預應力連續橋不同跨中結構的受力對比分析

梅連軍

(新疆交通建設集團股份有限公司，新疆　烏魯木齊　830016)

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預應力連續橋不同跨中結構的受力對比分析

梅連軍

(新疆交通建設集團股份有限公司，新疆烏魯木齊830016)

文章以某三跨預應力連續梁橋為研究對象，將其主跨原混凝土結構改為鋼-混組合梁結構，利用Midas/Civil建立兩種結構的有限元模型，對其施工階段和靜力進行對比分析，得出結論：鋼-混連續梁橋較于原預應力連續橋有著明顯的優勢，可廣泛應用于大跨徑連續梁橋的建設。

鋼-混組合梁；混凝土結構；預應力連續梁；有限元；對比分析

0　引言

混凝土和鋼筋是橋梁工程建設中最為重要的結構材料，兩者各自具有不同的優勢與不足，在橋梁建設中兩者不可或缺，如缺少其中之一則會導致結構受到材料性能的約束而不完整[1]。為了使鋼、混凝土結構的優勢能夠充分得到利用，產生了以組合、混合為代表的兩種新型結構。其中組合結構是由鋼、混凝土等異種材料組合而成，再通過使用剪力鍵形成一個整體，并以構件截面的形式共同工作的結構體系[2]，鋼-混凝土組合梁就是其主要代表之一；混合結構是通過采用接頭將鋼、混凝土等多種材料的構件組合成整體的結構體系。

混合連續梁橋屬于常見的混合結構，故該結構在實際橋梁建設中的運用十分廣泛，尤其是正交異性鋼橋面形式的混合結構[3-4]。由文獻[5-6]可知，正交異性鋼橋面上的瀝青混凝土在運營過程中易出現損壞，且自身結構常處于疲勞狀態下極易出現開裂現象，給橋梁帶來嚴重的安全隱患。目前，國內外學者針對正交異性鋼橋面的優化設計進行了大量研究，其病害問題也得到有效的改善[7]，但由于該結構復雜繁多，改善措施難以全面兼顧。因此，本文提出用鋼-混組合梁替代原來的混凝土梁部分的一種混合連續梁橋結構，并分別建立有限元模型對其進行試驗對比分析。

1　試驗設計

1.1工程背景

某預應力混凝土連續橋(85+150+85)m，梁體為單箱單室斷面箱梁，其中上頂板寬14.5 m，頂面設有1.5%單向橫坡，下底板寬為7.5 m。箱梁根部高8.5 m，邊跨直線段梁與跨中梁的高度一致，都為3.5 m；箱梁上頂板厚為0.28 m，下底板跨中及根部的厚度分別為0.28 m、1.1 m，腹板的厚度范圍在4 m以內，由0.45 m至0.6 m呈線性變化。橋墩頂部范圍內頂板、底板、腹板的厚度分別為0.63 m、1.705 m、0.9 m。箱梁施工運用掛籃懸臂澆筑，墩頂0#塊與邊跨支架現澆段除外，各個T構縱向劃成18個對稱梁段，為(4×3+5×3.5+4×4+5×4.5)m，施工采用對稱懸臂澆筑，墩頂0#塊、邊跨現澆段、中跨以及邊跨合攏段分別為12 m、9 m、2 m、2 m。其立面布置圖見圖1，截面尺寸圖見圖2。

