金宇豪 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）

20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，組合結(jié)構(gòu)以其整體受力的經(jīng)濟(jì)性、發(fā)揮兩種材料優(yōu)勢(shì)的合理性以及便于施工的突出優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1-2]。目前我國(guó)的組合結(jié)構(gòu)橋梁建造的基本方法是：首先在工廠進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的制造，運(yùn)輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場(chǎng)后安裝到橋梁設(shè)計(jì)位置，然后進(jìn)行混凝土橋面板的施工。傳統(tǒng)施工方法由于受到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，構(gòu)件的數(shù)量多、現(xiàn)場(chǎng)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(shè)需要[3]。

整體預(yù)制組合梁橋可以顯著降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量，加快施工速度，彌補(bǔ)傳統(tǒng)組合梁橋施工方法的缺陷。近年來(lái)，有眾多學(xué)者對(duì)整體預(yù)制組合梁橋的設(shè)計(jì)、施工方法進(jìn)行探討。宋勇強(qiáng)[4]等在總結(jié)裝配式組合梁分類、發(fā)展歷程和安裝工藝的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了裝配式組合梁連接構(gòu)造和整體受力性能研究。魏一絎[5]等對(duì)35m標(biāo)準(zhǔn)跨徑的整體預(yù)制鋼混組合梁進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用Midas Civil 建立桿系有限元模型，進(jìn)行負(fù)彎矩區(qū)受力性能改善方法比選。羅攀[6]對(duì)50m 跨徑工字組合梁橋設(shè)計(jì)、施工進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)比分析了整體預(yù)制梁的應(yīng)力和經(jīng)濟(jì)性差異，探討了混凝土板收縮徐變影響、裂縫控制等設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前研究往往基于桿系有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析和驗(yàn)算，忽略鋼混交界面的滑移，從而給結(jié)論帶來(lái)了不可靠因素。

本研究依托某整體預(yù)制組合箱梁橋，建立板殼-實(shí)體精細(xì)化有限元模型，在考慮施工過(guò)程的同時(shí)，兼顧鋼板、剪力釘和混凝土的之間的復(fù)雜相互作用。通過(guò)對(duì)鋼底板厚度、鋼腹板厚度和跨中壓重大小開(kāi)展參數(shù)分析，得到結(jié)構(gòu)受力性能隨各參數(shù)的變化規(guī)律，以期對(duì)后續(xù)類似工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

某整幅式連續(xù)梁橋跨徑布置為35m+35m+30m，橋梁?jiǎn)畏鶎挾?0m，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路I級(jí)，車道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向七車道。連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼-混凝土板組合箱梁，橋面板采用強(qiáng)度等級(jí)為C40 的混凝土，鋼構(gòu)件均采用Q345鋼材。主梁橫向由7片組合箱梁構(gòu)成，其中一片中梁的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

圖1 中梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

本橋采用整體預(yù)制法施工，具體流程如下：

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

⑵分跨架設(shè)組合梁，置于墩頂臨時(shí)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(hù)完成后，對(duì)每片梁跨中部分堆載預(yù)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(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，安裝中墩永久支座，拆除臨時(shí)支座，完成簡(jiǎn)支變連續(xù)體系轉(zhuǎn)換；

⑺卸去跨中預(yù)壓堆載；

⑻附屬設(shè)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(shí)體有限元模型，開(kāi)展局部受力分析。為減小計(jì)算規(guī)模，僅選取縱向半跨、橫向3 片進(jìn)行建模加載（如圖2 所示），并取中間一片梁的結(jié)果作為計(jì)算結(jié)果。

圖2 局部模型示意圖

計(jì)算時(shí)考慮結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(diǎn)的方式耦合位移。單元最大尺寸為0.2m，模型共由27182 個(gè)Shell63 單元、15300個(gè)Beam189單元和837499個(gè)Solid95單元構(gòu)成。

2.2 施工步驟

采用ANSYS 的生死單元考慮施工過(guò)程。根據(jù)本橋設(shè)計(jì)，擬定以下荷載步：

步驟1：架設(shè)鋼梁和混凝土預(yù)制段，直接激活對(duì)應(yīng)單元。支座處節(jié)點(diǎn)約束豎向位移，跨中處節(jié)點(diǎn)約束縱橋向位移。

