朱 眾 趙 陽(yáng)

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

近年來(lái)我國(guó)大力推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁，而鋼板組合梁作為鋼結(jié)構(gòu)橋梁中主要的結(jié)構(gòu)形式(見(jiàn)圖1)，通過(guò)栓釘連接件使鋼梁和混凝土板形成組合結(jié)構(gòu)，以其適用跨徑范圍較廣、較為經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[1]得到日益廣泛的應(yīng)用。

圖1 鋼板組合梁結(jié)構(gòu)示意圖(小橫梁)

然而對(duì)于連續(xù)組合梁結(jié)構(gòu)，在其負(fù)彎矩區(qū)，鋼梁與混凝土之間的組合作用會(huì)使組合梁處于混凝土受拉、鋼梁受壓的不利狀態(tài)[2]，從而容易出現(xiàn)拉應(yīng)力超限問(wèn)題，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫；同時(shí)，連續(xù)組合梁在不同的施工方案下的結(jié)構(gòu)性能也存在較大差異，橋面板及鋼梁均有可能因不同的方案在施工階段下出現(xiàn)應(yīng)力超限問(wèn)題。

針對(duì)上述情況，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。聶建國(guó)、余志武等[3]最先開(kāi)展對(duì)這種組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用性能研究；同時(shí)，聶建國(guó)、張眉河[4]對(duì)負(fù)彎矩區(qū)工作性能進(jìn)行了研究，提出負(fù)彎矩區(qū)裂縫寬度計(jì)算有別于普通鋼筋混凝土；劉少華等[5]對(duì)鋼-混組合梁施工階段受力性能進(jìn)行了分析；聶建國(guó)、陶慕軒等[6]討論了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁研究新進(jìn)展，并針對(duì)抗裂難題提出抗拔不抗剪連接新技術(shù)[7]。

目前，處理負(fù)彎矩區(qū)橋面板開(kāi)裂的技術(shù)手段主要集中在結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式和理論計(jì)算方面，包括加密布置鋼筋、縱向預(yù)應(yīng)力技術(shù)、改進(jìn)連接件布置形式、鋼下翼緣外包混凝土等，而對(duì)于施工階段中結(jié)構(gòu)的性能研究相對(duì)較少。同時(shí)，不同方案對(duì)連續(xù)組合梁結(jié)構(gòu)在施工階段和成橋狀態(tài)的影響也不同。因此，有必要進(jìn)行不同施工方案下結(jié)構(gòu)性能的對(duì)比分析，進(jìn)而從施工工藝角度提供優(yōu)化思路。

1 變截面鋼板連續(xù)梁設(shè)計(jì)參數(shù)

本文以跨徑組成為65 m+120 m+65 m的某變截面鋼板連續(xù)梁為工程背景，圖2為該橋總體布置圖。橋梁總寬16.0 m(0.5 m防護(hù)欄+15.00 m行車道+0.5 m防護(hù)欄)，雙向4車道，橋面橫坡1%。主梁橫向由5片鋼板梁組成，鋼板梁之間設(shè)置橫向連接系；其中墩頂至L/8的負(fù)彎矩區(qū)域所用鋼材為Q420鋼，其余區(qū)域均為Q345鋼。橋面采用C60預(yù)制混凝土橋面板，橋面板普通鋼筋為HPB300光圓鋼筋及HRB400螺紋鋼筋。連接件采用群釘形式設(shè)置于工字鋼上翼緣，橋面板設(shè)置剪力槽，通過(guò)澆筑剪力槽處混凝土與工字鋼主梁連接成整體。

圖2 橋梁總體布置圖(單位：cm)

橫截面布置見(jiàn)圖3，橋面板厚350 mm,跨中截面高3 m，工字鋼主梁高2 650 mm；支點(diǎn)截面高4.8 m，工字鋼主梁高4 450 mm。

圖3 橫截面布置圖(單位：mm)

