不同施工措施改善大跨度組合梁負彎矩區(qū)受力的效果分析

張龍偉 鄒迪升 胡 瓊 王偉群 周法根

（1.臺州市交通勘察設(shè)計院有限公司，臺州 318000；2.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；3.臺州高速公路建設(shè)指揮部，臺州 317000；4.杭州市市政工程集團有限公司，杭州 310006）

0 引言

鋼混組合梁橋由混凝土橋面板和鋼主梁協(xié)同受力，充分發(fā)揮兩種建筑材料各自的優(yōu)勢［1］。隨著橋梁跨徑不斷增加，連續(xù)組合梁橋在降低梁高的同時提高了行車舒適性，比簡支組合梁橋具有更好的跨越能力和經(jīng)濟效益［2］。然而連續(xù)組合梁的中支點附近承擔(dān)負彎矩，混凝土橋面板容易受拉開裂，尤其是當(dāng)裂縫開展到一定程度后，雨水夾帶有害介質(zhì)滲入橋面板內(nèi)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)的鋼筋腐蝕［3］。因此在工程實踐中必須采取一些設(shè)計方法或施工措施為混凝土內(nèi)提供預(yù)壓應(yīng)力，從而改善連續(xù)組合梁負彎矩區(qū)的受力性能。

針對負彎矩區(qū)混凝土的開裂問題，國內(nèi)外學(xué)者總結(jié)出兩種正常使用狀態(tài)下的設(shè)計準(zhǔn)則，一種是不允許負彎矩區(qū)橋面板出現(xiàn)裂縫，另一種是容許橋面板開裂但嚴格控制裂縫寬度［4］。一般情況下，沿海地區(qū)為了防止鋼筋嚴重銹蝕選用第一種更嚴格的設(shè)計準(zhǔn)則。降低負彎矩區(qū)橋面板內(nèi)拉應(yīng)力常見的施工措施有預(yù)加荷載法、中支點梁體頂升/回落法［5-6］、張拉預(yù)應(yīng)力法［7］和降低抗剪連接程度法［8］等，其中中支點梁體頂升/回落法在中支點梁段附近產(chǎn)生反向彎矩，以此在混凝土中施加預(yù)壓應(yīng)力。工程實踐表明，張拉預(yù)應(yīng)力法在中大跨徑連續(xù)組合梁橋中具有顯著的競爭優(yōu)勢，但是隨著主跨跨徑不斷增加，僅憑傳統(tǒng)的先結(jié)合預(yù)應(yīng)力法已經(jīng)難以滿足負彎矩區(qū)橋面板的設(shè)計準(zhǔn)則。為了提高大跨度連續(xù)組合梁橋負彎矩區(qū)橋面板的預(yù)壓應(yīng)力儲備，蘇慶田等學(xué)者提出了后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法［9］，首先采用隔離措施保證負彎矩區(qū)橋面板與鋼梁之間不連接，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束使得預(yù)壓應(yīng)力全部傳入混凝土橋面板內(nèi)，再通過群釘連接件將預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板與鋼梁組合。現(xiàn)有的理論和試驗研究表明后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁具有混凝土預(yù)壓應(yīng)力施加效率高、橋面板抗裂性能好等優(yōu)點［10-11］，同時也可以配合中支點梁體頂升/回落法組合使用，使得橋面板達到全預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。

目前后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法和中支點梁體頂升/回落法組合使用的工程實例很少，有關(guān)實際工程中的運用效果研究不夠充分。為此本文依據(jù)主跨70 m的預(yù)應(yīng)力組合梁具體工程，計算中支點梁體頂升/回落法和張拉預(yù)應(yīng)力法對組合梁負彎矩區(qū)受力性能的影響，對比研究兩種方法的跨徑適用范圍。

1 背景工程介紹

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)形式

本文背景工程為浙江省臺金高速公路東延臺州市區(qū)連接線工程的（45+70+45）m 連續(xù)槽形鋼-混凝土組合梁橋，構(gòu)造如圖1 所示。為了提高負彎矩區(qū)混凝土橋面板在使用過程中的抗裂性能，本工程組合使用后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法和中支點梁體頂升/回落法增加橋面板的預(yù)壓應(yīng)力儲備。本橋的曲率半徑為720 m，橫向由4 個箱室構(gòu)成，主梁邊主跨段的梁高為2.6 m，在中支點變高至3.2 m，混凝土橋面板總寬26 m，厚度為240 mm，在現(xiàn)場分階段澆筑成型。

