許延祺

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

引言

在市政立交匝道橋設(shè)計(jì)中，當(dāng)遇到小半徑大跨徑橋梁時(shí)，為了提高其跨越能力，減少施工對(duì)交通及環(huán)境的影響，減低施工難度及成本，首選結(jié)構(gòu)形式為鋼-混組合梁［1］。其由鋼箱梁通過(guò)剪力鍵與混凝土板組合而成，充分發(fā)揮鋼材抗拉性能好、混凝土抗壓性能好的特點(diǎn)［2，3］，此種結(jié)構(gòu)剛度大、自重小，與鋼梁相比，在用鋼量相同的條件下，梁撓度可減少1/3～1/2；對(duì)于相同剛度要求的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，組合梁可比鋼梁減少截面高度的25%～30%［4］。本文以北京市延崇高速公路京新高速及110組合立交P1匝道橋一聯(lián)橋?yàn)楣こ虨楸尘?，探討其適合的施工方法，并研究受力特點(diǎn)。

1 工程概況

本工程為京新高速及110組合立交P1匝道橋P1-4～P1-7一聯(lián)橋梁，曲線半徑R=100m，上跨既有道路京新高速，京新高速為雙向四車道，中間為2m隔離帶，施工時(shí)要求京新高速不得斷路，故結(jié)構(gòu)形式采用鋼-混組合梁，跨徑52m+66m+52m，寬度12.25m，橫向兩片鋼梁，每片鋼梁寬度3m，結(jié)構(gòu)高度2.7m（鋼箱梁2.25m+混凝土板0.45m）。邊墩采用盆式單向活動(dòng)支座，中墩采用盆式固定支座。橋梁平面及斷面如圖1、圖2所示。

圖2 橋梁斷面（單位：mm）Fig.2 Section of bridge（unit：m）

2 施工方案確定

常見(jiàn)的鋼-混組合梁施工方法主要有整體預(yù)制吊裝法、臨時(shí)支架法、頂推法以及懸臂拼裝法。

2.1 鋼-混組合梁施工方法簡(jiǎn)述

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究可知，整體預(yù)制吊裝法一般只適用于簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)［5］，臨時(shí)支架法一般適用于兩連接段處橋下無(wú)被交道路通行的情況［2］，頂推法一般適用于等高結(jié)構(gòu)、直線橋［6］；而對(duì)于小半徑彎梁橋、且連接段處橋下存在被交道路通行的情況下，懸臂拼裝法較為適合，即拼接處兩側(cè)均為懸臂鋼梁，然后將懸臂鋼梁進(jìn)行拼接。此種方法在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意嚴(yán)格控制懸臂梁豎向位移［7，8］。

2.2 橋梁施工方案確定

結(jié)合結(jié)構(gòu)受力情況及被交道路與橋梁的位置關(guān)系，全橋共分為8個(gè)制作段。曲線內(nèi)側(cè)梁（1#梁）制作段劃分為20m（制作段A）+22m（制作段B）+20m（制作段C）+28m（制作段D）+23m（制作段E）+17m（制作段F）+20m（制作段G）+20m（制作段H）；曲線外側(cè)梁（2#梁）制作段劃分為20m（制作段A）+22m（制作段B）+27m（制作段C）+28m（制作段D）+16m（制作段E）+17m（制作段F）+20m（制作段G）+20m（制作段H）。

結(jié)合本橋的受力特點(diǎn)，與常規(guī)鋼-混組合梁施工方案相比，有如下兩處不同：

（1）制作段E與制作段F拼接處位于京新高速左輔車行道內(nèi)，無(wú)法搭設(shè)臨時(shí)支架，故需采用無(wú)支架施工。所謂無(wú)支架施工，是在栓接口處無(wú)需設(shè)置臨時(shí)支架，而將鋼梁制作段連接成整體的施工技術(shù)。

從工程可實(shí)施性的角度來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)無(wú)支架施工有兩種方法：

1）牛腿搭接法：制作段F懸臂端做牛腿，制作段E直接搭接在牛腿上，然后栓接成為一個(gè)整體。

2）工字鋼搭接法：制作段F鋼梁上搭接出臨時(shí)工字鋼，通過(guò)錨栓與制作段E的鋼梁連接，然后栓接成一個(gè)整體，最后拆除工字梁，錨栓孔塞焊剪力釘，如圖3所示。

