同時，組合結構也具有結構自重輕、施工性能好等方面的優(yōu)點，得到廣泛運用[1～5]。目前，組合結構橋梁已逐步成為城市公路橋梁的主要結構形式。近年來，鋼-混組合結構的研究已成為研究熱點方向之一。安然等[6]建立考慮界面滑移效應的鋼-混組合梁施工階段計算模型，研究施工階段界面滑移對組合梁剛度折減的影響，認為界面滑移會增大主梁撓度，對組合梁剛度造成不利影響；李立峰等[7]采用ABAQUS有限元軟件建立組合梁試驗梁非線性分析模型，認為考慮鋼梁應變強化效應可以很好地預測完全剪力連接鋼-混簡支組合梁的抗彎承載力；王海軍等[8]利用ANSYS的單元生死技術模擬鋼混組合梁分階段施工過程，對比分析一次落架和分階段施工鋼混組合梁剪力釘滑移效應；蘇慶田等[9]提出一種整體預制鋼-混組合梁橋結構，并認為該結構在全壽命周期的經濟性能方面優(yōu)于現(xiàn)有的預制結構。

鋼-混組合梁橋結構新穎，其組合效應使受力特點不同于以往常用的混凝土結構或者鋼結構，因此，該結構形式的施工過程及成橋后受力特點值得關注。本文基于以上熱點問題，依托某鋼-混組合梁四跨連續(xù)梁橋實際工程，建立全橋桿系有限元模型，分析該結構體系在施工過程中的應力變化及變形情況，并基于以上分析結果為工程施工提供借鑒。

2 鋼-混組合梁橋整體設計

合肥某市政道路工程，全長6.4 km。該工程主線1號橋第37 聯(lián)（113#墩～117#墩）采用 42 m+2×70 m+42 m鋼-混組合梁結構跨越繞城高速橋梁（高速橋跨結構16 m+20 m+16 m簡支箱梁），與繞城高速斜交59.56°，中心樁號為K5+040.32（對應繞城高速中心樁號K18+547）。下部結構采用雙柱式矩形橋墩，基礎采用現(xiàn)澆承臺接群樁基礎，樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑分別為1.5 m和2.0 m。上部結構為現(xiàn)澆預應力混凝土橋面板，混凝土強度標號為C50，鋼主梁采用Q345D型鋼梁，混凝土橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接。

3 鋼-混組合梁橋整體受力性能分析

3.1 有限元模型建立

該橋為42 m+2×70 m+42 m鋼-混組合梁連續(xù)梁橋。根據(jù)設計圖紙?zhí)峁┑慕Y構布置，采用有限元分析模型MIDAS/CIVIL建立結構有限元分析模型。建模過程中，考慮結構自重、二期恒載以及混凝土收縮徐變作用。主梁以梁單元模擬，主梁自重采用主梁截面模擬，混凝土密度采用26 kN/m3，鋼絞線及鋼材容重為78.5 kN/m3，橋面鋪裝與防撞欄混視為二期恒載，換算成節(jié)點荷載形式施加；鋼-混組合梁截面采用施工階段聯(lián)合截面，定義混凝土為時間依存性材料，混凝土收縮徐變算法采用JTG D62—2012《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》算法，混凝土加載齡期按7 d計算，構件的理論厚度算法按公路橋梁規(guī)范執(zhí)行，收縮徐變計算至主橋竣工后10 a。橫隔板、墩頂混凝土以節(jié)點荷載形式施加，考慮橋梁體外縱向預應力束。

混凝土等級C50，主橋系桿拱橋鋼結構上部結構采用Q345qD，預應力鋼絞線采用φ15.20 mm高強度低松弛鋼絞線。全橋共分為155個節(jié)點，112個單元。如未特別說明，本文采用如下符號約定：豎向位移及變形向上為正，向下為負；壓應力為負、拉應力為正。

3.2 施工階段模擬

根據(jù)施工圖紙設計的施工步驟劃分施工階段，將（1～2）合并為第一、二階段，將（3～4）合并為第三、四階段，將（5）劃分為第五階段-中跨混凝土與第五階段-支座混凝土2個階段，將（6）定義為體外預應力束張拉后階段，最后考慮二期及10年徐變2個階段。對該鋼-混組合梁結構進行施工過程仿真計算分析，設置與實際情況相一致的約束邊界條件，臨時墩梁之間受壓彈性連接，永久墩梁之間采用固結，墩底按四跨連續(xù)梁布置邊界約束，得到施工階段各個構件的內力及位移分布情況。

3.3 施工階段組合梁鋼結構應力分析

從不同施工階段組合梁鋼結構部分應力結果可以得到，在混凝土橋面板澆筑前，鋼結構應力最大值出現(xiàn)在上跨繞城高速段70 m跨跨中臨時墩位置，第一、二、三、四階段該位置處鋼結構最大應力值為21.56 MPa；在第五階段中跨混凝土澆筑開始后，鋼結構應力最大值一直出現(xiàn)在115#永久墩位置處，施工過程中該位置處鋼結構應力最大值在表1中列出。從表1可以看出：支座混凝土澆筑完成時，鋼結構最大應力值出現(xiàn)最大值，為169.6 MPa，按照JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》中3.2.1條規(guī)定，主梁鋼材厚度屬16～40 mm范圍內，取Q345qD抗壓強度270 MPa。由此可得，施工階段組合梁應力情況滿足規(guī)范要求；體外預應力束張拉能夠緩解組合梁鋼結構受力狀態(tài)，使組合梁鋼結構整體應力水平降低；考慮混凝土橋面板徐變情況，組合梁鋼結構應力水平隨時間緩慢減小。

表1 施工階段鋼結構應力最大值情況

3.4 施工階段組合梁混凝土橋面板應力分析

從不同施工階段組合梁混凝土橋面板部分應力分布可以得到，中跨混凝土橋面板澆筑時，混凝土橋面板全截面受壓，處于理想受壓安全狀態(tài)；支座混凝土橋面板澆筑后，混凝土橋面板應力最大值一直出現(xiàn)在115#永久墩位置處，施工過程中該位置處混凝土橋面板應力最大值在表2列出。表2可看出：10年徐變時，混凝土橋面板最大應力值出現(xiàn)最大值，為3.13 MPa，存在開裂風險；按JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》規(guī)定，C50抗拉強度標準值為ftk=2.6 MPa，可得施工過程中及成橋時組合梁混凝土橋面板應力情況滿足規(guī)范要求；體外預應力束張拉能夠緩解組合梁混凝土橋面板受力狀態(tài)。

表2 施工階段混凝土橋面板應力最大值情況

3.5 施工階段組合梁豎向變形分析

從不同施工階段組合梁豎向變形結果可得到，中跨混凝土橋面板澆筑前，由于設置臨時支墩，組合梁豎向撓度非常??；支座混凝土橋面板澆筑后，組合梁豎向變形最大值出現(xiàn)在中間兩跨跨中位置處，由于模型對稱數(shù)值相等，施工過程中組合梁豎向變形最大值在表3中列出。從表3可看出：施工過程中鋼-混組合梁變形較大，應考慮設置施工預拱度；混凝土徐變對該鋼-混組合梁變形影響不大；體外預應力束張拉能夠緩解組合梁變形狀態(tài)。

表3 施工階段組合梁豎向變形最大值情況

4 結論

該鋼-混組合梁在施工過程中鋼結構與混凝土橋面板應力及變形狀態(tài)合理，考慮混凝土徐變過程，鋼-混組合梁鋼結構部分應力隨時間增長而降低，混凝土橋面板應力隨時間增長而增高，混凝土徐變對組合梁變形影響不大。