圖1 背景工程橋梁構(gòu)造圖（單位：m）Fig.1 Background bridge structure（Unite：m）

本工程在正彎矩區(qū)段采用連續(xù)布置焊釘?shù)膫鹘y(tǒng)構(gòu)造形式，只在負彎矩區(qū)段采用金屬波紋套筒群釘連接件的特殊構(gòu)造形式（圖2和圖3），用于實現(xiàn)混凝土橋面板和鋼主梁的完全分離。直徑6 cm的金屬波紋套筒套在直徑22 mm的圓柱頭焊釘外作為混凝土澆筑的內(nèi)模，防止負彎矩混凝土在澆筑過程中和焊釘根部連為一體。套筒群釘為4×5 布局，縱向群釘中心間距1 m，待預(yù)應(yīng)力張拉完畢后，用高強砂漿填充套筒內(nèi)部，從而使得混凝土橋面板和鋼梁形成可靠的連接。

圖2 金屬波紋套筒群釘構(gòu)造Fig.2 Group studs with metal corrugated sleeve

圖3 負彎矩區(qū)橋面板Fig.3 The concrete slab at negative moment zone

負彎矩區(qū)混凝土橋面板在滿足計算和構(gòu)造的要求下，分兩批次張拉預(yù)應(yīng)力鋼束：第一批次的預(yù)應(yīng)力鋼束用扁錨錨固在負彎矩區(qū)橋面板兩端；第二批次的預(yù)應(yīng)力鋼束用圓錨錨固在混凝土板下方突出的齒塊上。鑒于直線束的預(yù)應(yīng)力損失較少，張拉控制應(yīng)力為1 339 MPa。

1.2 橋梁施工過程

組合結(jié)構(gòu)橋梁的恒載內(nèi)力與施工過程密切相關(guān)，為了降低負彎矩區(qū)混凝土橋面板由恒載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，背景工程首次組合使用后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法和中支點梁體頂升/回落法。本座后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁的施工過程示意圖如圖4所示。

圖4 后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁橋施工過程示意圖Fig.4 The construction stage of post-combined prestressing composite bridge

2 有限元模型

建立背景工程的Ansys 全橋板殼實體有限元模型，采用Solid185 實體單元模擬混凝土橋面板，通過實體單元彌散的加強層模擬內(nèi)置的鋼筋；鋼主梁的受力板件采用Shell181 板殼單元，加勁肋板件用Beam188 梁單元模擬，并約束在相應(yīng)的板殼節(jié)點上；預(yù)應(yīng)力鋼束采用只受軸力的Link180桿單元，且每一個預(yù)應(yīng)力鋼束的節(jié)點都與最近的混凝土節(jié)點自由度耦合，以保證預(yù)應(yīng)力鋼束和相鄰的混凝土變形協(xié)調(diào)；焊釘連接件采用Combine14 彈簧單元，賦予三個方向的彈性系數(shù)（kx、ky和kz）以模擬鋼混之間的滑移。有限元模型如圖5所示，模型的材料特性如表1所示。

表1 材料特性Table 1 The material property in FEM model

圖5 半橋板殼實體有限元模型Fig.5 The solid-shell finite element model of the half bridge

3 有限元計算結(jié)果

3.1 計算內(nèi)容

本模型需計算中支點梁體頂升/回落法與后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法在負彎矩區(qū)混凝土橋面板和鋼主梁上產(chǎn)生的應(yīng)力變化。對于中支點梁體頂升/回落法，首先鈍化所有的混凝土和預(yù)應(yīng)力單元，在中支點施加10 cm 向上的強迫位移，再激活全橋的全部單元，在中支點施加10 cm 向下的強迫位移，兩個狀態(tài)的差值體現(xiàn)出該施工方式對負彎矩區(qū)受力效果的影響。后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法與中支點梁體頂升/回落法互相獨立，只需計算在張拉預(yù)應(yīng)力工況下，負彎矩區(qū)混凝土橋面板和鋼主梁的應(yīng)力分布情況，用生死單元鈍化負彎矩區(qū)的彈簧單元和后澆段的混凝土。