圖3 工字梁搭接法示意（單位：mm）Fig.3 Schematic diagram of I-beam lapping method（unit：mm）

若采用牛腿搭接法，制作段在牛腿處需要特殊處理，且牛腿處需設(shè)計(jì)連接螺栓連接兩制作段，螺栓受力復(fù)雜，需要專門進(jìn)行分析，一般不采用。本橋梁采用工字梁搭接法，此種方法構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工完畢后結(jié)構(gòu)整體性好［9，10］。

（2）鋼-混組合梁常規(guī)的施工順序?yàn)橄确侄渭茉O(shè)鋼梁，高強(qiáng)螺栓栓接成整體，然后澆筑混凝土橋面板，張拉橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束及體外束，最后拆除臨時(shí)支承。但由于本橋跨徑較大，采用常規(guī)施工順序會(huì)造成墩頂混凝土板拉應(yīng)力大于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）限值。故本橋在不增加鋼束、不加大截面的前提下，在澆筑墩頂區(qū)域混凝土之前拆除臨時(shí)支承，合理地優(yōu)化墩頂混凝土受力階段，有效改善其受力狀態(tài)。

3 結(jié)構(gòu)有限元模型建立

采用Midas Civil 2019建立空間梁格法模型，橫向分為兩片梁，結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 52m+66m+52m鋼-混組合梁模型Fig.4 Model of 52m+66m+52m steel concrete composite beam

在建立模型時(shí)，主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）定義施工階段時(shí)首先激活鋼梁截面，然后混凝土板以濕重的方式按照均布荷載效應(yīng)施加在鋼梁上，最后激活混凝土板的剛度，從而精確模擬出鋼梁與混凝土板的施工順序。

（2）鋼梁間橫向聯(lián)系單元根據(jù)其實(shí)際位置和截面定義，同時(shí)每隔1m～1.5m設(shè)置一道橋面板虛擬橫向聯(lián)系（只考慮橫向聯(lián)系的剛度，不考慮其重量）。

（3）由于本橋?yàn)樾“霃綇潣?，永久支座及臨時(shí)支架的水平和豎向剛度對(duì)結(jié)果影響較大，應(yīng)做到盡可能與實(shí)際一致。故支座剛度按照盆式支座實(shí)際剛度模擬，在設(shè)有臨時(shí)支架的位置，臨時(shí)支架的支承剛度=支架基礎(chǔ)面積×地基比例系數(shù)m，根據(jù)地基實(shí)際情況，剛度取為100000kN/m。

（4）無(wú)支架施工階段采用釋放梁段約束模擬，釋放E制作段與F制作段連接處的y向轉(zhuǎn)角約束，待兩制作段栓接成為一個(gè)整體后恢復(fù)其約束［11］。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 栓接處變形分析

采用無(wú)支架施工，首先需關(guān)注E制作段與F制作段連接前、通過(guò)工字梁連接后以及兩制作段栓接后三個(gè)階段下栓接處變形情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩制作段栓接處位移（單位：mm）Tab.1 Displacement of bolt joint of two manufacturing sections（unit：mm）

從表1中可以看出，在無(wú)支架施工前，F(xiàn)制作段為懸臂狀態(tài)，懸臂長(zhǎng)度5m，曲線內(nèi)側(cè)梁（1#梁）和曲線外側(cè)梁（2#梁）水平位移和豎向位移相似，豎向位移為0.38mm和0.41mm，遠(yuǎn)小于梁豎向允許位移（L/300）。

無(wú)支架連接階段及栓接后階段結(jié)構(gòu)位移相近，因?yàn)閮蓚€(gè)階段區(qū)別是栓接前兩制作段只傳遞力而不傳遞彎矩，栓接后既傳遞力也傳遞彎矩，故對(duì)于位移值，兩個(gè)階段變化不大。當(dāng)無(wú)支架連接后，結(jié)構(gòu)體系由懸臂結(jié)構(gòu)變?yōu)檫B續(xù)結(jié)構(gòu)，連續(xù)結(jié)構(gòu)跨徑為28m（21m）+12m，28m（21m）跨跨中位移分別為2.28mm及1.81mm，小于梁允許豎向位移。

由于鋼梁為開(kāi)口截面，開(kāi)口截面抗扭剛度、抗彎剛度小，故當(dāng)鋼梁在吊裝搭接時(shí)，造成連接處各方向水平位移較大，遠(yuǎn)大于連接前的水平位移。

4.2 施工階段內(nèi)力分析

E制作段與F制作段連接前、通過(guò)工字梁連接后以及兩制作段栓接后三個(gè)階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力見(jiàn)表2。

