王馳 孫斌 孫九春 龐丹丹

（1 同濟(jì)大學(xué);2 騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司）

整體預(yù)制鋼-混組合梁是一種在工廠預(yù)制鋼梁并澆筑橋面板的組合梁，其避免了傳統(tǒng)組合梁繁瑣的現(xiàn)場(chǎng)施工工序，具有施工效率高且不影響交通的優(yōu)勢(shì)，能最大程度滿足城市高架橋與跨江跨海長(zhǎng)橋的建設(shè)要求[1]。然而，整體預(yù)制鋼-混組合連續(xù)梁橋墩頂負(fù)彎矩區(qū)域混凝土頂板不可避免地處于受拉狀態(tài)，極易引起混凝土開裂，從而影響橋梁的受力性能和使用壽命[2]。

針對(duì)組合梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板的開裂問題，專家學(xué)者開展了大量的有限元分析和模型試驗(yàn)研究。閆龍等[3]對(duì)兩跨組合連續(xù)箱梁橋的中支點(diǎn)頂升回落進(jìn)行了模擬分析，明確了支點(diǎn)頂升的合理高度。張?chǎng)蝃4]通過控制變量法對(duì)壓重法對(duì)鋼板-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板應(yīng)力水平的改善作了定量分析，結(jié)果表明對(duì)于兩跨組合連續(xù)梁橋通過壓重法改善負(fù)彎矩區(qū)混凝土拉應(yīng)力效果明顯。郭瑞[5]進(jìn)行了后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁的開裂性能試驗(yàn)，結(jié)果表明采用后結(jié)合預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板能夠大大提高組合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土的抗裂性能。邵旭東[6]提出了一種適用于先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)的新型鋼-混組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)UHPC 濕接縫方案，可充分發(fā)揮UHPC材料優(yōu)異的性能，提高負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的抗裂性能。由于墩頂負(fù)彎矩受跨徑、結(jié)構(gòu)形式、荷載等因素影響，因此應(yīng)針對(duì)具體工程進(jìn)行具體分析，研究不同措施對(duì)墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂性能的影響規(guī)律，從而確定合理的裂縫控制措施。

本文以某整體預(yù)制鋼-混疊合梁橋?yàn)楸尘?通過參數(shù)分析研究了截面設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律，同時(shí)還針對(duì)鋼-混組合連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)力改善方法進(jìn)行了分析，相關(guān)結(jié)論對(duì)今后類似工程的設(shè)計(jì)分析具有一定的指導(dǎo)意義。

1 背景工程

某連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)采用整體預(yù)制鋼-混凝土組合梁形式，鋼梁與橋面板在工廠共同預(yù)制，單片組合梁逐跨現(xiàn)場(chǎng)吊裝后現(xiàn)澆縱、橫向濕接縫形成整體。

該橋跨徑布置為35+35+30m，雙幅雙向七車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路I級(jí)。橋面全寬30m，橋面橫向布置為：0.5m（防撞欄桿）+12.25m（行車道）+0.5m（中央分隔帶）+16.25m（行車道）+0.5m（防撞欄桿），橫向共布置7 片組合箱梁，其中一片中梁的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1 所示。橋面板采用強(qiáng)度等級(jí)為C40 的混凝土，鋼梁采用Q345鋼材。

圖1 中梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

2 有限元模型

采用橋梁博士V4.4 建立整體預(yù)制鋼-混疊合梁中受力最不利中梁的有限元模型。橋面板與鋼梁均采用梁?jiǎn)卧珮蚬灿?06個(gè)單元，107個(gè)節(jié)點(diǎn)。截面服從平截面假定，忽略鋼材與混凝土界面滑移效應(yīng)。模型邊界條件采用一般節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行各方向約束。整體預(yù)制鋼-混疊合梁中梁的整體有限元計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 中梁整體有限元模型

3 截面設(shè)計(jì)參數(shù)分析

本研究選取鋼箱梁下翼緣板的最大應(yīng)力、混凝土板上緣的最大應(yīng)力以及組合梁的整體變形作為計(jì)算指標(biāo)，分析混凝土板厚度、鋼梁上下翼緣板厚度、腹板厚度以及腹板高度改變對(duì)目標(biāo)值的影響規(guī)律，以期得到合理的參數(shù)取值建議。

3.1 混凝土板厚度

參數(shù)分析中混凝土板厚度依次取200mm、210mm、220mm、230mm、240mm?；炷涟搴穸茸兓瘜?duì)各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的影響如圖3 所示，圖中縱坐標(biāo)為不同混凝土板厚度取值下計(jì)算指標(biāo)數(shù)值與混凝土板厚取220mm 時(shí)計(jì)算指標(biāo)數(shù)值的比值，各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的具體數(shù)值見表1。

表1 計(jì)算指標(biāo)數(shù)值隨混凝土板厚度的變化

圖3 混凝土板厚度對(duì)計(jì)算指標(biāo)的影響規(guī)律

由分析結(jié)果可知，混凝土板厚度增加會(huì)引起鋼箱梁最大應(yīng)力和混凝土頂板最大壓應(yīng)力的增加，但增幅很小；而混凝土頂板最大拉應(yīng)力會(huì)顯著減小，且跨中最大撓度值也略有減小。

