小半徑鋼-混組合梁施工方法及順序比選研究

許延祺

北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 100082

引言

在市政立交匝道橋設(shè)計中，當遇到小半徑大跨徑橋梁時，為了提高其跨越能力，減少施工對交通及環(huán)境的影響，減低施工難度及成本，首選結(jié)構(gòu)形式為鋼-混組合梁［1］。其由鋼箱梁通過剪力鍵與混凝土板組合而成，充分發(fā)揮鋼材抗拉性能好、混凝土抗壓性能好的特點［2，3］，此種結(jié)構(gòu)剛度大、自重小，與鋼梁相比，在用鋼量相同的條件下，梁撓度可減少1/3～1/2；對于相同剛度要求的結(jié)構(gòu)來說，組合梁可比鋼梁減少截面高度的25%～30%［4］。本文以北京市延崇高速公路京新高速及110組合立交P1匝道橋一聯(lián)橋為工程為背景，探討其適合的施工方法，并研究受力特點。

1 工程概況

本工程為京新高速及110組合立交P1匝道橋P1-4～P1-7一聯(lián)橋梁，曲線半徑R=100m，上跨既有道路京新高速，京新高速為雙向四車道，中間為2m隔離帶，施工時要求京新高速不得斷路，故結(jié)構(gòu)形式采用鋼-混組合梁，跨徑52m+66m+52m，寬度12.25m，橫向兩片鋼梁，每片鋼梁寬度3m，結(jié)構(gòu)高度2.7m（鋼箱梁2.25m+混凝土板0.45m）。邊墩采用盆式單向活動支座，中墩采用盆式固定支座。橋梁平面及斷面如圖1、圖2所示。

圖2 橋梁斷面（單位：mm）Fig.2 Section of bridge（unit：m）

2 施工方案確定

常見的鋼-混組合梁施工方法主要有整體預(yù)制吊裝法、臨時支架法、頂推法以及懸臂拼裝法。

2.1 鋼-混組合梁施工方法簡述

根據(jù)相關(guān)文獻研究可知，整體預(yù)制吊裝法一般只適用于簡支結(jié)構(gòu)［5］，臨時支架法一般適用于兩連接段處橋下無被交道路通行的情況［2］，頂推法一般適用于等高結(jié)構(gòu)、直線橋［6］；而對于小半徑彎梁橋、且連接段處橋下存在被交道路通行的情況下，懸臂拼裝法較為適合，即拼接處兩側(cè)均為懸臂鋼梁，然后將懸臂鋼梁進行拼接。此種方法在實際應(yīng)用中應(yīng)注意嚴格控制懸臂梁豎向位移［7，8］。

2.2 橋梁施工方案確定

結(jié)合結(jié)構(gòu)受力情況及被交道路與橋梁的位置關(guān)系，全橋共分為8個制作段。曲線內(nèi)側(cè)梁（1#梁）制作段劃分為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）；曲線外側(cè)梁（2#梁）制作段劃分為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）。

結(jié)合本橋的受力特點，與常規(guī)鋼-混組合梁施工方案相比，有如下兩處不同：

（1）制作段E與制作段F拼接處位于京新高速左輔車行道內(nèi)，無法搭設(shè)臨時支架，故需采用無支架施工。所謂無支架施工，是在栓接口處無需設(shè)置臨時支架，而將鋼梁制作段連接成整體的施工技術(shù)。

從工程可實施性的角度來說，實現(xiàn)無支架施工有兩種方法：

1）牛腿搭接法：制作段F懸臂端做牛腿，制作段E直接搭接在牛腿上，然后栓接成為一個整體。

2）工字鋼搭接法：制作段F鋼梁上搭接出臨時工字鋼，通過錨栓與制作段E的鋼梁連接，然后栓接成一個整體，最后拆除工字梁，錨栓孔塞焊剪力釘，如圖3所示。

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

若采用牛腿搭接法，制作段在牛腿處需要特殊處理，且牛腿處需設(shè)計連接螺栓連接兩制作段，螺栓受力復雜，需要專門進行分析，一般不采用。本橋梁采用工字梁搭接法，此種方法構(gòu)造簡單，施工完畢后結(jié)構(gòu)整體性好［9，10］。