2 計(jì)算有限元模型

2.1 有限元模型建立

全橋模型共劃分為3 504個(gè)單元，2 510個(gè)節(jié)點(diǎn)，成橋計(jì)算模型見(jiàn)圖4，采用雙主梁?jiǎn)卧?，即工字鋼主梁與橋面板采用雙單元形式，忽略鋼梁與橋面板之間的滑移效應(yīng)，利于建立不同施工方案和施工階段，進(jìn)行橋面板和鋼主梁的應(yīng)力變形讀取。

圖4 有限元計(jì)算模型圖

如圖5所示，在橋面板安裝過(guò)程中，橋面板剪力槽未澆筑混凝土之前，鋼主梁對(duì)橋面板只起支撐作用，用彈性連接中“僅受壓”來(lái)模擬；在澆筑剪力槽內(nèi)混凝土后，通過(guò)彈性連接中“剛性連接”模擬。

圖5 連接件模擬圖

2.2 施工方案設(shè)計(jì)

針對(duì)變截面鋼板連續(xù)梁提出3種施工方案，具體如下。

1) 工字鋼主梁與橋面板同步安裝。懸臂對(duì)稱吊裝工字鋼主梁→安裝對(duì)應(yīng)預(yù)制橋面板→澆筑剪力槽混凝土→懸臂對(duì)稱吊裝下節(jié)段→……。

圖6 同步安裝示意圖

2) 工字鋼主梁合龍后橋面板順序依次安裝。合龍鋼主梁→依次安裝預(yù)制橋面板完成→澆筑剪力槽混凝土。

圖7 順序安裝示意圖

3) 工字鋼主梁合龍后橋面板間斷安裝。合龍鋼主梁→安裝正彎矩區(qū)橋面板→澆筑剪力槽混凝土→安裝負(fù)彎矩區(qū)橋面板→澆筑剪力槽混凝土。

圖8 間斷安裝示意圖

3 施工方案對(duì)比分析

3.1 施工過(guò)程應(yīng)力變化

為分別考察上述3種施工方案下不同施工工序下上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，選取工字鋼主梁和橋面板幾個(gè)關(guān)鍵截面進(jìn)行對(duì)比分析。如圖9所示，包括中間支點(diǎn)處鋼主梁上翼緣、橋面板，中跨L/8，L/4，3L/8，L/2處鋼主梁上翼緣、橋面板。

圖9 關(guān)鍵截面選取示意圖

3.1.1同步安裝

1) 鋼主梁上翼緣應(yīng)力變化。在同步安裝過(guò)程中，鋼主梁上翼緣應(yīng)力較小,各截面應(yīng)力在各施工階段下幾乎處于受拉狀態(tài)下，最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在最大懸臂狀態(tài)下，最大拉應(yīng)力為64 MPa，位于墩頂截面。

2) 橋面板應(yīng)力變化

圖10 同步安裝橋面板應(yīng)力圖

從圖10橋面板各截面在施工階段下的應(yīng)力狀態(tài)可知：在懸臂初期，墩頂、L/8、L/4處截面橋面板均處于受壓狀態(tài)；隨著懸臂伸長(zhǎng)，墩頂、L/8截面均出現(xiàn)了拉應(yīng)力超限問(wèn)題，3L/8、跨中處截面處于受壓狀態(tài)。由此可見(jiàn)，模型中在負(fù)彎矩區(qū)處設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力筋，對(duì)懸臂初期效果較好，但懸臂伸長(zhǎng)，墩頂處負(fù)彎矩也隨之增大，在L/4處節(jié)段吊裝后即出現(xiàn)拉應(yīng)力，在成橋前最大拉應(yīng)力為9.1 MPa，超過(guò)C60混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

3.1.2鋼主梁合龍后一次安裝

1) 鋼主梁上翼緣應(yīng)力變化。在安裝第一跨橋面板時(shí)，第二跨墩頂至跨中各截面上翼緣均處于受拉狀態(tài)；安裝第二跨橋面板時(shí)，第二跨跨中及3L/8處截面上翼緣開(kāi)始受壓，這是因?yàn)榘惭b第一跨橋面板時(shí)荷載對(duì)第二跨鋼主梁產(chǎn)生了預(yù)加力。整個(gè)階段最大拉應(yīng)力為墩頂143 MPa，最大壓應(yīng)力為跨中149 MPa。