3.2 上翼緣板厚度

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)[7]中板件最小限值規(guī)定為12mm，參數(shù)分析中上翼緣板厚度取值依次為16mm、18mm、20mm、22mm、24mm。上翼緣板厚度變化對(duì)各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的影響如圖4 所示，圖中縱坐標(biāo)為不同上翼緣板厚度取值下計(jì)算指標(biāo)數(shù)值與上翼緣板厚度取20mm 時(shí)計(jì)算指標(biāo)數(shù)值的比值，各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的具體數(shù)值見表2。

表2 計(jì)算指標(biāo)數(shù)值隨上翼緣板厚度的變化

圖4 上翼緣板厚度對(duì)計(jì)算指標(biāo)的影響規(guī)律

由圖4 可知，上翼緣板厚度增加對(duì)鋼梁最大應(yīng)力、混凝土頂板最大壓應(yīng)力及結(jié)構(gòu)整體變形的影響極小，而混凝土頂板最大拉應(yīng)力略有增加。

3.3 腹板厚度

參數(shù)分析中腹板厚度取值依次為12mm、13mm、14mm、15mm、16mm，腹板厚度變化對(duì)各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的影響如圖5 所示，圖中縱坐標(biāo)為不同腹板厚度取值下計(jì)算指標(biāo)數(shù)值與腹板厚度取14mm 時(shí)計(jì)算指標(biāo)數(shù)值的比值，各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的具體數(shù)值見表3。

表3 計(jì)算指標(biāo)數(shù)值隨腹板厚度的變化

圖5 腹板厚度對(duì)計(jì)算指標(biāo)的影響規(guī)律

由圖5 可知，腹板厚度增加會(huì)使得鋼梁最大應(yīng)力與結(jié)構(gòu)整體變形減小，混凝土頂板拉應(yīng)力增加，而上緣壓應(yīng)力的變化幾乎可以忽略不計(jì)。

3.4 腹板高度

整體預(yù)制鋼-混疊合梁原設(shè)計(jì)中腹板高度取值為1.3m，參數(shù)分析中腹板高度依次取1.2m、1.25m、1.3m、1.35m、1.4m。腹板高度變化對(duì)各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的影響如圖6 所示，圖中縱坐標(biāo)為不同腹板高度取值下計(jì)算指標(biāo)數(shù)值與腹板高度取1.3m 時(shí)計(jì)算指標(biāo)數(shù)值的比值，各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的具體數(shù)值見表4。

表4 計(jì)算指標(biāo)數(shù)值隨腹板高度的變化

圖6 腹板高度對(duì)計(jì)算指標(biāo)的影響規(guī)律

由圖6 可知，組合梁腹板高度增加會(huì)使得鋼梁最大應(yīng)力、混凝土頂板最大壓應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)整體變形減小，而上緣拉應(yīng)力的變化極小。

3.5 下翼緣板厚度

下翼緣板厚度取值依次為29mm、32mm、35mm、38mm、41mm。下翼緣板厚度變化對(duì)各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的影響如圖7 所示，圖中縱坐標(biāo)為不同下翼緣板厚度取值下計(jì)算指標(biāo)數(shù)值與下翼緣板厚度取35mm 時(shí)計(jì)算指標(biāo)數(shù)值的比值，各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的具體數(shù)值見表5。

表5 計(jì)算指標(biāo)數(shù)值隨下翼緣板厚度的變化

圖7 下翼緣板厚度對(duì)計(jì)算指標(biāo)的影響規(guī)律

由圖7 可知，下翼緣板厚度增加會(huì)引起鋼梁最大應(yīng)力和跨中最大撓度的顯著減小，同時(shí)也會(huì)引起混凝土頂板最大拉應(yīng)力的顯著增加，而其對(duì)于混凝土頂板最大壓應(yīng)力幾乎無影響。

4 負(fù)彎矩區(qū)性能改善方法研究

本研究的背景工程采用了跨中配重法以及負(fù)彎矩區(qū)混凝土滯后施工的方法來改善負(fù)彎矩區(qū)的受力性能。為探明不同的施工措施對(duì)墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂性能的影響規(guī)律，提升鋼-混組合梁的抗開裂能力，本文選取橋面板最大拉應(yīng)力及橋面板頂緣最大裂縫寬度為計(jì)算指標(biāo)，分析了跨中堆載值大小、跨中堆載范圍和墩頂負(fù)彎矩區(qū)合攏順序?qū)τ?jì)算指標(biāo)的影響規(guī)律。

4.1 跨中堆載值

本節(jié)通過控制變量的方法對(duì)跨中堆載值大小對(duì)鋼-混凝土組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板應(yīng)力水平和裂縫寬度的改善作定量分析。原整體預(yù)制鋼-混凝土組合梁設(shè)計(jì)中每片梁的跨中堆載值為50kN/m，本次參數(shù)分析中跨中堆載值分別取10kN/m、30kN/m、50kN/m、70kN/m、90kN/m。跨中堆載值變化對(duì)負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板最大拉應(yīng)力及橋面板頂緣最大裂縫寬度的影響趨勢(shì)如圖8 所示，圖中縱坐標(biāo)為不同跨中堆載值下計(jì)算指標(biāo)數(shù)值與跨中堆載值取50kN/m 時(shí)計(jì)算指標(biāo)數(shù)值的比值，各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的具體數(shù)值見表6。