3.2 中支點頂升/回落法

圖6 為組合梁橋1/4 鋼主梁在中支點頂升10 cm 后的應(yīng)力云圖，此時全橋只有鋼主梁承擔(dān)負彎矩，最大拉應(yīng)力為23.51 MPa，出現(xiàn)于主跨中支點截面的鋼梁上翼緣。待混凝土橋面板澆筑完畢后將中支點回落至原先的設(shè)計高程，全橋由組合截面共同承擔(dān)反向產(chǎn)生的正彎矩。圖7 和圖8分別為組合梁橋1/4混凝土橋面板和鋼主梁在中支點回落后的應(yīng)力增量云圖，從中可以看出中支點附近混凝土橋面板的平均預(yù)壓應(yīng)力有1.25 MPa，且橫向分布較為均勻。混凝土最大預(yù)壓應(yīng)力并沒有出現(xiàn)在理想的中支點位置處，而是出現(xiàn)在剛度薄弱的邊跨后澆段。從中支點回落后鋼梁的應(yīng)力增量云圖中看出，邊跨后澆段的鋼底板達到了最大拉應(yīng)力39.8 MPa，而中支點處的鋼梁應(yīng)力很低。按照線彈性計算理論，在中支點截面混凝土產(chǎn)生6～8 MPa 的預(yù)應(yīng)力，需要對梁體頂升48～64 cm，這對現(xiàn)場施工帶來較大的困難和風(fēng)險。盡管理論計算結(jié)果表明，主梁回落在中支點處產(chǎn)生的反向彎矩最大，但是由于負彎矩區(qū)的梁段變高，中支點截面相對于跨中截面的剛度非常大，導(dǎo)致中支點處混凝土橋面板的預(yù)壓應(yīng)力施加效率低下，對于大跨度連續(xù)組合梁橋，僅采用中支點頂升/回落法對負彎矩區(qū)橋面板受力性能的改善有限。

圖6 中支點頂升時1/4鋼板應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.6 Result of 1/4 steel girder after jacking-up（Unite：MPa）

圖7 中支點回落后1/4混凝土板應(yīng)力云圖（單位：MPa）Fig.7 Result of 1/4 concrete deck after falling-down（Unite：MPa）

圖8 中支點回落后1/4鋼板應(yīng)力增量云圖（單位：MPa）Fig.8 Result of 1/4 steel girder after falling-down（Unite：MPa）

3.3 后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法

圖9 為后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁橋1/4 混凝土橋面板在預(yù)應(yīng)力張拉后的應(yīng)力云圖，從中可以看出正彎矩區(qū)混凝土內(nèi)基本沒有應(yīng)力，負彎矩區(qū)混凝土的最大預(yù)壓應(yīng)力達到13.5 MPa，中支點附近的平均預(yù)壓應(yīng)力為11.41 MPa，是中支點頂升/回落法的9.2 倍。混凝土的預(yù)壓應(yīng)力在張拉端附近應(yīng)力集中，呈現(xiàn)出橫向從邊護欄向中軸線遞增的分布規(guī)律，以中支點截面為例，邊護欄混凝土的預(yù)壓應(yīng)力為10.48 MPa，是中軸線處混凝土的87%。

圖10 為后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁橋1/4 鋼主梁在預(yù)應(yīng)力張拉后的應(yīng)力云圖，整體鋼主梁產(chǎn)生的應(yīng)力較小，只有負彎矩區(qū)鋼頂板受摩擦力的作用產(chǎn)生不到6 MPa 的預(yù)壓應(yīng)力。計算結(jié)果表明后結(jié)合構(gòu)造能夠?qū)⑷款A(yù)壓應(yīng)力僅施加到負彎矩區(qū)混凝土橋面板內(nèi)，對橋梁的其他部分的構(gòu)件沒有影響，最大程度地提升了預(yù)應(yīng)力張拉效率，可提高橋面板的抗裂性能。

4 不同施工措施的改善效果分析

為了更廣泛地比較不同施工措施在負彎矩區(qū)橋面板內(nèi)產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力效果，基于文獻［12］中優(yōu)化的中大跨徑（主跨40 m 至120 m）后結(jié)合預(yù)應(yīng)力連續(xù)槽型鋼箱組合梁橋進行簡化分析。建立各跨徑組合梁的Ansys 桿系有限元模型，分析為了使中支點處混凝土橋面板表面增加1 MPa 預(yù)壓應(yīng)力，采用中支點頂升/回落法需要頂升的高度，以及采用張拉預(yù)應(yīng)力法確定需要在橋面板單位寬度內(nèi)布置預(yù)應(yīng)力鋼束的數(shù)目。張拉預(yù)應(yīng)力法根據(jù)鋼混結(jié)合時間和預(yù)應(yīng)力張拉時間的先后順序分成傳統(tǒng)的先結(jié)合法和背景工程中的后結(jié)合法，本文對兩種張拉預(yù)應(yīng)力法都進行了比較分析。

