钢混组合梁负弯矩区桥面板抗裂措施计算分析

李剑鸾

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088）

1 引言

近20年来，我国钢混组合梁桥进入了快速发展时期。随着钢混组合梁桥的广泛使用，对该结构形式的优化和不利受力行为的研究也显得更加重要和紧迫。钢混组合梁桥是指将钢梁与混凝土桥面板通过抗剪连接件连接成整体并共同受力的桥梁结构形式，它不仅充分发挥混凝土受压、钢受拉的力学性能，而且结合了钢结构和混凝土结构各自在施工、桥面铺装、耐久性和经济性等方面的优点。

钢混组合连续梁桥结构形式通常在墩顶负弯矩区会造成桥面板受拉、钢梁受压的不利受力行为，影响结构的适用性和耐久性。混凝土抗拉强度很小，对拉应力非常敏感。在组合梁桥工程实践中，配置预应力钢筋法、桥面板滞后铺设法、支座顶升法、跨中压重法等施工措施对减小组合连续梁桥墩顶桥面板拉应力都有一定的效果。在我国已建成的典型组合梁桥中，上海长江大桥、港珠澳大桥和武汉二七长江大桥均采用桥面板滞后铺设和支座顶升等来降低桥面板负弯矩区中的拉应力，杭州九堡大桥和长沙福园路大桥采用桥面板滞后铺设和体外预应力法来降低负弯矩区中的拉应力。

该文以城市立交桥中的一联钢混组合连续梁为例，采用大型有限元软件ALGOR建立全桥三维有限元模型，计算并分析了两种常用的桥面板抗裂施工措施及其适用性。

2 研究背景

一联四跨双车道钢混组合连续梁，跨径布置为4×25m，全长100m；桥面板采用C40钢筋混凝土，钢梁采用新型腹板内倾式U形梁，墩顶钢梁内底板沿支座中心线左右各浇筑1m段混凝土；组合桥梁中心线处梁高1.5m，其中钢梁高1.25m，混凝土桥面板厚0.25m，混凝土桥面板和钢梁通过栓钉连接；桥面宽为10.5m。桥型纵向布置图如图1所示。

图1 桥梁纵向布置（cm）

钢梁采用Q345qC钢材，内倾式腹板厚16mm（墩顶部分长度增加至24mm），腹板加劲肋采用三道纵向板肋，板厚12mm，板宽150mm；钢梁底板宽为4.08m，板厚为14mm（墩顶部分长度增加至20mm），底板加劲肋采用U肋，壁厚6mm，高260mm。钢梁横隔板标准间距为4.2m，外伸翼缘（板厚12mm）与钢梁采用φ140mm壁厚18mm钢管斜撑连接，并在局部增设加劲肋。组合梁横断面如图2所示。

图2 组合梁横断面（mm）

预制桥面板采用等截面板，由预制板、纵向湿接缝和横向湿接缝三部分组成。预制板在现场吊装搁置于钢梁上，板块间的纵向湿接缝和梁端间的横向湿接缝在工地现场浇筑。标准梁段桥面板标准厚度为25cm。正弯矩区段采用C40混凝土板，墩顶负弯矩区采用聚乙烯醇（PVA）纤维增强混凝土板，现浇湿接缝采用C40微膨胀混凝土。

3 空间有限元的建立和计算荷载

运用大型有限元软件Algor 2010建立全桥三维组合有限元模型。混凝土土桥面板采用实体单元模拟，钢梁、横隔板、外伸翼缘、斜撑钢管和板肋等采用板壳单元模拟。建模中忽略混凝土板与钢梁间的滑移，认为剪力连接件可靠有效，采用混凝土板实体单元与钢梁上缘板壳单元共节点方式、默认粘合接触模拟。所建全桥模型共有167957个单元，如图3和图4所示。

