基于精細化模型的整體預制組合箱梁結構優(yōu)化及施工工藝研究

金宇豪 孫斌 孫九春 龐丹丹

（1 同濟大學；2 騰達建設集團股份有限公司）

20 世紀60 年代以來，組合結構以其整體受力的經(jīng)濟性、發(fā)揮兩種材料優(yōu)勢的合理性以及便于施工的突出優(yōu)點而得到廣泛應用[1-2]。目前我國的組合結構橋梁建造的基本方法是：首先在工廠進行鋼結構的制造，運輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場后安裝到橋梁設計位置，然后進行混凝土橋面板的施工。傳統(tǒng)施工方法由于受到結構設計的限制，構件的數(shù)量多、現(xiàn)場吊裝作業(yè)量大、施工速度慢，已經(jīng)不能滿足高速發(fā)展的交通道路建設需要[3]。

整體預制組合梁橋可以顯著降低現(xiàn)場作業(yè)量，加快施工速度，彌補傳統(tǒng)組合梁橋施工方法的缺陷。近年來，有眾多學者對整體預制組合梁橋的設計、施工方法進行探討。宋勇強[4]等在總結裝配式組合梁分類、發(fā)展歷程和安裝工藝的基礎上，開展了裝配式組合梁連接構造和整體受力性能研究。魏一絎[5]等對35m標準跨徑的整體預制鋼混組合梁進行上部結構設計，并采用Midas Civil 建立桿系有限元模型，進行負彎矩區(qū)受力性能改善方法比選。羅攀[6]對50m 跨徑工字組合梁橋設計、施工進行了詳細介紹，對比分析了整體預制梁的應力和經(jīng)濟性差異，探討了混凝土板收縮徐變影響、裂縫控制等設計關鍵技術。當前研究往往基于桿系有限元模型進行參數(shù)分析和驗算，忽略鋼混交界面的滑移，從而給結論帶來了不可靠因素。

本研究依托某整體預制組合箱梁橋，建立板殼-實體精細化有限元模型，在考慮施工過程的同時，兼顧鋼板、剪力釘和混凝土的之間的復雜相互作用。通過對鋼底板厚度、鋼腹板厚度和跨中壓重大小開展參數(shù)分析，得到結構受力性能隨各參數(shù)的變化規(guī)律，以期對后續(xù)類似工程設計提供指導。

1 工程概況

某整幅式連續(xù)梁橋跨徑布置為35m+35m+30m，橋梁單幅寬度30m，設計荷載等級為公路I級，車道設計標準為雙向七車道。連續(xù)梁橋上部結構采用鋼-混凝土板組合箱梁，橋面板采用強度等級為C40 的混凝土，鋼構件均采用Q345鋼材。主梁橫向由7片組合箱梁構成，其中一片中梁的標準橫斷面如圖1所示。

圖1 中梁標準橫斷面

本橋采用整體預制法施工，具體流程如下：

⑴在工廠預制鋼梁、焊接剪力釘，以鋼梁為胎架綁扎鋼筋，澆筑預制部分混凝土橋面板；

⑵分跨架設組合梁，置于墩頂臨時支座上；

⑶綁扎縱向濕接縫鋼筋，逐孔澆筑縱向濕接縫，單跨內(nèi)橫向形成整體；

⑷縱向濕接縫養(yǎng)護完成后，對每片梁跨中部分堆載預壓，堆載范圍為跨中15m范圍內(nèi)；

⑸綁扎橫向濕接縫及橫梁鋼筋，從端橫梁向中橫梁澆筑橫向濕接縫及橫梁；

⑹橫向濕接縫及橫梁混凝土達到設計強度后，安裝中墩永久支座，拆除臨時支座，完成簡支變連續(xù)體系轉換；

⑺卸去跨中預壓堆載；

⑻附屬設施施工，至此全橋施工完成。

2 有限元模型

2.1 概述

采用ANSYS 建立橋梁板殼-實體有限元模型，開展局部受力分析。為減小計算規(guī)模，僅選取縱向半跨、橫向3 片進行建模加載（如圖2 所示），并取中間一片梁的結果作為計算結果。

圖2 局部模型示意圖

計算時考慮結構自重、二期鋪裝和車輛荷載。二期鋪裝根據(jù)圖紙，以面荷載的形式施加。車輛荷載采用《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）[7]中的車輛荷載模型。

鋼板、剪力釘和混凝土分別采用Shell63 單元、Beam189單元和Solid95單元模擬，鋼板和剪力釘，以及混凝土和剪力釘之間采用共節(jié)點的方式耦合位移。單元最大尺寸為0.2m，模型共由27182 個Shell63 單元、15300個Beam189單元和837499個Solid95單元構成。

