王紅良， 錢金巨， 王立超， 王棟威， 何余良

(1.華匯工程設(shè)計集團股份有限公司， 浙江 紹興 312000；2.紹興市越城區(qū)公路管理所，浙江 紹興 312000；3.紹興文理學院 土木工程學院， 浙江 紹興 312000)

鋼-混組合梁橋的現(xiàn)澆橋面板在其澆筑前后受力變化較復雜，尤其是對于鋼-混組合連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)，連續(xù)段負彎矩區(qū)的砼易出現(xiàn)早期裂縫，易受澆筑順序的影響。現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范對于現(xiàn)澆砼橋面板的施工順序描述較少，僅對橋面板澆筑時機進行了簡要闡述。為探索鋼-混組合連續(xù)梁橋澆筑階段受力變化情況，該文對某三跨連續(xù)的鋼-混組合連續(xù)梁橋進行試驗研究，利用有限元方法對現(xiàn)澆橋面板施工階段進行受力分析，研究砼澆筑完成前后鋼-混組合連續(xù)梁橋施工階段受力變化，為鋼-混組合連續(xù)梁橋現(xiàn)澆橋面板施工順序確定提供參考。

1 靜載試驗

選取某三跨連續(xù)的鋼-混組合連續(xù)梁橋中3×13 m跨徑進行試驗，橋面寬11.99 m，由6片間距為2.15 m、高0.65 m的工字型鋼主梁及0.2 m厚現(xiàn)澆砼板組成，鋼梁翼緣厚和寬分別為28、320 mm，腹板厚16 mm。在主梁間設(shè)置工字型鋼橫梁加強其橫向連接性能及整體受力性能，在支點位置及每跨1/4L、1/2L處布置橫梁結(jié)構(gòu)。橫梁結(jié)構(gòu)均采用工字型鋼，板厚均為16 mm，其中橋臺位置端橫梁上下翼緣寬0.55 m、高0.4 m，橋墩位置中橫梁上下翼緣寬0.4 m、高0.45 m，橋跨內(nèi)跨間橫梁上下翼緣寬0.3 m、高0.3 m。采用C50砼、Q345鋼材。鋼-混組合連續(xù)梁橋橫斷面見圖1，材料特性見表1。

圖1 橋梁立面及標準橫斷面(單位：m)

表1 鋼-混組合梁橋的材料特性

靜載試驗采用2輛總載重為380 kN的標準車輛進行加載，撓度測點布置于梁底，沿行車方向分別布置于Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ及Ⅲ-Ⅲ測試斷面。試驗現(xiàn)場車輛及測點布置見圖2，標準車輛加載位置見圖3。在標準車輛行至指定位置后，采用千分表測量鋼

圖2 試驗現(xiàn)場車輛及撓度測點布置

-混組合連續(xù)梁橋跨中梁底豎向變位，并利用支座位置的豎向位移測試值進行修正。靜載試驗撓度測試值見圖4。

圖3 加載車及撓度測點布置(單位；cm)

圖4 跨中撓度值

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

采用有限元軟件ABAQUS對鋼-混組合連續(xù)梁橋施工階段進行仿真模擬，模型的邊界條件完全按實際施工過程進行調(diào)整。鋼梁、鋼橫梁及砼板采用三維殼單元(S4R)模擬，并將鋼梁及鋼橫梁組成的鋼結(jié)構(gòu)合并，按照實際剛接情況進行設(shè)置。鋼梁有限元模型見圖5，砼橋面板與鋼梁采用Tie連接。

圖5 鋼梁有限元模型

2.2 有限元驗證

跨中撓度有限元分析結(jié)果見圖4。由圖4可知：靜載試驗撓度測試值與有限元模型分析值吻合良好，各梁撓度變化趨勢相似，其中3#梁撓度誤差最大，約為7.7%。采用有限元方法進行鋼-混組合連續(xù)梁橋靜載試驗模擬，能較好地反映實際橋梁靜載試驗下的受力響應(yīng)。

3 橋面板整體澆筑分析

3.1 整體澆筑施工工藝

該橋采用先架設(shè)鋼梁再進行橋面板施工的方法，鋼梁施工采用吊裝拼接法，待鋼梁和鋼橫梁組成的鋼結(jié)構(gòu)拼裝剛接完成后，利用鋼結(jié)構(gòu)作為支撐和模板骨架進行砼橋面板澆筑，砼板凝結(jié)硬化且強度達到設(shè)計要求后形成鋼-混組合連續(xù)梁，承受橋梁的自重荷載和活荷載。在鋼梁和鋼橫梁組成的鋼結(jié)構(gòu)形成時，連續(xù)段并無負彎矩。橋墩處焊接后，鋼主梁受力將從簡支轉(zhuǎn)為連續(xù)。組合梁形成后，橋梁結(jié)構(gòu)所承受的恒載和活載都由連續(xù)梁承擔，并在連續(xù)段產(chǎn)生負彎矩。