1.2對比設計

將原橋中跨跨中50 m部分替換成鋼-混組合梁結構，構成新型組合連續梁橋，其橋梁布置如圖3所示。

組合連續梁橋的施工流程大致與原橋類似，僅縮短了懸臂的澆筑長度，增加組合梁混凝土澆筑及鋼梁整體吊裝工序。該組合梁的高度和外觀基本上與原結構一致，屬于變截面鋼-混組合箱梁，鋼箱梁的截面形式為山字形開口，其底板、腹板和上緣翼厚度分別為0.2 m、0.2 m、0.25 m，具體尺寸如圖4所示。在鋼箱梁內設若干道厚度為1.8 cm的橫隔板，間距為6 m，方向垂直與橋梁橫向，其余段設厚度為0.8 cm的加勁肋，間距為2 m，方向與橫隔板相同，以保證剛腹板局部受力均勻。橋面板采用預制混凝土澆筑，通過抗剪連接件與鋼箱梁相連，其中抗剪連接件選用圓柱頭栓釘，直徑為2.2 cm。對組合梁與混凝土梁結合段進行混凝土填充，其構造布置如圖5所示。另外，針對原預應力鋼束做了以下變動：(1)將原橋中跨位置的頂底板合攏束取消；(2)將原橋邊跨部分的正、負彎矩束分別進行適當的增減；(3)在結合段位置增加一定數量的預應力短束；(4)原頂板預應力束縮短，并錨固于結合段內的承壓板上。

圖1　橋梁立面布置圖(單位：cm)

圖2　截面示意圖(單位：cm)

圖3　組合連續梁橋示意圖(單位：cm)

圖4　組合梁截面示意圖(單位：mm)

圖5　結合段立面布置圖(單位：cm)

2　有限元模型

2.1模型建造

運用有限元軟件Midas/Civil分別建立原橋和組合梁連續橋模型，具體如圖6所示。其中，原橋模型共96個單元，111個節點。主梁結構的單元類型為梁單元，利用邊界條件模擬橋梁的橋墩與支座。模擬橋梁共包含24個施工階段，采用節點荷載來模擬混凝土濕重與掛籃荷載，邊跨附近的支架現澆段通過邊界條件進行模擬，整個橋梁在懸臂施工階段與體系轉變時均依靠結構組的激活以及邊界、荷載兩組的鈍化激活來模擬。此外，橋梁的荷載工況分別為徐變、收縮、自重、掛籃、二期、預應力、移動荷載、支座沉降、溫度作用、混凝土濕重。

組合梁連續橋的有限元模型共有98個單元，129個節點。通過從SPC軟件中導入聯合截面組合來模擬鋼-混組合梁，施工過程采用相應階段的聯合截面來模擬。在橋梁模型中施工階段共分成27個，相比于原橋增加了組合梁橋面板澆筑、鋼梁吊裝、結合段吊裝灌注混凝土張拉鋼束3個階段。荷載工況與原橋型一致。

(a)預應力混凝土梁

(b)鋼-混組合連續梁

2.2計算結果

通過對預應力混凝土梁進行模擬分析，得出其施工階段與靜力計算都符合規范標準。在施工階段鋼-混組合連續梁除橋面板澆筑和鋼箱梁吊裝之外，其余均與預應力混凝土梁模型一致。在施工過程中鋼-混組合梁內部鋼箱梁結構的拉應力和壓應力最大值分別152.83 MPa、82.30 MPa，均未超過鋼材的最大允許應力(210 MPa)。鋼箱梁結構在成橋后的拉應力和壓應力最大值分別132.61 MPa、162.69 MPa，也未超過鋼材允許應力。混凝土橋面板的壓應力和拉應力最大值分別為6.10 MPa、2.02 MPa，均低于規范允許值。

3　對比分析

3.1內力對比分析

通過對運營、恒載、承載3種極限狀態下鋼-混組合橋與原橋的軸力、剪力與彎矩進行計算，得出數值如表1所示。

表1　鋼-混組合梁橋與原橋主梁結構內力對比數據表

根據表1可知，鋼-混組合梁的剪力和軸力的最大值較于原橋分別減小了5.9%、6.4%，變化幅度較小；墩頂和中跨的最大負彎矩較于原橋分別減小了6.1%、68.7%，且邊跨最大正彎矩增大17.7%，說明鋼-混組合梁的受力性能更為穩定。

3.2支座反力對比分析

豎向支座反力是決定橋梁支座類型的主要因素，鋼-混組合梁橋與原橋的反力對比如表2所示。

表2　鋼-混組合梁橋與原橋支座反力對比數據表

根據表2數據可知，鋼-混組合梁連續橋的邊支座反力較于原橋分別增大了39.9%、30%，增幅較為明顯，中支座反力分別減小了6.6%、5.8%，減幅程度較小，整體上支座反力呈減小。