图3 全桥有限元模型

图4 钢梁有限元模型

3.1 二期恒载

二期恒载主要考虑桥面铺装、护栏等附属构件的自重荷载。每侧护栏共计4.5kN/m，沥青铺装为194.5kN/m。

3.2 基础变位

不均匀沉降取5mm，按最不利组合。有限元模型中采用支座强迫位移法模拟实现。

3.3 温度作用

钢梁和混凝土桥面板按整体升温27°C，整体降温-24°C施加。

温度梯度按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）规定的模式施加。混凝土板梯度升温16.4°C，钢梁梯度升温2.97°C；混凝土板梯度降温8.2°C，钢梁梯度降温1.35°C。

3.4 汽车荷载

采用公路-I级荷载。空间有限元模型中按最不利影响线加载，如图5所示。

图5 各工况下汽车荷载影响线加载

4 皮尔格林步骤法铺设桥面板的有限元计算模拟

在钢梁上架设中，先铺设边跨跨中附近部分长度预制板并浇筑其与钢梁连接的接缝混凝土，使两者共同受力；再铺设相邻跨跨中附近部分长度预制板并浇筑其与钢梁连接的接缝混凝土；再铺设上述两相邻跨中间支点部分长度预制板并浇筑其与钢梁连接的接缝混凝土；依此道理，先施工下一跨跨中附近部分长度桥面板，再铺设下一个中间支点部分长度桥面板，此方法称作皮尔格林步骤法（Pilgrim Step Method）。皮尔格林步骤法的实质是中间支点附近的混凝土桥面板滞后施工，由此可以使中间支点附近的桥面板拉应力有所减小，甚至可以降低配筋率，具有良好的经济性，但也会造成桥面板的施工不连续。

本组合连续梁桥采用皮尔格林步骤法施工铺设桥面板，中间支座前后各4.2m的桥面板相对滞后铺设，施工顺序如图6所示。在有限元数值模拟中，铺设预制桥面板时，混凝土板与钢梁上翼缘接触面仅有竖向约束；浇筑湿接缝时，约束其三向自由度，第一阶段先施加浇筑区混凝土湿重作用，第二阶段则赋予其刚度。由分析结果可知，该施工过程模拟符合真实结构施工过程和受力要求，反映施工工程中结构刚度的变化。有限元模型如图7所示。

图6 皮尔格林步骤法施工桥面板顺序

图7 支点桥面板滞后施工法有限元模型

为比对支点桥面板滞后施工对组合连续梁桥负弯矩区桥面板拉应力影响，分别计算了一次成桥状态和支点桥面板滞后施工的成桥状态下桥面板的应力。两种方法的桥面板应力如表1所示，应力云图分别如图8和图9所示。

两种施工方法桥面板拉应力 表1

图8 一次成桥桥面板应力

图9 支点桥面板滞后施工桥面板应力

由表1可知，一次成桥施工2号支点和3号支点桥面板上缘分别产生拉应力5.9MPa和4.4MPa；采用支点桥面板滞后施工，在二期恒载作用前，2号支点和3号支点桥面板上缘分别产生拉应力0.1MPa和0.2MPa，一定程度上降低了负弯矩区桥面板的拉应力水平，但是在二期恒载作用后仍然有拉应力1.3MPa和1.0MPa。

5 支座升降法和皮尔格步骤法铺设桥面板的有限元计算模拟

支座升降法是将钢主梁在中间支座上预顶一定高度，待铺设墩顶混凝土桥面板并与钢主梁结合后，回落支座至设计高度，从而使负弯矩区混凝土板获得一定的预压应力。

由于温度、汽车等活荷载的作用，只考虑桥面板滞后结合还远远不够，负弯矩区桥面板还需储备一定的压应力，使其部分或完全抵消永久荷载和活荷载作用下桥面板在负弯矩区产生的拉应力。

经方案综合比较分析，该组合梁桥采用支座升降法以实现负弯矩区桥面板预压应力。在有限元数值模拟中，采用支座强迫位移法模拟支座的顶升与回落。由计算分析，施工中支座升降方案如表2所示。