3.2 整體澆筑受力分析

在主梁剛接形成連續(xù)梁時，在其自身重力及臨時荷載作用下，連續(xù)段并無負彎矩存在。圖6為鋼梁及鋼橫梁組成的鋼結(jié)構(gòu)形成時鋼梁的縱向正應(yīng)力分布。由圖6可知：鋼梁及鋼橫梁連接形成鋼結(jié)構(gòu)時，其結(jié)構(gòu)形式從簡支轉(zhuǎn)為連續(xù)，鋼梁剛接后的連續(xù)段并未在恒載作用下產(chǎn)生負彎矩，各跨跨中位置各鋼梁的上翼緣縱向正應(yīng)力為7.9～8.9 MPa，各梁正應(yīng)力在橫向的分布不均勻(最大相差約10.7%)。隨著施工的推進，澆筑砼后未達到設(shè)計強度時，組合梁橋上部結(jié)構(gòu)的材料恒載及臨時荷載仍由下部鋼結(jié)構(gòu)承擔，邊跨跨中截面鋼梁上翼緣壓應(yīng)力大于中跨跨中鋼梁上翼緣壓應(yīng)力，與計算結(jié)果一致，內(nèi)力計算中跨的跨中彎矩小于邊跨。無論是邊跨還是中跨，在澆筑砼后鋼梁上翼緣正應(yīng)力都在承載后更大，邊跨跨中應(yīng)力最大變化為15.5 MPa，中跨跨中應(yīng)力最大變化為5.64 MPa。連續(xù)梁結(jié)構(gòu)在砼自重及臨時荷載作用下在連續(xù)段產(chǎn)生負彎矩，使鋼梁上翼緣產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，最大變化為22.8 MPa。由于負彎矩區(qū)的迅速出現(xiàn)，墩頂剛澆筑的砼會產(chǎn)生早期裂縫。

圖6 鋼梁上翼緣縱向正應(yīng)力分布

如圖7所示，鋼梁下翼緣縱向正應(yīng)力變化與上翼緣類似。砼澆筑后，邊跨及中跨跨中拉應(yīng)力及連續(xù)段壓應(yīng)力都變化較大，這主要由下部鋼結(jié)構(gòu)承受荷載的增加及簡支轉(zhuǎn)連續(xù)結(jié)構(gòu)后受力的變化所致。

圖7 鋼梁下翼緣縱向正應(yīng)力分布

在材料自重荷載和臨時荷載作用下，鋼梁腹板的剪應(yīng)力占比不等(見圖8)。由圖8可知：與正應(yīng)力分布相似，3#梁在自重荷載及臨時荷載作用下內(nèi)力較大，其剪應(yīng)力對于下部鋼結(jié)構(gòu)占比也較大，剪應(yīng)力為1.695 MPa，占比約為17.3%。隨著荷載的增加，2#、3#梁所占比重逐漸上升，且在中跨支座附近的占比增加較快。1#梁所有位置的剪應(yīng)力占比下降較大，其相應(yīng)承受的荷載比重減少，而由2#、3#梁承擔；1#梁剪應(yīng)力在中跨支座附近占比最小，僅為14%，減小約11.6%。各鋼梁受力的不均勻反映了施工階段結(jié)構(gòu)體系變化中荷載的橫向分布情況。

4 橋面板分段澆筑分析

4.1 分段澆筑施工工藝

在鋼-混組合連續(xù)梁橋施工階段，砼橋面板澆筑前后結(jié)構(gòu)受力變化非常明顯?，F(xiàn)澆砼橋面板的過程中，由于砼用量大，同時出于負彎矩段板件受力等考慮，常采用間斷澆筑法，先澆筑橋梁跨中位置的砼，再澆筑負彎矩區(qū)段的砼，以改善負彎矩區(qū)段砼板的應(yīng)力情況。但在實際施工過程中，現(xiàn)澆砼橋面板的間斷澆筑順序有所不同，兩種常用砼間斷澆筑順序見圖9。

圖8 橋梁截面各梁腹板剪應(yīng)力比重

圖9 砼間斷澆筑順序示意圖(單位：cm)

4.2 分段澆筑受力分析

以3#鋼梁為例，兩種澆筑順序下鋼梁受力變化見圖10、圖11，其中腹板剪應(yīng)力取3#鋼梁邊跨橋臺附近、邊跨連續(xù)段側(cè)及中跨支座附近腹板剪應(yīng)力情況進行分析。

