鋼混組合梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂措施計(jì)算分析

李劍鸞

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088）

1 引言

近20年來(lái)，我國(guó)鋼混組合梁橋進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。隨著鋼混組合梁橋的廣泛使用，對(duì)該結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化和不利受力行為的研究也顯得更加重要和緊迫。鋼混組合梁橋是指將鋼梁與混凝土橋面板通過(guò)抗剪連接件連接成整體并共同受力的橋梁結(jié)構(gòu)形式，它不僅充分發(fā)揮混凝土受壓、鋼受拉的力學(xué)性能，而且結(jié)合了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各自在施工、橋面鋪裝、耐久性和經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)點(diǎn)。

鋼混組合連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)形式通常在墩頂負(fù)彎矩區(qū)會(huì)造成橋面板受拉、鋼梁受壓的不利受力行為，影響結(jié)構(gòu)的適用性和耐久性?；炷量估瓘?qiáng)度很小，對(duì)拉應(yīng)力非常敏感。在組合梁橋工程實(shí)踐中，配置預(yù)應(yīng)力鋼筋法、橋面板滯后鋪設(shè)法、支座頂升法、跨中壓重法等施工措施對(duì)減小組合連續(xù)梁橋墩頂橋面板拉應(yīng)力都有一定的效果。在我國(guó)已建成的典型組合梁橋中，上海長(zhǎng)江大橋、港珠澳大橋和武漢二七長(zhǎng)江大橋均采用橋面板滯后鋪設(shè)和支座頂升等來(lái)降低橋面板負(fù)彎矩區(qū)中的拉應(yīng)力，杭州九堡大橋和長(zhǎng)沙福園路大橋采用橋面板滯后鋪設(shè)和體外預(yù)應(yīng)力法來(lái)降低負(fù)彎矩區(qū)中的拉應(yīng)力。

該文以城市立交橋中的一聯(lián)鋼混組合連續(xù)梁為例，采用大型有限元軟件ALGOR建立全橋三維有限元模型，計(jì)算并分析了兩種常用的橋面板抗裂施工措施及其適用性。

2 研究背景

一聯(lián)四跨雙車道鋼混組合連續(xù)梁，跨徑布置為4×25m，全長(zhǎng)100m；橋面板采用C40鋼筋混凝土，鋼梁采用新型腹板內(nèi)傾式U形梁，墩頂鋼梁內(nèi)底板沿支座中心線左右各澆筑1m段混凝土；組合橋梁中心線處梁高1.5m，其中鋼梁高1.25m，混凝土橋面板厚0.25m，混凝土橋面板和鋼梁通過(guò)栓釘連接；橋面寬為10.5m。橋型縱向布置圖如圖1所示。

圖1 橋梁縱向布置（cm）

鋼梁采用Q345qC鋼材，內(nèi)傾式腹板厚16mm（墩頂部分長(zhǎng)度增加至24mm），腹板加勁肋采用三道縱向板肋，板厚12mm，板寬150mm；鋼梁底板寬為4.08m，板厚為14mm（墩頂部分長(zhǎng)度增加至20mm），底板加勁肋采用U肋，壁厚6mm，高260mm。鋼梁橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為4.2m，外伸翼緣（板厚12mm）與鋼梁采用φ140mm壁厚18mm鋼管斜撐連接，并在局部增設(shè)加勁肋。組合梁橫斷面如圖2所示。

圖2 組合梁橫斷面（mm）

預(yù)制橋面板采用等截面板，由預(yù)制板、縱向濕接縫和橫向濕接縫三部分組成。預(yù)制板在現(xiàn)場(chǎng)吊裝擱置于鋼梁上，板塊間的縱向濕接縫和梁端間的橫向濕接縫在工地現(xiàn)場(chǎng)澆筑。標(biāo)準(zhǔn)梁段橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度為25cm。正彎矩區(qū)段采用C40混凝土板，墩頂負(fù)彎矩區(qū)采用聚乙烯醇（PVA）纖維增強(qiáng)混凝土板，現(xiàn)澆濕接縫采用C40微膨脹混凝土。