支座升降法施工方案 表2

该桥采用桥面板滞后铺设与支座升降结合的施工措施，结合图6，桥面板施工步骤如下：

①先铺设1号段与3号段桥面板并浇筑相应湿接缝使之与钢梁结合，后顶升2号支座，待铺设2号段桥面板并与钢梁结合后，再回落2号支座；

②铺设5号段桥面板并使之与钢梁结合，后顶升3号支座，待铺设4号段桥面板并与钢梁结合后，回落3号支座；

③铺设7号段桥面板并使之与钢梁结合，后顶升4号支座，待铺设6号段桥面板并与钢梁结合后，回落4号支座。

考虑到活荷载对桥面板应力水平的影响，该组合梁桥采用支点桥面板滞后施工与支座升降结合的施工措施，以实现支点桥面板储备预压应力的目的。由数值分析计算，采取支座升降措施前后桥面板与钢梁应力对比见表3。

有无支座顶升措施桥面板与钢梁计算应力 表3

由表3可看出，采取上述支座顶升措施，能给2号支点处和3号支点处的桥面板上缘分别带来6.6MPa和6.2MPa的预压应力，而跨中截面增加的压应力较少，从而证明支点升降法对于负弯矩区桥面板施加预应力是有效的，对于其他部位造成的影响甚小。

由表3可看出采用支点升降措施后，钢梁顶升前后应力变化较大。钢梁边跨跨中截面施加顶升措施后上翼缘压应力几乎无变化，底板拉应力增加34%；2号支点处钢梁腹板上翼缘拉应力增加126%，底板压应力减少10%；中跨跨中截面钢梁上翼缘和底板的压应力和拉应力分别增加15%和138%；3号支点处钢梁腹板上翼缘拉应力增加了126%，底板压应力则变幅较小。由图10可看出钢梁上翼缘拉应力增幅较高区段位于支点处左右各4.2m范围内。

图10 支座升降后成桥状态下钢梁应力

由计算结果分析可知，该组合梁桥采用支座升降施工措施，能很好地实现负弯矩区混凝土桥面板储备压应力；负弯矩区钢梁底板减小了压应力峰值，上翼缘的拉应力有所增加。

6 运营阶段桥面板计算分析

短期效应组合作用下（1.0永久作用+0.7汽车荷载+1.0均匀升温+0.8梯度降温）（其中汽车荷载不考虑冲击系数），2号支点桥面板最不利应力为-2.4MPa（压应力）；3号支点桥面板最不利应力为-1.8MPa（压应力）。

标准组合作用下（1.0永久作用+1.0汽车荷载+1.0均匀升温+1.0梯度降温），边跨跨中处桥面板最不利压应力为10.5MPa，2号支点桥面板上缘压应力为0.3MPa；中跨跨中处桥面板最不利压应力为10.5MPa，3号支点桥面板上缘压应力为0.7MPa。

7 结论

该文通过对一座钢混组合连续梁的施工过程进行有限元仿真计算，分析研究增强负弯矩区桥面板抗裂的不同措施。

①采用支点桥面板滞后施工方法，滞后施工的桥面板荷载在先期施工并凝固的桥面板产生的应力变化较小，滞后施工的桥面板本身应力水平较低。

②支座顶升法施工措施能给负弯矩区桥面板产生较大预压应力，而对其他部位影响甚小；负弯矩区钢梁底板减小了压应力峰值，上翼缘的拉应力有所增加。

③把支点桥面板滞后施工方法和支座顶升方法相结合，能够较好地解决钢混组合梁负弯矩区桥面板的拉应力问题，施工便捷，成本相对较低。

④建立全桥三维有限元模型，利用数值计算方法模拟计算钢混组合连续梁桥的各施工措施对负弯矩区桥面板应力的影响，为该类桥梁的设计和施工提供参考和借鉴。