圖10 方法一間斷澆筑期間鋼梁應(yīng)力情況

圖11 方法二間斷澆筑期間鋼梁應(yīng)力情況

由圖10可知：1) 按方法一澆筑時，鋼梁的應(yīng)力情況隨著澆筑順序的變化而改變。鋼梁邊跨跨中及墩頂支座附近，上、下翼緣縱向正應(yīng)力呈緩慢上升趨勢，這主要是由澆筑期間砼橋面板自重不斷加大造成的；而鋼梁中跨跨中位置的上、下翼緣正應(yīng)力在澆筑墩頂砼橋面板前一直呈下降趨勢，間斷澆筑使連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的受力發(fā)生變化。2) 以方法一間斷澆筑施工，負彎矩區(qū)段的砼橋面板在澆筑時僅需考慮澆筑墩頂附近砼的重力造成的應(yīng)力變化，澆筑順序4主梁應(yīng)力變化量僅占總應(yīng)力變化量的29.2%，可有效改善現(xiàn)澆砼橋面板時負彎矩區(qū)段砼上部受拉的情況。因此，鋼-混組合連續(xù)梁橋現(xiàn)澆砼橋面板施工宜采用間斷澆筑法。3) 隨著砼橋面板逐漸澆筑完成，橋臺支座附近及墩頂支座附近的腹板剪應(yīng)力都不同程度上升；澆筑邊跨砼時，對中跨剪應(yīng)力的影響不大；澆筑墩頂附近連續(xù)段砼時，對邊跨橋臺側(cè)腹板剪應(yīng)力的影響較小。

由圖11可知：按方法二澆筑，澆筑1#墩頂附近砼時，澆筑順序3主梁應(yīng)力變化量僅占當時總應(yīng)力變化量的15.3%，與方法一對稱澆筑相比，對負彎矩區(qū)的影響較小。澆筑順序5中，2#墩頂附近的主梁應(yīng)力變化量占當時總應(yīng)力變化量的22.7%，比方法一時稍好。但在間斷澆筑順序5時，對比有限元分析的現(xiàn)澆砼板應(yīng)力，在澆筑第2個負彎矩區(qū)段時，第1個負彎矩區(qū)的現(xiàn)澆砼將增加0.02 MPa縱向拉應(yīng)力，1#墩頂附近的砼會進一步產(chǎn)生應(yīng)力，對于板內(nèi)鋼筋及剪力鍵連接效果不明顯且未達到一定設(shè)計強度的砼橋面板極為不利。而實際鋼-混組合連續(xù)梁橋現(xiàn)澆砼橋面板施工工期較短。因此，宜采用方法一這種對稱澆筑的間斷澆筑法。對于支架法現(xiàn)澆的連續(xù)組合梁橋，由于模板支架架設(shè)的限制，在采用方法二間斷澆筑時，應(yīng)充分考慮澆筑順序5對1#墩頂負彎矩區(qū)砼橋面板的作用。

5 砼容重誤差影響分析

橋梁砼澆筑時的容重常不同于設(shè)計容重，這對鋼-混組合連續(xù)梁橋澆筑砼后的受力會產(chǎn)生影響。以砼澆筑后受力較大的3#梁為例，采用單因素分析法，將現(xiàn)澆砼的容重進行增加及減少(增加、減少10%)，分析現(xiàn)澆砼橋面板澆筑后砼容重誤差對鋼-混組合連續(xù)梁橋澆筑砼后受力的影響，結(jié)果見表2。

表2 容重誤差影響下3#梁的應(yīng)力值

砼容重的變化實質(zhì)上是上部砼重力變化。由表2可知：砼澆筑時，10%的砼容重誤差對鋼-混組合連續(xù)梁橋受力的影響并不大。在砼容重誤差影響下，3#梁的上翼緣縱向正應(yīng)力最大變化幅度約為11.1%；墩頂附近下翼緣縱向正應(yīng)力變化幅度比其他位置稍大，分別約為10.2%、11.7%；其他位置鋼梁上、下翼緣縱向正應(yīng)力變化幅度都小于10%；腹板剪應(yīng)力的變化也不大，最大變化幅度約為10.3%。

6 結(jié)論

通過某三跨連續(xù)的鋼-混組合連續(xù)梁橋試驗和數(shù)值模擬，分析砼橋面板澆筑順序和砼容重誤差對橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響，得出如下結(jié)論：

(1) 采用橋面板整體澆筑時，結(jié)構(gòu)受力迅速從簡支轉(zhuǎn)為連續(xù)，砼橋面板在澆筑前后負彎矩區(qū)的應(yīng)力變化幅度較大，易產(chǎn)生早期裂縫。

(2) 文中所述兩種間斷澆筑法都可改善負彎矩區(qū)砼橋面板的受力情況，砼橋面板宜采用間斷澆筑法施工，且方法一(對稱澆筑的間斷澆筑法)優(yōu)于方法二。在采用方法二進行間斷澆筑時，應(yīng)考慮澆筑第2個負彎矩區(qū)段對于第1個負彎矩區(qū)段的影響。

(3) 現(xiàn)澆砼的容重誤差對于施工中的鋼-混組合連續(xù)梁橋受力影響較小，翼緣應(yīng)力變化幅度最大約為11.7%，腹板剪應(yīng)力變化幅度最大約為10.3%。