3.3應力對比分析

在溫度梯度作用下，鋼-混組合梁橋和原預應力混凝土梁橋產生的組合應力最大值分別為4.25 MPa、4.92 MPa，減幅為13.6%；受恒載作用兩種類型橋梁產生的組合應力最大值分別為9.83 MPa、11.33 MPa，減幅為13.2%；活載作用下鋼-混組合梁橋和原預應力混凝土梁橋的組合應力分別為3.0 MPa、3.82 MPa，減幅為23.2%；支座沉降作用下兩種橋梁產生的組合應力最大值分別為0.56 MPa、0.69 MPa，減幅為18.8%。綜上所述可知，鋼-混組合梁橋所受應力比原預應力橋梁小，故其結構更加穩定可靠。

4　施工方法

(1)主墩施工。支架澆筑0#塊，安裝主墩支座，將主墩與0#塊臨時固結，使懸臂澆筑每個塊段對稱。當每個塊段懸澆完之后開始邊墩的施工，將支架現澆邊跨聚攏，邊跨的支架暫不撤除，接下來施工鋼-混凝土組合梁段，接頭吊裝，焊接固定混凝土箱梁的結構鋼筋和接頭PBL[10]板孔內的貫通鋼筋，加注混凝土，等到混凝土凝固，在結合段的承壓板上錨固張拉預應力束，接頭正上方的混凝土橋面板僅一半澆筑，這樣接頭與混凝土就會成為一個整體；(2)吊裝鋼箱梁，將鋼箱梁與接頭使用焊接加螺栓的方法結合在一起，然后逐段濕接預制好的混凝土橋面板，結合為一體后將邊跨的支架與主墩臨時固結撤除；(3)澆筑橋面鋪裝和護欄等。

5　鋼-混組合橋的優劣勢分析

通過將鋼-混組合橋和原預應力混凝土連續橋進行對比分析，發現此橋梁存在以下幾點優勢：

(1)主梁跨中部位自重減小，既能提升自身的受力性能，也能增強結構的抗震能力；

(2)組合梁段橋面板是預制混凝土澆筑而成，較于原正交異性鋼橋面板其成本大大降低，與此同時還能有效解決疲勞病害等問題；

(3)中跨底板與頂板的合攏束無需進行張拉，預應力不會產生次內力而影響橋梁的正常運營；

(4)鋼-混組合結構內支座反力減幅達13.9%，可采用低規格的支座，同時也便于維修更換；

(5)鋼-混組合結構能夠減少箱梁開裂與降低跨中撓度。

由于鋼-混組合梁連續橋增加了組合梁段，因此施工要求更為嚴格，同時針對施工場地有相應的限制，鋼材造價方面也是需要考慮的問題。

6　結語

綜合以上試驗分析可知：鋼-混組合梁連續橋在有限元全橋施工階段和成橋靜力分析兩個方面與原橋相比整體上具備很大的優越性，在連續梁橋建設中可廣泛運用，而鋼-混組合梁連續橋的動力分析和組合梁最安全距離還需要更進一步驗證。

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Comparative Analysis on the Force of Different Midspan Structures in Prestressed Continuous Bridges

MEI Lian-jun

(Xinjiang Communications Construction Group Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830016)

With a three-span prestressed continuous beam bridge as the research object，this article changed its main span from the original concrete structure into steel-concrete composite beam structure，then by using Midas/Civil，it established the finite element model for these two structures，conducted the comparative analysis on their construction phase and static force，and then concluded that：the steel-concrete continuous beam bridge has obvious advantages compared to the original continuous prestressed bridge，which can be widely used in the construction of large-span continuous beam bridge.

Steel-concrete composite beam；Concrete structure；Prestressed continuous beam；Finite element；Comparative analysis

U448.21+5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.018

1673-4874(2016)08-0067-04

2016-06-08

梅連軍(1979—)，工程師，研究方向：土木工程。