（2）鋼-混組合梁常規(guī)的施工順序為先分段架設(shè)鋼梁，高強螺栓栓接成整體，然后澆筑混凝土橋面板，張拉橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束及體外束，最后拆除臨時支承。但由于本橋跨徑較大，采用常規(guī)施工順序會造成墩頂混凝土板拉應(yīng)力大于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）限值。故本橋在不增加鋼束、不加大截面的前提下，在澆筑墩頂區(qū)域混凝土之前拆除臨時支承，合理地優(yōu)化墩頂混凝土受力階段，有效改善其受力狀態(tài)。

3 結(jié)構(gòu)有限元模型建立

采用Midas Civil 2019建立空間梁格法模型，橫向分為兩片梁，結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 52m+66m+52m鋼-混組合梁模型Fig.4 Model of 52m+66m+52m steel concrete composite beam

在建立模型時，主要有以下幾個關(guān)鍵點：

（1）定義施工階段時首先激活鋼梁截面，然后混凝土板以濕重的方式按照均布荷載效應(yīng)施加在鋼梁上，最后激活混凝土板的剛度，從而精確模擬出鋼梁與混凝土板的施工順序。

（2）鋼梁間橫向聯(lián)系單元根據(jù)其實際位置和截面定義，同時每隔1m～1.5m設(shè)置一道橋面板虛擬橫向聯(lián)系（只考慮橫向聯(lián)系的剛度，不考慮其重量）。

（3）由于本橋為小半徑彎橋，永久支座及臨時支架的水平和豎向剛度對結(jié)果影響較大，應(yīng)做到盡可能與實際一致。故支座剛度按照盆式支座實際剛度模擬，在設(shè)有臨時支架的位置，臨時支架的支承剛度=支架基礎(chǔ)面積×地基比例系數(shù)m，根據(jù)地基實際情況，剛度取為100000kN/m。

（4）無支架施工階段采用釋放梁段約束模擬，釋放E制作段與F制作段連接處的y向轉(zhuǎn)角約束，待兩制作段栓接成為一個整體后恢復其約束［11］。

4 計算結(jié)果分析

4.1 栓接處變形分析

采用無支架施工，首先需關(guān)注E制作段與F制作段連接前、通過工字梁連接后以及兩制作段栓接后三個階段下栓接處變形情況，計算結(jié)果見表1。

表1 兩制作段栓接處位移（單位：mm）Tab.1 Displacement of bolt joint of two manufacturing sections（unit：mm）

從表1中可以看出，在無支架施工前，F(xiàn)制作段為懸臂狀態(tài)，懸臂長度5m，曲線內(nèi)側(cè)梁（1#梁）和曲線外側(cè)梁（2#梁）水平位移和豎向位移相似，豎向位移為0.38mm和0.41mm，遠小于梁豎向允許位移（L/300）。

無支架連接階段及栓接后階段結(jié)構(gòu)位移相近，因為兩個階段區(qū)別是栓接前兩制作段只傳遞力而不傳遞彎矩，栓接后既傳遞力也傳遞彎矩，故對于位移值，兩個階段變化不大。當無支架連接后，結(jié)構(gòu)體系由懸臂結(jié)構(gòu)變?yōu)檫B續(xù)結(jié)構(gòu)，連續(xù)結(jié)構(gòu)跨徑為28m（21m）+12m，28m（21m）跨跨中位移分別為2.28mm及1.81mm，小于梁允許豎向位移。

由于鋼梁為開口截面，開口截面抗扭剛度、抗彎剛度小，故當鋼梁在吊裝搭接時，造成連接處各方向水平位移較大，遠大于連接前的水平位移。

4.2 施工階段內(nèi)力分析

E制作段與F制作段連接前、通過工字梁連接后以及兩制作段栓接后三個階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力見表2。