2) 橋面板應(yīng)力變化

圖11 一次安裝橋面板應(yīng)力圖

由圖11可見(jiàn)，安裝墩頂處橋面板產(chǎn)生較小的壓應(yīng)力，而在按順序施工安裝第二跨跨中橋面板時(shí)，除了跨中正彎矩區(qū)域橋面板為受壓狀態(tài)，墩頂至L/4處均出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為L(zhǎng)/8截面5.8 MPa，超過(guò)C60軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。原因是墩頂沒(méi)有足夠的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，在順序安裝至第二跨跨中時(shí)，由于較大的跨徑，橋面板安裝的荷載將對(duì)墩頂區(qū)域產(chǎn)生一定的負(fù)彎矩，造成橋面板出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3.1.3鋼主梁合龍后間斷安裝

1) 鋼主梁上翼緣應(yīng)力變化。間斷安裝橋面板方案下，墩頂處截面上翼緣出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，為231 MPa；跨中截面上翼緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，為102 MPa。安裝第二跨跨中橋面板時(shí)，鋼主梁上翼緣應(yīng)力變化較為明顯；安裝第三跨橋面板時(shí)，第二跨鋼主梁各截面應(yīng)力變化較小。

2) 橋面板應(yīng)力變化

圖12 間斷安裝橋面板應(yīng)力圖

由圖12可見(jiàn)，間斷施工方案下，橋面板各截面具有良好的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。前兩跨安裝過(guò)程中，橋面板各截面均處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為墩頂3.6 MPa。安裝第三跨橋面板時(shí)(施工階段CS19后)，第二跨橋面板應(yīng)力均有所變化，其中跨中和3L/8處截面應(yīng)力變化較為明顯，3L/8處橋面板出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為1.4 MPa，墩頂至L/4處負(fù)彎矩區(qū)拉應(yīng)力小于0.7 MPa，各截面橋面板拉應(yīng)力均小于C60軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

3.2 施工方案對(duì)比分析

為了分析3種施工方案下成橋后對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，選取正常使用極限狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)組合作用對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的應(yīng)力、變形進(jìn)行對(duì)比分析。為方便概述，同步安裝為方案一，鋼主梁合龍后一次安裝為方案二，鋼主梁合龍后間斷安裝為方案三。

3.2.1結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比

圖13所示為正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下，3種不同方案的鋼梁應(yīng)力對(duì)比(包括上、下翼緣)。可見(jiàn)，方案一鋼主梁上翼緣應(yīng)力變化較方案二、三??；方案二和方案三應(yīng)力變化趨勢(shì)較為相似，方案三最大拉應(yīng)力在墩頂截面，為255 MPa，滿足負(fù)彎矩區(qū)Q420鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)范圍；方案二最大壓應(yīng)力在跨中截面，為201 MPa。鋼主梁截面下翼緣應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，最大壓應(yīng)力均在墩頂處，為205 MPa，而跨中截面最大拉應(yīng)力為方案二，為167 MPa。

圖13 標(biāo)準(zhǔn)組合鋼梁應(yīng)力對(duì)比圖

圖14所示為正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下，3種不同方案的橋面板應(yīng)力對(duì)比。可見(jiàn)，方案一和方案二在墩頂至L/8處均存在拉應(yīng)力超限問(wèn)題；方案三在墩頂負(fù)彎矩區(qū)域內(nèi)的橋面板拉應(yīng)力明顯小于其它2種方案，最大拉應(yīng)力為1.5 MPa，較方案一減少10 MPa，較方案二減少6 MPa。說(shuō)明方案三間斷安裝橋面板可以有效減小負(fù)彎矩區(qū)域的拉應(yīng)力，有利于成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力。