3 空間有限元的建立和計(jì)算荷載

運(yùn)用大型有限元軟件Algor 2010建立全橋三維組合有限元模型?；炷镣翗蛎姘宀捎脤?shí)體單元模擬，鋼梁、橫隔板、外伸翼緣、斜撐鋼管和板肋等采用板殼單元模擬。建模中忽略混凝土板與鋼梁間的滑移，認(rèn)為剪力連接件可靠有效，采用混凝土板實(shí)體單元與鋼梁上緣板殼單元共節(jié)點(diǎn)方式、默認(rèn)粘合接觸模擬。所建全橋模型共有167957個(gè)單元，如圖3和圖4所示。

圖3 全橋有限元模型

圖4 鋼梁有限元模型

3.1 二期恒載

二期恒載主要考慮橋面鋪裝、護(hù)欄等附屬構(gòu)件的自重荷載。每側(cè)護(hù)欄共計(jì)4.5kN/m，瀝青鋪裝為194.5kN/m。

3.2 基礎(chǔ)變位

不均勻沉降取5mm，按最不利組合。有限元模型中采用支座強(qiáng)迫位移法模擬實(shí)現(xiàn)。

3.3 溫度作用

鋼梁和混凝土橋面板按整體升溫27°C，整體降溫-24°C施加。

溫度梯度按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）規(guī)定的模式施加。混凝土板梯度升溫16.4°C，鋼梁梯度升溫2.97°C；混凝土板梯度降溫8.2°C，鋼梁梯度降溫1.35°C。

3.4 汽車荷載

采用公路-I級(jí)荷載?？臻g有限元模型中按最不利影響線加載，如圖5所示。

圖5 各工況下汽車荷載影響線加載

4 皮爾格林步驟法鋪設(shè)橋面板的有限元計(jì)算模擬

在鋼梁上架設(shè)中，先鋪設(shè)邊跨跨中附近部分長(zhǎng)度預(yù)制板并澆筑其與鋼梁連接的接縫混凝土，使兩者共同受力；再鋪設(shè)相鄰跨跨中附近部分長(zhǎng)度預(yù)制板并澆筑其與鋼梁連接的接縫混凝土；再鋪設(shè)上述兩相鄰跨中間支點(diǎn)部分長(zhǎng)度預(yù)制板并澆筑其與鋼梁連接的接縫混凝土；依此道理，先施工下一跨跨中附近部分長(zhǎng)度橋面板，再鋪設(shè)下一個(gè)中間支點(diǎn)部分長(zhǎng)度橋面板，此方法稱作皮爾格林步驟法（Pilgrim Step Method）。皮爾格林步驟法的實(shí)質(zhì)是中間支點(diǎn)附近的混凝土橋面板滯后施工，由此可以使中間支點(diǎn)附近的橋面板拉應(yīng)力有所減小，甚至可以降低配筋率，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，但也會(huì)造成橋面板的施工不連續(xù)。

本組合連續(xù)梁橋采用皮爾格林步驟法施工鋪設(shè)橋面板，中間支座前后各4.2m的橋面板相對(duì)滯后鋪設(shè)，施工順序如圖6所示。在有限元數(shù)值模擬中，鋪設(shè)預(yù)制橋面板時(shí)，混凝土板與鋼梁上翼緣接觸面僅有豎向約束；澆筑濕接縫時(shí)，約束其三向自由度，第一階段先施加澆筑區(qū)混凝土濕重作用，第二階段則賦予其剛度。由分析結(jié)果可知，該施工過(guò)程模擬符合真實(shí)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程和受力要求，反映施工工程中結(jié)構(gòu)剛度的變化。有限元模型如圖7所示。

