小半径钢-混组合梁施工方法及顺序比选研究

许延祺

北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

引言

在市政立交匝道桥设计中，当遇到小半径大跨径桥梁时，为了提高其跨越能力，减少施工对交通及环境的影响，减低施工难度及成本，首选结构形式为钢-混组合梁［1］。其由钢箱梁通过剪力键与混凝土板组合而成，充分发挥钢材抗拉性能好、混凝土抗压性能好的特点［2，3］，此种结构刚度大、自重小，与钢梁相比，在用钢量相同的条件下，梁挠度可减少1/3～1/2；对于相同刚度要求的结构来说，组合梁可比钢梁减少截面高度的25%～30%［4］。本文以北京市延崇高速公路京新高速及110组合立交P1匝道桥一联桥为工程为背景，探讨其适合的施工方法，并研究受力特点。

1 工程概况

本工程为京新高速及110组合立交P1匝道桥P1-4～P1-7一联桥梁，曲线半径R=100m，上跨既有道路京新高速，京新高速为双向四车道，中间为2m隔离带，施工时要求京新高速不得断路，故结构形式采用钢-混组合梁，跨径52m+66m+52m，宽度12.25m，横向两片钢梁，每片钢梁宽度3m，结构高度2.7m（钢箱梁2.25m+混凝土板0.45m）。边墩采用盆式单向活动支座，中墩采用盆式固定支座。桥梁平面及断面如图1、图2所示。

图2 桥梁断面（单位：mm）Fig.2 Section of bridge（unit：m）

2 施工方案确定

常见的钢-混组合梁施工方法主要有整体预制吊装法、临时支架法、顶推法以及悬臂拼装法。

2.1 钢-混组合梁施工方法简述

根据相关文献研究可知，整体预制吊装法一般只适用于简支结构［5］，临时支架法一般适用于两连接段处桥下无被交道路通行的情况［2］，顶推法一般适用于等高结构、直线桥［6］；而对于小半径弯梁桥、且连接段处桥下存在被交道路通行的情况下，悬臂拼装法较为适合，即拼接处两侧均为悬臂钢梁，然后将悬臂钢梁进行拼接。此种方法在实际应用中应注意严格控制悬臂梁竖向位移［7，8］。

2.2 桥梁施工方案确定

结合结构受力情况及被交道路与桥梁的位置关系，全桥共分为8个制作段。曲线内侧梁（1#梁）制作段划分为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）；曲线外侧梁（2#梁）制作段划分为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）。

结合本桥的受力特点，与常规钢-混组合梁施工方案相比，有如下两处不同：

（1）制作段E与制作段F拼接处位于京新高速左辅车行道内，无法搭设临时支架，故需采用无支架施工。所谓无支架施工，是在栓接口处无需设置临时支架，而将钢梁制作段连接成整体的施工技术。

从工程可实施性的角度来说，实现无支架施工有两种方法：

1）牛腿搭接法：制作段F悬臂端做牛腿，制作段E直接搭接在牛腿上，然后栓接成为一个整体。

2）工字钢搭接法：制作段F钢梁上搭接出临时工字钢，通过锚栓与制作段E的钢梁连接，然后栓接成一个整体，最后拆除工字梁，锚栓孔塞焊剪力钉，如图3所示。

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

若采用牛腿搭接法，制作段在牛腿处需要特殊处理，且牛腿处需设计连接螺栓连接两制作段，螺栓受力复杂，需要专门进行分析，一般不采用。本桥梁采用工字梁搭接法，此种方法构造简单，施工完毕后结构整体性好［9，10］。

（2）钢-混组合梁常规的施工顺序为先分段架设钢梁，高强螺栓栓接成整体，然后浇筑混凝土桥面板，张拉桥面板预应力钢束及体外束，最后拆除临时支承。但由于本桥跨径较大，采用常规施工顺序会造成墩顶混凝土板拉应力大于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）限值。故本桥在不增加钢束、不加大截面的前提下，在浇筑墩顶区域混凝土之前拆除临时支承，合理地优化墩顶混凝土受力阶段，有效改善其受力状态。

3 结构有限元模型建立

采用Midas Civil 2019建立空间梁格法模型，横向分为两片梁，结构模型如图4所示。

图4 52m+66m+52m钢-混组合梁模型Fig.4 Model of 52m+66m+52m steel concrete composite beam

在建立模型时，主要有以下几个关键点：

（1）定义施工阶段时首先激活钢梁截面，然后混凝土板以湿重的方式按照均布荷载效应施加在钢梁上，最后激活混凝土板的刚度，从而精确模拟出钢梁与混凝土板的施工顺序。

（2）钢梁间横向联系单元根据其实际位置和截面定义，同时每隔1m～1.5m设置一道桥面板虚拟横向联系（只考虑横向联系的刚度，不考虑其重量）。

（3）由于本桥为小半径弯桥，永久支座及临时支架的水平和竖向刚度对结果影响较大，应做到尽可能与实际一致。故支座刚度按照盆式支座实际刚度模拟，在设有临时支架的位置，临时支架的支承刚度=支架基础面积×地基比例系数m，根据地基实际情况，刚度取为100000kN/m。

