部分叠合梁桥施工过程及成桥力学性能分析

2021-11-23 03:25蒙立和杨创捷谢肖礼

中外公路 2021年5期

蒙立和, 杨创捷, 谢肖礼*

(1.广西路桥工程集团有限公司, 广西南宁 530011；2.广西大学土木建筑工程学院)

1 前言

梁桥体系是所有桥梁结构中最简单，但同时也是工程使用最多的体系。梁桥按材料分类可以分为预应力混凝土梁桥、钢箱/钢桁梁桥和组合梁桥。预应力混凝土箱形梁桥由于具有优良的抗弯、抗扭性能和施工方便等优点，得到了广泛的应用。但是，由已建成的工程实例可知，预应力混凝土梁桥也存在一些问题，如因预应力筋松弛引起的预应力损失、梁体开裂和跨中下挠等。钢桁梁桥用桁架代替箱形或实腹截面，具有结构自重轻、易做高梁高等优点，因此具有较大的跨越能力，但用钢量较大。钢-混凝土/预应力混凝土组合结构梁桥因为充分发挥了不同材料各自的优势，具有自重轻、施工便利、经济性好等优点，故在当前的桥梁建设中被广泛应用。其主要分为5种形式：组合钢板梁桥、组合钢箱梁桥、组合钢桁梁桥、波折腹板组合梁桥及桁式腹杆组合梁桥。

传统梁桥主要有以上几种类型，根据其各自特点，采用不同的施工方法，包括悬臂、现浇、顶推等施工方法。悬臂施工法是以桥墩为中心向两岸对称地、逐段悬臂接长的施工方法，可分为悬臂拼装和悬臂现浇。该方法可不用或少用支架，施工不影响通航或桥下交通。支架现浇法是在桥位处搭设支架，在支架上浇筑桥体混凝土，达到强度后拆除模板、支架。该方法无需预制场地，不需要大型起吊、运输设备。顶推施工法是将预制好的梁体，使用顶推装置纵向顶推就位的施工方法。顶推施工时不影响桥下交通，也没有高空作业；预制梁体的施工质量和施工进度容易得到保证。

为解决以上预应力混凝土梁桥及钢箱/钢桁梁桥所存在的问题，并将两者的优点进行结合，该文提出一种新型的预应力混凝土与钢桁组合连续梁桥，简称部分叠合梁桥(图1)。部分叠合梁桥的结构布置及受力性能较传统梁桥有较大的区别，部分叠合梁桥充分利用了预应力混凝土刚度大以及钢桁自重轻的优点，将两者进行科学合理的结构布置。具体做法是：依据连续梁的弯矩分布规律，在正弯区及正负弯矩交替区均设置钢桁，而在负弯区设置以上弦杆为钢、下弦杆为预应力箱形混凝土、腹杆全钢的变高钢-混凝土叠合的桁式结构，以使梁高最大化。

图1 部分叠合梁桥

该文所提出的部分叠合梁桥是一种新结构，根据其自身特点，整体可采用悬臂拼装的施工方法。但是，部分叠合梁与预应力混凝土梁及全钢桁梁在结构形式上有很大的区别，即负弯区为钢-预应力混凝土叠合结构，钢结构和混凝土的施工顺序不同对成桥应力有影响，因此该文以160 m跨径部分叠合梁为例，采用悬臂拼装的施工方法，并采用两种不同施工顺序的施工方案，对其进行施工过程及成桥力学性能分析。

2 力学原理及结构形式

部分叠合梁桥的结构形式简单，但其力学理念与现有预应力混凝土梁桥或组合梁桥均有许多差异，现对其力学原理进行阐述。

2.1 部分叠合梁桥力学原理

2.1.1 采用胡克定律减少正弯矩峰值

主要通过增加负弯矩区下弦杆混凝土用量并通过变高来增加负弯区截面抗弯刚度，依据胡克定律(力与刚度成正比原理)，负弯矩峰值会增加，而正弯矩峰值则减小；另外，因所增加的混凝土弯矩效应小(离支座近)，而截面惯性矩也在增加，故负弯区域上弦杆正应力峰值变化不大，然而，正弯矩区域占了绝大部分，从而可以达到减少用钢量的目的。以下通过示例作进一步说明。

为便于理解，以下算例将负弯区进行等高简化(图2)，设恒载集度为q1，钢结构部分抗弯刚度为E1I1，钢-混凝土组合部分抗弯刚度为E2I2。当E2I2/(E1I1)分别取值1、2、4、8时，即钢-混凝土组合部分刚度增加时，负弯矩峰值增加，而正弯矩峰值减小。

2.1.2 预应力混凝土与受压区混凝土形成抵抗弯矩

中性轴下移至混凝土内，使其上部出现受拉区域，通过对该区施加预应力与受压区混凝土形成附加抵抗弯矩。下文分析增加混凝土对中性轴下移的影响。

(1)中性轴下移分析

图3(a)为桁架截面简化模型，下弦混凝土高度为2h，弹性模量为Ec，上弦钢结构高度为h，弹性模量为Es。如图3(b)所示，将混凝土截面等效变换为钢材截面，变换后的宽度b1为：

图3 中性轴下移分析图

(1)

根据同一材料的中性轴计算公式，可知钢-混凝土组合截面的中性轴为：

(2)

