鋼-混凝土組合連續梁橋面混凝土澆筑施工方案分析與優化

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引言

鋼—混凝土組合梁是指通過剪力連接件將鋼梁與混凝土板連成整體而共同工作的受彎構件。它具有結構高度小、自重輕、承載力高、剛度大、節省支模工序和模板、減少現場濕作業量、施工速度快、綜合效益好等顯著優點，作為重要的承重構件之一,目前已廣泛地應用于工業廠房、大跨結構、地下結構、高層建筑和橋梁結構等。本文使用有限元分析軟件Midas/Civil對某鋼一混組合連續梁橋橋面混凝土兩種澆筑施工方案進行模擬，對比分析了不同施工方案對成橋梁體跨中撓度及支座處頂板混凝土拉應力的影響，在滿足結構安全性的前提下，對施工方案進行優化。

一、工程概況

某二級公路大橋采用(40+60+40)m工字鋼-混凝土橋面板組合連續梁，橋梁全寬10.4m，橋型布置見圖1。組合梁鋼構架由主梁、橫梁、上平縱聯、下平縱聯及側向支撐通過節點板用高強度螺栓連接而成，主梁橫斷面見圖2。混凝土橋面板采用現澆方式通過與鋼構架上的剪力釘連接形成整體，組成鋼-混凝土連續梁組合結構。橋面板采用C55級普通鋼筋混凝土橋面板。普通鋼筋采用HRB335級鋼筋，鋼材采用Q345級鋼。橋面板厚度在全橋范圍內為0.25m，鋼主梁上緣寬度0.4m，下緣寬度0.6m。

圖1 橋型布置圖

圖2 主梁橫斷面圖

本橋原設計施工方案為：鋼梁拼裝焊接好后一次拖拉到位，接著綁扎全橋橋面鋼筋網，然后澆注兩個邊跨橋面板46m長混凝土，最后澆筑中跨48m橋面板混凝土。當橋面板混凝土達到設計強度，考慮橋面板參與鋼梁共同工作，再接著是鋪裝橋面瀝青混凝土和施工人行道欄桿等。

由于現場施工條件限制，配制C55標號混凝土較為困難，現將橋面板混凝土標號從C55變更為C45。鋼-混凝土連續梁橋支座處橋面混凝土拉應力較大，遠超過混凝土抗拉設計強度，混凝土橋面將產生裂縫，加之混凝土標號降低，對結構安全性及耐久性產生一定影響。為減小支座處橋面混凝土拉應力，現提出施工方案二，與原施工方案進行對比分析。

方案一：先綁扎全橋橋面鋼筋網，接著澆筑兩個邊跨46m，最后澆筑中跨48m。

方案二：先綁扎全橋橋面鋼筋網，接著澆筑一個邊跨38m橋面混凝土，接著澆筑另一個邊跨38m橋面混凝土，再接著澆筑中跨50m橋面混凝土，最后澆筑兩個支座處各7m長橋面混凝土。

二、分析模型

應用Midas/Civil對組合結構進行建模可采用兩種建模方法，一種方法是分別建立鋼梁和混凝土橋面板模型，再利用彈性連接的剛性將兩種構件連接起來形成組合結構。這里的彈性連接的作用是模擬抗剪連接鍵。按照這種方法建立的模型能夠較好的分析組合結構的靜力特性，當考慮收縮徐變時，分析結果會產生較大誤差。另一種方法是采用施工階段聯合截面進行建模，這種建模方法不僅在分析材料時間依存性時計算結果較準確，同時能夠方便地分析施工階段的受力變化。因本文研究的內容與考慮材料時間依存性的混凝土收縮徐變相關，故采用了第二種建模方法。

(一)基本假定

由于Midas/Civil聯合界面假定鋼主梁和混凝土橋面板之間的滑移量微小或者忽略不記。基于此可作如下假定：

(1)鋼與混凝土橋面板之間的變形是協調的，即組合梁沒有層間滑移產生；

(2)組合梁在長期荷載作用下保持彈性工作狀態；

(3)混凝土的徐變應力與應變成正比例關系。

(二)模型建立

仿真分析模型共建立了650個單元，348個節點，其中主梁共156個單元，上下平縱聯、橫梁、橫向支撐共494個單元。模型沒有考慮下部結構，全橋共12個永久支座。全橋的模型如圖3所示。

圖3 全橋有限元模型

三、分析結果

(一)主梁撓度分析

兩種橋面混凝土澆筑施工方案成橋后累計撓度曲線見圖4，邊跨和中跨跨中撓度最大值比較見表1。

圖4 兩種方案撓度曲線圖(單位：mm)

位置邊跨中跨方案一24．883．8方案二77．4101．7差值52．617．9

從撓度計算結果比較，兩方案差別較大，邊跨在跨中處相差52.6mm, 中跨跨中處相差17.9mm。

(二)橋面混凝土拉應力分析

兩種橋面混凝土澆筑施工方案成橋后恒載作用下，支座處混凝土最大拉應力值比較見表2。

表2 兩種方案支座處拉應力值比較

從兩種澆筑方案恒載作用下支座處混凝土拉應力值比較顯示，方案一比方案二在支座處拉應力大1.62Mpa，優化施工方案后，支座處橋面混凝土拉應力減小明顯。

四、結論

從支座處橋面混凝土拉應力計算結果分析，在這兩種施工情況下，混凝土最大拉應力均超出其抗拉強度標準值，在拉應力最大部位，混凝土開裂退出工作，拉應力全部由鋼筋承擔。方案二混凝土板拉應力降低效果顯著，優勢明顯，從結構安全性及耐久性角度考慮，本橋改用方案二施工，但主梁撓度變化較大，應根據施工方案，合理設置主梁預拱度，確保成橋線型平順。

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