（4）无支架施工阶段采用释放梁段约束模拟，释放E制作段与F制作段连接处的y向转角约束，待两制作段栓接成为一个整体后恢复其约束［11］。

4 计算结果分析

4.1 栓接处变形分析

采用无支架施工，首先需关注E制作段与F制作段连接前、通过工字梁连接后以及两制作段栓接后三个阶段下栓接处变形情况，计算结果见表1。

表1 两制作段栓接处位移（单位：mm）Tab.1 Displacement of bolt joint of two manufacturing sections（unit：mm）

从表1中可以看出，在无支架施工前，F制作段为悬臂状态，悬臂长度5m，曲线内侧梁（1#梁）和曲线外侧梁（2#梁）水平位移和竖向位移相似，竖向位移为0.38mm和0.41mm，远小于梁竖向允许位移（L/300）。

无支架连接阶段及栓接后阶段结构位移相近，因为两个阶段区别是栓接前两制作段只传递力而不传递弯矩，栓接后既传递力也传递弯矩，故对于位移值，两个阶段变化不大。当无支架连接后，结构体系由悬臂结构变为连续结构，连续结构跨径为28m（21m）+12m，28m（21m）跨跨中位移分别为2.28mm及1.81mm，小于梁允许竖向位移。

由于钢梁为开口截面，开口截面抗扭刚度、抗弯刚度小，故当钢梁在吊装搭接时，造成连接处各方向水平位移较大，远大于连接前的水平位移。

4.2 施工阶段内力分析

E制作段与F制作段连接前、通过工字梁连接后以及两制作段栓接后三个阶段结构内力见表2。

从表2中可以看出，无支架施工前，F制作段为单侧伸臂梁，P1-6中支点为负弯矩，F制作段跨中为正弯矩。无支架施工阶段结构体系发生变化，变为两跨连续梁，且两跨跨径相差较大，E制作段跨径分别为F制作段跨径的2.3倍和1.8倍，故E制作段跨中正弯矩较大，F制作段跨中为负弯矩，需注意施工期间体系转变对F制作段弯矩方向变化的影响。

表2 两制作段结构内力（单位：kN·m）Tab.2 Internal force value of two fabrication sections（unit：kN·m）

4.3 墩顶混凝土板受力分析

钢-混组合梁的两个施工阶段（墩顶混凝土浇筑以及拆除临时支承）的先后顺序对于墩顶混凝土受力状态影响很大。表3为先拆除临时支承及后拆除临时支承的情况下中支点钢箱梁和混凝土板的应力对比情况（正值为拉，负值为压）。

表3 钢箱梁及混凝土板应力对比（单位：MPa）Tab.3 Stress comparison of steel box girder and concrete slab（unit：MPa）

从表3中可以看出，如果最后拆除临时支承，则支点处混凝土板频遇组合作用下上缘最大拉应力为3.6MPa，远超过《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）要求限值；而如果先拆除临时支承，再浇筑支点处混凝土，则频遇组合作用下支点混凝土板上缘压应力储备为1.3MPa，而对于支点处钢箱梁下缘受力，拆除临时支承的时间影响不大，且都满足规范要求［9］。

两种施工方法虽然墩顶混凝土浇筑以及拆除临时支承先后顺序不同，但是结构所承受的外力是相同的，所以对于结构本身所承担的总内力也是相同的，结构受力差异主要是墩顶钢箱梁和混凝土板开始受力的阶段不同。如果最后拆除临时支承，则支点处混凝土板与钢箱梁共同承担施工阶段恒荷载，造成成桥阶段混凝土板压应力储备只有3.2MPa；如果先拆除临时支承再浇筑支点处混凝土桥面板，则支点处钢箱梁上翼板承担施工阶段恒荷载，钢箱梁上翼板在拆除临时支承阶段最大拉应力为212MPa，小于钢材强度设计值的80%，而支点处混凝土板仅仅承担使用阶段荷载，成桥阶段其压应力储备为7.2MPa，可以大幅改善其受力性能。此种施工方法在不增加梁高、不加大预应力钢束的情况下，充分发挥钢箱梁上翼板的材料性能，从而降低混凝土板的受力。

5 结论

1.采用工字钢搭接法实现无支架施工，可以很好地满足施工期间桥下保通的需求，应在今后的工程中得到广泛应用。

2.采用工字钢搭接法，应注意两制作段搭接前与搭接后结构体系会发生变化，应注意不同结构体系搭接处钢箱梁位移及上下翼缘板的受力差异。

3.当中支点处混凝土板拉应力过大而控制设计时，可先拆除临时支架，然后再浇筑支点附近的混凝土板，此种施工方法充分发挥钢箱梁上翼缘板的材料性能，在保证结构跨中受力情况不变的前提下，有效改善中支点处混凝土板的受力。

4.工字钢搭接法需严格控制搭接处悬臂竖向位移，当悬臂过大时，需细致分析搭接前后位移值，若位移值超过悬臂梁允许位移值时，需更换施工方法。