圖6 皮爾格林步驟法施工橋面板順序

圖7 支點(diǎn)橋面板滯后施工法有限元模型

為比對(duì)支點(diǎn)橋面板滯后施工對(duì)組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)橋面板拉應(yīng)力影響，分別計(jì)算了一次成橋狀態(tài)和支點(diǎn)橋面板滯后施工的成橋狀態(tài)下橋面板的應(yīng)力。兩種方法的橋面板應(yīng)力如表1所示，應(yīng)力云圖分別如圖8和圖9所示。

兩種施工方法橋面板拉應(yīng)力 表1

圖8 一次成橋橋面板應(yīng)力

圖9 支點(diǎn)橋面板滯后施工橋面板應(yīng)力

由表1可知，一次成橋施工2號(hào)支點(diǎn)和3號(hào)支點(diǎn)橋面板上緣分別產(chǎn)生拉應(yīng)力5.9MPa和4.4MPa；采用支點(diǎn)橋面板滯后施工，在二期恒載作用前，2號(hào)支點(diǎn)和3號(hào)支點(diǎn)橋面板上緣分別產(chǎn)生拉應(yīng)力0.1MPa和0.2MPa，一定程度上降低了負(fù)彎矩區(qū)橋面板的拉應(yīng)力水平，但是在二期恒載作用后仍然有拉應(yīng)力1.3MPa和1.0MPa。

5 支座升降法和皮爾格步驟法鋪設(shè)橋面板的有限元計(jì)算模擬

支座升降法是將鋼主梁在中間支座上預(yù)頂一定高度，待鋪設(shè)墩頂混凝土橋面板并與鋼主梁結(jié)合后，回落支座至設(shè)計(jì)高度，從而使負(fù)彎矩區(qū)混凝土板獲得一定的預(yù)壓應(yīng)力。

由于溫度、汽車等活荷載的作用，只考慮橋面板滯后結(jié)合還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，負(fù)彎矩區(qū)橋面板還需儲(chǔ)備一定的壓應(yīng)力，使其部分或完全抵消永久荷載和活荷載作用下橋面板在負(fù)彎矩區(qū)產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

經(jīng)方案綜合比較分析，該組合梁橋采用支座升降法以實(shí)現(xiàn)負(fù)彎矩區(qū)橋面板預(yù)壓應(yīng)力。在有限元數(shù)值模擬中，采用支座強(qiáng)迫位移法模擬支座的頂升與回落。由計(jì)算分析，施工中支座升降方案如表2所示。

支座升降法施工方案 表2

該橋采用橋面板滯后鋪設(shè)與支座升降結(jié)合的施工措施，結(jié)合圖6，橋面板施工步驟如下：

①先鋪設(shè)1號(hào)段與3號(hào)段橋面板并澆筑相應(yīng)濕接縫使之與鋼梁結(jié)合，后頂升2號(hào)支座，待鋪設(shè)2號(hào)段橋面板并與鋼梁結(jié)合后，再回落2號(hào)支座；

②鋪設(shè)5號(hào)段橋面板并使之與鋼梁結(jié)合，后頂升3號(hào)支座，待鋪設(shè)4號(hào)段橋面板并與鋼梁結(jié)合后，回落3號(hào)支座；

③鋪設(shè)7號(hào)段橋面板并使之與鋼梁結(jié)合，后頂升4號(hào)支座，待鋪設(shè)6號(hào)段橋面板并與鋼梁結(jié)合后，回落4號(hào)支座。

考慮到活荷載對(duì)橋面板應(yīng)力水平的影響，該組合梁橋采用支點(diǎn)橋面板滯后施工與支座升降結(jié)合的施工措施，以實(shí)現(xiàn)支點(diǎn)橋面板儲(chǔ)備預(yù)壓應(yīng)力的目的。由數(shù)值分析計(jì)算，采取支座升降措施前后橋面板與鋼梁應(yīng)力對(duì)比見表3。