圖14 標(biāo)準(zhǔn)組合橋面板應(yīng)力對(duì)比圖

3.2.2結(jié)構(gòu)變形對(duì)比

3種方案下由自重和靜活載產(chǎn)生的主梁的豎向變形對(duì)比見(jiàn)圖15。

圖15 標(biāo)準(zhǔn)組合主梁豎向變形對(duì)比圖

由圖可見(jiàn)，3種施工方案下的組合梁的位移主要在中跨跨中位置產(chǎn)生差異，組合梁在邊跨的變形量差別較小。方案一最大變形量為260 mm，方案二為454 mm，方案三為549 mm，較方案一差值為289 mm。原因?yàn)榉桨付?、三在施工階段中鋼主梁與橋面板未同步施工，即未形成組合截面前鋼主梁剛度較方案一組合梁小，跨中變形量較方案一大。

4 負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板應(yīng)力控制

4.1 支點(diǎn)頂升法

根據(jù)上述可知，大跨徑組合鋼板梁橋負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板存在拉應(yīng)力超限問(wèn)題，容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致負(fù)彎矩區(qū)組合截面失效。建議采取支點(diǎn)頂升等[9]較適用于大跨徑組合梁的措施，它可以和間斷安裝橋面板工法結(jié)合，進(jìn)而有效控制負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板裂縫的產(chǎn)生，見(jiàn)圖16。

圖16 支點(diǎn)頂升法示意圖

4.2 支點(diǎn)頂升量分析

支點(diǎn)理想頂升量可以通過(guò)對(duì)比分析不同頂升距離對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響來(lái)確定。本次對(duì)比擬設(shè)置頂升中間支座方案，起頂距離為10，20，30，40，50 cm，然后回落至設(shè)計(jì)點(diǎn)，分析正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下關(guān)鍵截面應(yīng)力狀態(tài)。不同頂升距離下的鋼梁部分截面應(yīng)力值見(jiàn)表1，橋面板應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)圖17。

表1 支點(diǎn)不同頂升量的結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比

圖17 不同頂升量橋面板應(yīng)力對(duì)比圖

由表1可見(jiàn)，在正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下，鋼主梁支座處截面上翼緣拉應(yīng)力隨頂升量增加而增大，在支座頂升距離為50 cm時(shí)，鋼主梁上翼緣拉應(yīng)力為272 MPa；邊跨和中跨跨中截面上翼緣壓應(yīng)力隨頂升量增加而減?。煌弦砭?，各關(guān)鍵截面下翼緣應(yīng)力在支座處壓應(yīng)力減小，在邊跨和中跨跨中處拉應(yīng)力增大。原因是支點(diǎn)頂升相當(dāng)于在墩頂區(qū)域施加負(fù)彎矩，其附加彎矩抵消一部分跨中正彎矩，使跨中正彎矩減小，墩頂負(fù)彎矩增加。

由圖17可見(jiàn)，在正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下，支座處截面橋面板在頂升距離為30 cm時(shí)從拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。

綜合上述分析可知，當(dāng)頂升距離取30 cm時(shí)可保證正常使用極限狀態(tài)下橋面板不出現(xiàn)拉應(yīng)力，而負(fù)彎矩區(qū)工字鋼主梁最大應(yīng)力為256 MPa，具備一定的富余值。

5 結(jié)論

1) 對(duì)于大跨徑變截面鋼板組合梁，鋼梁合龍后間斷安裝橋面板形成組合截面可有效減小負(fù)彎矩區(qū)拉應(yīng)力，有利于施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力。

2) 在正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下，間斷安裝橋面板方案的成橋結(jié)構(gòu)各部件應(yīng)力均在容許范圍內(nèi)，且有一定的應(yīng)力安全儲(chǔ)備。

3) 支點(diǎn)頂升法相比于設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力筋，前者更適用于解決大跨徑組合梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板應(yīng)力超限問(wèn)題，本工程設(shè)置支點(diǎn)頂升理想距離為30 cm左右。

4) 間斷安裝法與支點(diǎn)頂升法能夠配合施工，兩者在工序上不相沖突，適用于橋面板負(fù)彎矩區(qū)拉應(yīng)力超限問(wèn)題，能夠有效地控制橋面板在施工階段和成橋狀態(tài)下裂縫的產(chǎn)生。