步驟2：澆筑縱向濕接縫。本過(guò)程濕接縫混凝土僅計(jì)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(jié)構(gòu)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(yù)壓堆載。按照設(shè)計(jì)，每片梁預(yù)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(shè)鋼頂板后拼段，澆筑支座處混凝土。與縱向濕接縫類似，本過(guò)程支座處混凝土僅計(jì)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(jiǎn)支變連續(xù)，卸去跨中堆載。支座處節(jié)點(diǎn)約束全部自由度，跨中節(jié)點(diǎn)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(duì)運(yùn)營(yíng)階段（也即步驟9）混凝土頂板中支點(diǎn)處最大縱向拉應(yīng)力和跨中最大縱向壓應(yīng)力、鋼腹板最大Mises 應(yīng)力、跨中最大豎向位移的影響，通過(guò)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(duì)各個(gè)關(guān)心參數(shù)的影響，如圖3 所示。圖中縱坐標(biāo)為各個(gè)關(guān)心參數(shù)與底板厚35mm的比值，具體數(shù)值見(jiàn)表1。表中tb為鋼底板厚度，σt為混凝土頂板中支點(diǎn)處最大拉應(yīng)力，σc為混凝土頂板跨中最大壓應(yīng)力，σM為鋼腹板最大Mises應(yīng)力，δ為跨中最大豎向位移。

表1 關(guān)心參數(shù)隨鋼底板厚度變化

圖3 關(guān)心參數(shù)相對(duì)值隨鋼底板厚度變化

由分析結(jié)果可知，在鋼底板厚度由30mm增大至40mm的過(guò)程中，混凝土頂板中支點(diǎn)處最大拉應(yīng)力、鋼腹板最大Mises 應(yīng)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(yīng)力幾乎不變。

需要指出的是，根據(jù)應(yīng)力云圖結(jié)果，本研究中的鋼腹板最大Mises 應(yīng)力均出現(xiàn)在支點(diǎn)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(yīng)力作為關(guān)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?yàn)榈装鍛?yīng)力集中對(duì)應(yīng)力最值造成的干擾。因此，鋼底板厚度由30mm增大至40mm時(shí)，鋼腹板最大Mises 應(yīng)力由120.2MPa 減小至105.0MPa，實(shí)質(zhì)上反映的是鋼底板厚度增大對(duì)其底板自身應(yīng)力降低的有利影響。

圖4 鋼箱局部應(yīng)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(duì)各個(gè)關(guān)心參數(shù)的影響，如圖5 所示。圖中縱坐標(biāo)為各個(gè)關(guān)心參數(shù)與腹板厚14mm的比值，具體數(shù)值見(jiàn)表2。表中tw為鋼腹板厚度，其余與上文一致。

表2 關(guān)心參數(shù)隨鋼腹板厚度變化

圖5 關(guān)心參數(shù)相對(duì)值隨鋼腹板厚度變化

根據(jù)參數(shù)分析結(jié)果，當(dāng)鋼腹板厚度由10mm增大至18mm時(shí)，鋼腹板自身的最大Mises 應(yīng)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(yīng)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(yīng)用于組合梁橋施工中，用以改善負(fù)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(duì)各個(gè)關(guān)心參數(shù)的影響，如圖6 所示。圖中縱坐標(biāo)為各個(gè)關(guān)心參數(shù)與跨中壓重取60kN/m的比值，具體數(shù)值見(jiàn)表3。表中p為跨中壓重大小，其余與上文一致。

表3 關(guān)心參數(shù)隨跨中壓重變化

圖6 關(guān)心參數(shù)相對(duì)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(yīng)力、鋼腹板最大Mises 應(yīng)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(yīng)力則顯著減小，由2.41MPa降低至1.10MPa，降幅54.4%。

因此，在施工過(guò)程中增大壓重，是抑制成橋后墩頂負(fù)彎矩區(qū)開(kāi)裂的一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)而有效的措施。同時(shí)需要注意的是，增大跨中壓重會(huì)帶來(lái)成橋后主梁豎向位移的增大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮主梁預(yù)拱度的設(shè)置。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)整體預(yù)制組合箱梁結(jié)構(gòu)尺寸及施工工藝優(yōu)化問(wèn)題，基于背景工程，建立精細(xì)化板殼-有限元模型，開(kāi)展參數(shù)分析，得到鋼底板厚度、鋼腹板厚度和跨中壓重對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響規(guī)律，結(jié)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(duì)混凝土頂板應(yīng)力和結(jié)構(gòu)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(yīng)力，但對(duì)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(fù)彎矩區(qū)混凝土頂板受力性能的一項(xiàng)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(yīng)力，但同時(shí)也會(huì)提高恒載作用下主梁的豎向變形，后者可以通過(guò)在設(shè)計(jì)時(shí)增大預(yù)拱度來(lái)彌補(bǔ)。