有無(wú)支座頂升措施橋面板與鋼梁計(jì)算應(yīng)力 表3

由表3可看出，采取上述支座頂升措施，能給2號(hào)支點(diǎn)處和3號(hào)支點(diǎn)處的橋面板上緣分別帶來(lái)6.6MPa和6.2MPa的預(yù)壓應(yīng)力，而跨中截面增加的壓應(yīng)力較少，從而證明支點(diǎn)升降法對(duì)于負(fù)彎矩區(qū)橋面板施加預(yù)應(yīng)力是有效的，對(duì)于其他部位造成的影響甚小。

由表3可看出采用支點(diǎn)升降措施后，鋼梁頂升前后應(yīng)力變化較大。鋼梁邊跨跨中截面施加頂升措施后上翼緣壓應(yīng)力幾乎無(wú)變化，底板拉應(yīng)力增加34%；2號(hào)支點(diǎn)處鋼梁腹板上翼緣拉應(yīng)力增加126%，底板壓應(yīng)力減少10%；中跨跨中截面鋼梁上翼緣和底板的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別增加15%和138%；3號(hào)支點(diǎn)處鋼梁腹板上翼緣拉應(yīng)力增加了126%，底板壓應(yīng)力則變幅較小。由圖10可看出鋼梁上翼緣拉應(yīng)力增幅較高區(qū)段位于支點(diǎn)處左右各4.2m范圍內(nèi)。

圖10 支座升降后成橋狀態(tài)下鋼梁應(yīng)力

由計(jì)算結(jié)果分析可知，該組合梁橋采用支座升降施工措施，能很好地實(shí)現(xiàn)負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板儲(chǔ)備壓應(yīng)力；負(fù)彎矩區(qū)鋼梁底板減小了壓應(yīng)力峰值，上翼緣的拉應(yīng)力有所增加。

6 運(yùn)營(yíng)階段橋面板計(jì)算分析

短期效應(yīng)組合作用下（1.0永久作用+0.7汽車荷載+1.0均勻升溫+0.8梯度降溫）（其中汽車荷載不考慮沖擊系數(shù)），2號(hào)支點(diǎn)橋面板最不利應(yīng)力為-2.4MPa（壓應(yīng)力）；3號(hào)支點(diǎn)橋面板最不利應(yīng)力為-1.8MPa（壓應(yīng)力）。

標(biāo)準(zhǔn)組合作用下（1.0永久作用+1.0汽車荷載+1.0均勻升溫+1.0梯度降溫），邊跨跨中處橋面板最不利壓應(yīng)力為10.5MPa，2號(hào)支點(diǎn)橋面板上緣壓應(yīng)力為0.3MPa；中跨跨中處橋面板最不利壓應(yīng)力為10.5MPa，3號(hào)支點(diǎn)橋面板上緣壓應(yīng)力為0.7MPa。

7 結(jié)論

該文通過(guò)對(duì)一座鋼混組合連續(xù)梁的施工過(guò)程進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，分析研究增強(qiáng)負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂的不同措施。

①采用支點(diǎn)橋面板滯后施工方法，滯后施工的橋面板荷載在先期施工并凝固的橋面板產(chǎn)生的應(yīng)力變化較小，滯后施工的橋面板本身應(yīng)力水平較低。

②支座頂升法施工措施能給負(fù)彎矩區(qū)橋面板產(chǎn)生較大預(yù)壓應(yīng)力，而對(duì)其他部位影響甚?。回?fù)彎矩區(qū)鋼梁底板減小了壓應(yīng)力峰值，上翼緣的拉應(yīng)力有所增加。

③把支點(diǎn)橋面板滯后施工方法和支座頂升方法相結(jié)合，能夠較好地解決鋼混組合梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板的拉應(yīng)力問(wèn)題，施工便捷，成本相對(duì)較低。

④建立全橋三維有限元模型，利用數(shù)值計(jì)算方法模擬計(jì)算鋼混組合連續(xù)梁橋的各施工措施對(duì)負(fù)彎矩區(qū)橋面板應(yīng)力的影響，為該類橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。