2.2 施工步驟

采用ANSYS 的生死單元考慮施工過程。根據(jù)本橋設計，擬定以下荷載步：

步驟1：架設鋼梁和混凝土預制段，直接激活對應單元。支座處節(jié)點約束豎向位移，跨中處節(jié)點約束縱橋向位移。

步驟2：澆筑縱向濕接縫。本過程濕接縫混凝土僅計入重量，不參與受力，在模型中將濕接縫混凝土重量按照均布力施加到已有結構上。約束條件與上步一致。

步驟3：縱向濕接縫參與承載。激活濕接縫混凝土單元并撤去上一步中的均布力。約束條件與上步一致。

步驟4：預壓堆載。按照設計，每片梁預壓50kN/m堆載，范圍為跨中往外各7.5m。約束條件與上步一致。

步驟5：架設鋼頂板后拼段，澆筑支座處混凝土。與縱向濕接縫類似，本過程支座處混凝土僅計入重量，不參與受力。約束條件與上步一致。

步驟6：支座處混凝土現(xiàn)澆段參與承載。激活現(xiàn)澆段混凝土單元并撤去上一步中的均布力。約束條件與上步一致。

步驟7：簡支變連續(xù)，卸去跨中堆載。支座處節(jié)點約束全部自由度，跨中節(jié)點仍僅約束縱向位移，此即為成橋狀態(tài)的約束條件。

步驟8：施加二期鋪裝。

步驟9：施加車輛荷載。

3 參數(shù)分析

本研究取鋼底板厚度、鋼腹板厚度和跨中壓重大小作為可變參數(shù)，探討這些參數(shù)對運營階段（也即步驟9）混凝土頂板中支點處最大縱向拉應力和跨中最大縱向壓應力、鋼腹板最大Mises 應力、跨中最大豎向位移的影響，通過參數(shù)分析確定參數(shù)的合理取值。

3.1 鋼底板厚度

取鋼底板厚度依次為30mm、32mm、35mm、38mm、40mm，得到其對各個關心參數(shù)的影響，如圖3 所示。圖中縱坐標為各個關心參數(shù)與底板厚35mm的比值，具體數(shù)值見表1。表中tb為鋼底板厚度，σt為混凝土頂板中支點處最大拉應力，σc為混凝土頂板跨中最大壓應力，σM為鋼腹板最大Mises應力，δ為跨中最大豎向位移。

表1 關心參數(shù)隨鋼底板厚度變化

圖3 關心參數(shù)相對值隨鋼底板厚度變化

由分析結果可知，在鋼底板厚度由30mm增大至40mm的過程中，混凝土頂板中支點處最大拉應力、鋼腹板最大Mises 應力和跨中最大豎向位移均略微減小，而混凝土頂板跨中最大壓應力幾乎不變。

需要指出的是，根據(jù)應力云圖結果，本研究中的鋼腹板最大Mises 應力均出現(xiàn)在支點腹板與底板交界處，如圖4黃色區(qū)域所示。因此選取鋼腹板的最大Mises應力作為關心參數(shù)，一方面充分反映了底板的最不利受力情況，另一方面也規(guī)避了因為底板應力集中對應力最值造成的干擾。因此，鋼底板厚度由30mm增大至40mm時，鋼腹板最大Mises 應力由120.2MPa 減小至105.0MPa，實質(zhì)上反映的是鋼底板厚度增大對其底板自身應力降低的有利影響。

圖4 鋼箱局部應力云圖

3.2 鋼腹板厚度

取鋼腹板厚度依次為10mm、12mm、14mm、16mm、18mm，得到其對各個關心參數(shù)的影響，如圖5 所示。圖中縱坐標為各個關心參數(shù)與腹板厚14mm的比值，具體數(shù)值見表2。表中tw為鋼腹板厚度，其余與上文一致。

表2 關心參數(shù)隨鋼腹板厚度變化

圖5 關心參數(shù)相對值隨鋼腹板厚度變化

根據(jù)參數(shù)分析結果，當鋼腹板厚度由10mm增大至18mm時，鋼腹板自身的最大Mises 應力出現(xiàn)明顯減小，由126.3MPa降至104.3MPa?？缰凶畲筘Q向位移也由于截面剛度的增大而小幅降低。另外，混凝土板的應力幾乎不隨鋼腹板厚度變化。

3.3 跨中壓重

跨中壓重被廣泛應用于組合梁橋施工中，用以改善負彎矩區(qū)受力性能。本節(jié)取跨中壓重大小依次為40kN/m、50kN/m、60kN/m、70kN/m、80kN/m，得到其對各個關心參數(shù)的影響，如圖6 所示。圖中縱坐標為各個關心參數(shù)與跨中壓重取60kN/m的比值，具體數(shù)值見表3。表中p為跨中壓重大小，其余與上文一致。

表3 關心參數(shù)隨跨中壓重變化

圖6 關心參數(shù)相對值隨跨中壓重變化

由圖6和表3可知，隨著跨中壓重增大，混凝土頂板跨中最大壓應力、鋼腹板最大Mises 應力和跨中最大豎向位移均出現(xiàn)了一定程度的提高，而混凝土頂板支座處的最大拉應力則顯著減小，由2.41MPa降低至1.10MPa，降幅54.4%。

因此，在施工過程中增大壓重，是抑制成橋后墩頂負彎矩區(qū)開裂的一項經(jīng)濟而有效的措施。同時需要注意的是，增大跨中壓重會帶來成橋后主梁豎向位移的增大，因此在設計時需要綜合考慮主梁預拱度的設置。

4 結語

本文針對整體預制組合箱梁結構尺寸及施工工藝優(yōu)化問題，基于背景工程，建立精細化板殼-有限元模型，開展參數(shù)分析，得到鋼底板厚度、鋼腹板厚度和跨中壓重對結構受力性能的影響規(guī)律，結論如下。

⑴提高鋼底板厚度可以略微改善鋼底板和腹板的受力情況，但對混凝土頂板應力和結構整體剛度的影響較小。

⑵提高鋼腹板厚度在一定程度上可以降低鋼腹板本身的應力，但對混凝土頂板受力幾乎不產(chǎn)生影響。

⑶配置跨中壓重是改善負彎矩區(qū)混凝土頂板受力性能的一項有力措施，增大跨中壓重可以顯著降低墩頂混凝土板的縱向拉應力，但同時也會提高恒載作用下主梁的豎向變形，后者可以通過在設計時增大預拱度來彌補。