從表2中可以看出，無(wú)支架施工前，F(xiàn)制作段為單側(cè)伸臂梁，P1-6中支點(diǎn)為負(fù)彎矩，F(xiàn)制作段跨中為正彎矩。無(wú)支架施工階段結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化，變?yōu)閮煽邕B續(xù)梁，且兩跨跨徑相差較大，E制作段跨徑分別為F制作段跨徑的2.3倍和1.8倍，故E制作段跨中正彎矩較大，F(xiàn)制作段跨中為負(fù)彎矩，需注意施工期間體系轉(zhuǎn)變對(duì)F制作段彎矩方向變化的影響。

表2 兩制作段結(jié)構(gòu)內(nèi)力（單位：kN·m）Tab.2 Internal force value of two fabrication sections（unit：kN·m）

4.3 墩頂混凝土板受力分析

鋼-混組合梁的兩個(gè)施工階段（墩頂混凝土澆筑以及拆除臨時(shí)支承）的先后順序?qū)τ诙枕敾炷潦芰顟B(tài)影響很大。表3為先拆除臨時(shí)支承及后拆除臨時(shí)支承的情況下中支點(diǎn)鋼箱梁和混凝土板的應(yīng)力對(duì)比情況（正值為拉，負(fù)值為壓）。

表3 鋼箱梁及混凝土板應(yīng)力對(duì)比（單位：MPa）Tab.3 Stress comparison of steel box girder and concrete slab（unit：MPa）

從表3中可以看出，如果最后拆除臨時(shí)支承，則支點(diǎn)處混凝土板頻遇組合作用下上緣最大拉應(yīng)力為3.6MPa，遠(yuǎn)超過(guò)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）要求限值；而如果先拆除臨時(shí)支承，再澆筑支點(diǎn)處混凝土，則頻遇組合作用下支點(diǎn)混凝土板上緣壓應(yīng)力儲(chǔ)備為1.3MPa，而對(duì)于支點(diǎn)處鋼箱梁下緣受力，拆除臨時(shí)支承的時(shí)間影響不大，且都滿足規(guī)范要求［9］。

兩種施工方法雖然墩頂混凝土澆筑以及拆除臨時(shí)支承先后順序不同，但是結(jié)構(gòu)所承受的外力是相同的，所以對(duì)于結(jié)構(gòu)本身所承擔(dān)的總內(nèi)力也是相同的，結(jié)構(gòu)受力差異主要是墩頂鋼箱梁和混凝土板開(kāi)始受力的階段不同。如果最后拆除臨時(shí)支承，則支點(diǎn)處混凝土板與鋼箱梁共同承擔(dān)施工階段恒荷載，造成成橋階段混凝土板壓應(yīng)力儲(chǔ)備只有3.2MPa；如果先拆除臨時(shí)支承再澆筑支點(diǎn)處混凝土橋面板，則支點(diǎn)處鋼箱梁上翼板承擔(dān)施工階段恒荷載，鋼箱梁上翼板在拆除臨時(shí)支承階段最大拉應(yīng)力為212MPa，小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的80%，而支點(diǎn)處混凝土板僅僅承擔(dān)使用階段荷載，成橋階段其壓應(yīng)力儲(chǔ)備為7.2MPa，可以大幅改善其受力性能。此種施工方法在不增加梁高、不加大預(yù)應(yīng)力鋼束的情況下，充分發(fā)揮鋼箱梁上翼板的材料性能，從而降低混凝土板的受力。

5 結(jié)論

1.采用工字鋼搭接法實(shí)現(xiàn)無(wú)支架施工，可以很好地滿足施工期間橋下保通的需求，應(yīng)在今后的工程中得到廣泛應(yīng)用。

2.采用工字鋼搭接法，應(yīng)注意兩制作段搭接前與搭接后結(jié)構(gòu)體系會(huì)發(fā)生變化，應(yīng)注意不同結(jié)構(gòu)體系搭接處鋼箱梁位移及上下翼緣板的受力差異。

3.當(dāng)中支點(diǎn)處混凝土板拉應(yīng)力過(guò)大而控制設(shè)計(jì)時(shí)，可先拆除臨時(shí)支架，然后再澆筑支點(diǎn)附近的混凝土板，此種施工方法充分發(fā)揮鋼箱梁上翼緣板的材料性能，在保證結(jié)構(gòu)跨中受力情況不變的前提下，有效改善中支點(diǎn)處混凝土板的受力。

4.工字鋼搭接法需嚴(yán)格控制搭接處懸臂豎向位移，當(dāng)懸臂過(guò)大時(shí)，需細(xì)致分析搭接前后位移值，若位移值超過(guò)懸臂梁允許位移值時(shí)，需更換施工方法。