從表2中可以看出，無支架施工前，F(xiàn)制作段為單側(cè)伸臂梁，P1-6中支點為負彎矩，F(xiàn)制作段跨中為正彎矩。無支架施工階段結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化，變?yōu)閮煽邕B續(xù)梁，且兩跨跨徑相差較大，E制作段跨徑分別為F制作段跨徑的2.3倍和1.8倍，故E制作段跨中正彎矩較大，F(xiàn)制作段跨中為負彎矩，需注意施工期間體系轉(zhuǎn)變對F制作段彎矩方向變化的影響。

表2 兩制作段結(jié)構(gòu)內(nèi)力（單位：kN·m）Tab.2 Internal force value of two fabrication sections（unit：kN·m）

4.3 墩頂混凝土板受力分析

鋼-混組合梁的兩個施工階段（墩頂混凝土澆筑以及拆除臨時支承）的先后順序?qū)τ诙枕敾炷潦芰顟B(tài)影響很大。表3為先拆除臨時支承及后拆除臨時支承的情況下中支點鋼箱梁和混凝土板的應(yīng)力對比情況（正值為拉，負值為壓）。

表3 鋼箱梁及混凝土板應(yīng)力對比（單位：MPa）Tab.3 Stress comparison of steel box girder and concrete slab（unit：MPa）

從表3中可以看出，如果最后拆除臨時支承，則支點處混凝土板頻遇組合作用下上緣最大拉應(yīng)力為3.6MPa，遠超過《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）要求限值；而如果先拆除臨時支承，再澆筑支點處混凝土，則頻遇組合作用下支點混凝土板上緣壓應(yīng)力儲備為1.3MPa，而對于支點處鋼箱梁下緣受力，拆除臨時支承的時間影響不大，且都滿足規(guī)范要求［9］。

兩種施工方法雖然墩頂混凝土澆筑以及拆除臨時支承先后順序不同，但是結(jié)構(gòu)所承受的外力是相同的，所以對于結(jié)構(gòu)本身所承擔的總內(nèi)力也是相同的，結(jié)構(gòu)受力差異主要是墩頂鋼箱梁和混凝土板開始受力的階段不同。如果最后拆除臨時支承，則支點處混凝土板與鋼箱梁共同承擔施工階段恒荷載，造成成橋階段混凝土板壓應(yīng)力儲備只有3.2MPa；如果先拆除臨時支承再澆筑支點處混凝土橋面板，則支點處鋼箱梁上翼板承擔施工階段恒荷載，鋼箱梁上翼板在拆除臨時支承階段最大拉應(yīng)力為212MPa，小于鋼材強度設(shè)計值的80%，而支點處混凝土板僅僅承擔使用階段荷載，成橋階段其壓應(yīng)力儲備為7.2MPa，可以大幅改善其受力性能。此種施工方法在不增加梁高、不加大預(yù)應(yīng)力鋼束的情況下，充分發(fā)揮鋼箱梁上翼板的材料性能，從而降低混凝土板的受力。

5 結(jié)論

1.采用工字鋼搭接法實現(xiàn)無支架施工，可以很好地滿足施工期間橋下保通的需求，應(yīng)在今后的工程中得到廣泛應(yīng)用。

2.采用工字鋼搭接法，應(yīng)注意兩制作段搭接前與搭接后結(jié)構(gòu)體系會發(fā)生變化，應(yīng)注意不同結(jié)構(gòu)體系搭接處鋼箱梁位移及上下翼緣板的受力差異。

3.當中支點處混凝土板拉應(yīng)力過大而控制設(shè)計時，可先拆除臨時支架，然后再澆筑支點附近的混凝土板，此種施工方法充分發(fā)揮鋼箱梁上翼緣板的材料性能，在保證結(jié)構(gòu)跨中受力情況不變的前提下，有效改善中支點處混凝土板的受力。

4.工字鋼搭接法需嚴格控制搭接處懸臂豎向位移，當懸臂過大時，需細致分析搭接前后位移值，若位移值超過懸臂梁允許位移值時，需更換施工方法。