(2)下弦杆静力等效分析

图4 下弦杆静力等效示意图

2.1.3 依据杠杆原理，增大力偶间的距离以减少用钢量

通常情况下，对钢结构而言，桁式结构更容易获得较长的梁高；对混凝土结构而言，箱形结构更容易获得较长的梁高。因此为获得更长的抵抗力偶矩，将两种结构进行有机结合，从而使力臂最大化，因此负弯区设计成钢-混凝土叠合的桁式结构。

如图5所示，对桁架截面进行静力等效，可分别求出主矢、主矩表达式为：

图5 桁架截面静力等效示意图

N=Ns-Nc=0

(3)

(4)

且有，

y1+y2=H

(5)

将式(5)、(3)代入式(4)可得：

(6)

2.2 部分叠合梁桥结构布置

根据上述部分叠合梁桥力学原理，对部分叠合梁桥结构进行如下布置：在负弯区，下弦杆用混凝土箱形结构(对结构的荷载效应小)，上弦杆用钢结构，腹杆为全钢的变高桁架结构；在正负弯矩交替出现区，因梁段截面上部及下部均可能出现拉应力，故采用钢结构；在正弯区，采用钢结构以减小荷载效应。

3 施工方案

以主跨径160 m的部分叠合梁桥为例，采用悬臂拼装的施工方法，根据叠合段中钢、预应力混凝土不同的施工顺序，具体分成两种施工方案。

3.1 施工方案1

该方案在叠合段施工时，预应力混凝土、钢交替逐节拼装，如此反复直至叠合段施工完成，之后进行叠合段两端全钢桁架悬臂拼装，施工阶段描述如下(图6)：

图6 施工方案1图集(单位：m)

阶段1：墩顶设置临时固结装置，以桥墩为中心，向两边悬臂拼装混凝土段1，最后张拉预应力束。

阶段2：吊装叠合段钢桁段1与混凝土段1预留孔洞连接。

阶段3：以预应力混凝土段1为中心，向两边悬臂对称拼装混凝土段2，采用环氧树脂胶连接，最后张拉预应力束。

阶段4：以叠合段钢桁段1为中心向两边吊装叠合段钢桁段2与混凝土段2预留孔洞连接。

阶段5：以叠合段为中心，向两边悬臂对称拼装全钢钢桁段1。

阶段6：进行边跨合龙，设置边跨永久支座。

阶段7：进行中跨合龙，设置墩顶永久支座，拆除墩顶临时支座。

阶段8：进行桥面铺装，即上二期恒载。

3.2 施工方案2

该方案在叠合段施工时，待预应力混凝土全部施工完成后，再分段架设叠合段钢桁架，之后进行叠合段两端全钢桁架悬臂拼装，施工阶段描述如下(图7)：

图7 施工方案2图集(单位：m)

阶段1：墩顶设置临时固结装置，以桥墩为中心，向两边悬臂拼装预应力混凝土段1，最后张拉预应力束。

阶段2：以预应力混凝土段1为中心，向两边悬臂对称拼装混凝土段2，采用环氧树脂胶连接，最后张拉预应力束。

阶段3：吊装叠合段钢桁段1与混凝土段1预留孔洞连接。

阶段4：以叠合段钢桁段1为中心向两边吊装叠合段钢桁段2与混凝土段2预留孔洞连接。

阶段5：以叠合段为中心，向两边悬臂对称拼装全钢钢桁段1。

阶段6：进行边跨合龙，设置边跨永久支座。

阶段7：(成桥)进行中跨合龙，设置墩顶永久支座，拆除墩顶临时支座。

阶段8：进行桥面铺装，即上二期恒载。

方案1与方案2的区别在于叠合段的施工顺序不同：方案1的叠合段施工时，钢桁架在预应力混凝土施工达到一定长度后就开始架设，使得该部分钢桁架提前参与受力，可在叠合段施工时为预应力混凝土分担恒载，一定程度上降低叠合段施工时预应力混凝土的应力；方案2叠合段施工时，待预应力混凝土部分全部施工完成后再架设钢桁，此时钢桁架设完成与混凝土形成结构后才参与受力。

可见，两种施工方案的施工阶段应力和成桥力学性能会有所不同，因此该文以160 m跨径部分叠合梁为例，对两种方案分别进行施工过程及成桥力学性能分析。

4 有限元施工过程及成桥分析

采用有限元软件Midas/Civil进行两种不同施工顺序的施工阶段模拟，并分别进行各施工阶段应力分析及成桥应力分析。

4.1 结构布置

梁桥全长340 m，桥跨布置为(90+160+90)m，如图8所示。为使预应力混凝土全部布置于负弯矩区段，通过合理设计、反复试算，计算得预应力混凝土段布置长度为100 m。算例中的桥面板及桥面铺装总厚度为200 mm，仅作为恒载，不参与结构受力，在有限元模型分析计算中以单元荷载模拟。

图8 部分叠合梁桥结构布置图(单位：m)

采用有限元软件Midas Civil 建模，全桥节点197个，单元449个，如图9所示。主梁横断面为上宽下窄的变高梯形形式，上缘宽16 m，下缘宽8 m，高度为10～17 m。主梁横断面有两种形式，在负弯区为钢-混凝土叠合断面，其他区域为全钢横断面，其中钢采用Q345钢材，混凝土采用C60混凝土。部分叠合梁桥钢材用量为1 485 t(0.27 t/m2)，混凝土用量为5 480 t(0.41 m3/m2)，预应力筋用量为99.96 t(18.38 kg/m2)。