表6 計(jì)算指標(biāo)數(shù)值隨跨中堆載值的變化

圖8 跨中堆載值對(duì)計(jì)算指標(biāo)的影響規(guī)律

從分析結(jié)果可以看出，當(dāng)跨中預(yù)壓荷載值從10kN/m增加到90kN/m，支座處混凝土板上緣最大拉應(yīng)力值減小了81.52%（1.756MPa），橋面板頂緣最大裂縫寬度減小了31.4%（0.065mm）?？梢?，跨中預(yù)壓荷載值的增加對(duì)于負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板上緣最大拉應(yīng)力與最大裂縫寬度的減小影響顯著。

4.2 跨中堆載范圍

原整體預(yù)制鋼-混組合梁設(shè)計(jì)中每片梁的跨中堆載范圍為跨中15m，參數(shù)分析中跨中堆載范圍分別取跨中5m、10m、15m、20m、25m?？缰卸演d值變化對(duì)負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板最大拉應(yīng)力及橋面板頂緣最大裂縫寬度的影響趨勢(shì)如圖9所示，各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的具體數(shù)值見表7。

表7 計(jì)算指標(biāo)數(shù)值隨跨中堆載范圍的變化

圖9 跨中堆載范圍對(duì)計(jì)算指標(biāo)的影響規(guī)律

從分析結(jié)果可知，當(dāng)跨中預(yù)壓荷載范圍從5m 增加到25m，支座處混凝土板上緣最大拉應(yīng)力值減小了15.52%（0.228MPa），橋面板頂緣最大裂縫寬度減小了5.65%（0.01mm）?？梢?，跨中預(yù)壓荷載范圍的增加會(huì)引起負(fù)彎矩區(qū)混凝土板上緣最大拉應(yīng)力與最大裂縫寬度的減小。

4.3 墩頂負(fù)彎矩區(qū)合攏順序

原整體預(yù)制鋼-混組合梁墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土板澆筑順序?yàn)樽笥叶枕斕幫瑫r(shí)澆筑，由于左右邊跨跨徑非對(duì)稱，故考慮分析兩墩頂負(fù)彎矩區(qū)的先后合攏順序?qū)︿?混凝土組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板拉應(yīng)力水平及最大裂縫寬度的影響規(guī)律。分析設(shè)先合攏左邊跨與中跨再合攏右邊跨、先合攏右邊跨與中跨再合攏左邊跨與三跨同時(shí)合攏三種工況，三種工況下整體預(yù)制鋼-混組合梁橋各個(gè)計(jì)算指標(biāo)的變化規(guī)律如圖10 所示，具體數(shù)值見表8。

表8 計(jì)算指標(biāo)數(shù)值隨合攏順序的變化

圖10 合攏順序?qū)τ?jì)算指標(biāo)的影響規(guī)律

從分析結(jié)果可以看出，先合攏左邊跨與中跨再合攏右邊跨的方案與同時(shí)合攏方案的組合梁負(fù)彎矩橋面板最大拉應(yīng)力基本一致，先合攏右邊跨與中跨再合攏左邊跨的方案下組合梁負(fù)彎矩橋面板最大拉應(yīng)力較同時(shí)合攏工況下的拉應(yīng)力小5.99%（0.08MPa），而三種工況下橋面板頂緣最大裂縫寬度變化極小。可見，墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面板合攏順序?qū)τ诮M合梁負(fù)彎矩區(qū)受力性能的影響較小。

5 結(jié)語

本文針對(duì)整體預(yù)制鋼-混疊合梁的截面尺寸優(yōu)化及負(fù)彎矩區(qū)受力性能改善措施問題進(jìn)行了參數(shù)分析研究，得出以下結(jié)論：

⑴混凝土板厚度、腹板高度及下翼緣板厚度的變化對(duì)整體預(yù)制鋼-混疊合梁橋的受力影響較為明顯，腹板厚度對(duì)組合梁受力影響較小，上翼緣板厚度對(duì)組合梁的受力性能幾乎無影響。

⑵在結(jié)構(gòu)安全的前提下，可通過減小上翼緣板、腹板與下翼緣板厚度來降低負(fù)彎矩區(qū)混凝土頂板拉應(yīng)力，同時(shí)可以提高組合梁的經(jīng)濟(jì)性。

⑶增加跨中預(yù)壓載可以顯著減小墩頂負(fù)彎矩區(qū)混凝土頂板的拉應(yīng)力，提高組合梁的抗裂性能；增大跨中預(yù)壓載的布載范圍也可以改善組合梁的負(fù)彎矩區(qū)受力，但效果不太顯著；墩頂負(fù)彎矩的合攏順序?qū)M合梁的抗裂性能影響很小。