圖11 反映出橋面板單位預(yù)壓應(yīng)力和中支點頂升高度之間的關(guān)系，背景工程的主跨跨徑為70 m，中支點頂升8 cm 才能在橋面板表面產(chǎn)生1 MPa的預(yù)壓應(yīng)力。隨著主跨跨徑從40 m增大到120 m，中支點頂升高度從3.9 cm 增加到11.1 cm才會使得混凝土橋面板產(chǎn)生1 MPa 的壓應(yīng)力。由于鋼梁自重較輕，若中支點頂升高度過大，則容易出現(xiàn)邊支點脫空的現(xiàn)象。頂升噸位隨著跨徑的增加也會大幅上升，中支點鋼梁底板需設(shè)計加勁肋構(gòu)造防止出現(xiàn)鋼板局部塑性變形。從圖11 中看出，對于主跨60 m 以下的連續(xù)組合梁，產(chǎn)生單位預(yù)壓力采用中支點頂升/回落法需要較小的頂升量，具有較好的施工效率。

圖11 單位預(yù)壓應(yīng)力所需的中支點頂升高度圖Fig.11 The displacement required jacking for unit compression stress

圖12 反映出不同張拉預(yù)應(yīng)力方法下橋面板單位預(yù)壓應(yīng)力和單位板寬預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)目的關(guān)系，背景工程采用的后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法，單位板寬需布置1.24 束直徑15.24 mm 鋼絞線才能在橋面板表面產(chǎn)生1 MPa 的預(yù)壓應(yīng)力，然而傳統(tǒng)的先結(jié)合預(yù)應(yīng)力則需要布置1.65束才能達到后結(jié)合法相同的效果。后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法的鋼束數(shù)目受跨徑影響較小，僅取決于橋面板的構(gòu)造形式，但先結(jié)合預(yù)應(yīng)力法的鋼束數(shù)目隨著跨徑的增加而顯著增加。隨著主跨跨徑從40 m 增加至120 m，后結(jié)合法比先結(jié)合法節(jié)省了10%至51%的預(yù)應(yīng)力鋼束。后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法將全部預(yù)壓應(yīng)力施加于混凝土橋面板內(nèi)，提高了預(yù)應(yīng)力鋼束的使用效率，配置較少的預(yù)應(yīng)力鋼束就能達到常規(guī)先結(jié)合預(yù)應(yīng)力法相同的效果。

圖12 單位預(yù)壓應(yīng)力所需的單位板寬預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)目圖Fig.12 The number of tendons required per unit deck width for unite compression stress

綜上分析可知，后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法對負彎矩區(qū)受力性能的改善能力顯著大于先結(jié)合法和中支點頂升/回落法。對于60 m 至70 m 的大跨度預(yù)應(yīng)力組合梁橋，可以將后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法和中支點頂升/回落法組合使用；對于70 m 以上的大跨度預(yù)應(yīng)力組合梁橋，直接使用后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法會具有更好的性價比。

5 結(jié)論

本文依據(jù)背景工程的有限元模型，分別計算中支點梁體頂升/回落法和后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法對大跨度組合梁負彎矩區(qū)受力性能的改善效果，對比分析得到如下結(jié)論：

（1）背景工程中后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力為中支點頂升/回落法的9.2 倍，僅采用中支點頂升/回落法對負彎矩區(qū)橋面板受力性能的改善有限。

（2）中支點頂升/回落法的主邊跨受幾何約束作用產(chǎn)生次效應(yīng)，鋼梁最大應(yīng)力為39.8 MPa，出現(xiàn)在剛度薄弱的后澆段，而后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法對邊主跨梁段的受力性能基本沒有影響。

（3）60 m 以下大跨度組合梁橋組合運用中支點梁體頂升/回落法和后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法的效果更優(yōu)，70 m 以上的組合梁橋直接采用后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法會具有更好的性價比。