鋼-混組合連續箱梁橋施工階段計算分析

李林，盧珊珊

（1.中鐵七局集團有限公司第二工程有限公司， 沈陽 110000；2.江西現代職業技術學院， 南昌 330095）

1 引言

鋼-混組合結構橋梁通過2種材料的共同工作，充分發揮了混凝土抗壓和鋼材抗拉性能上的優勢，避免了混凝土受拉開裂和鋼材受壓失穩的問題。同時，組合結構也具有結構自重輕、施工性能好等方面的優點，得到廣泛運用[1～5]。目前，組合結構橋梁已逐步成為城市公路橋梁的主要結構形式。近年來，鋼-混組合結構的研究已成為研究熱點方向之一。安然等[6]建立考慮界面滑移效應的鋼-混組合梁施工階段計算模型，研究施工階段界面滑移對組合梁剛度折減的影響，認為界面滑移會增大主梁撓度，對組合梁剛度造成不利影響；李立峰等[7]采用ABAQUS有限元軟件建立組合梁試驗梁非線性分析模型，認為考慮鋼梁應變強化效應可以很好地預測完全剪力連接鋼-混簡支組合梁的抗彎承載力；王海軍等[8]利用ANSYS的單元生死技術模擬鋼混組合梁分階段施工過程，對比分析一次落架和分階段施工鋼混組合梁剪力釘滑移效應；蘇慶田等[9]提出一種整體預制鋼-混組合梁橋結構，并認為該結構在全壽命周期的經濟性能方面優于現有的預制結構。

鋼-混組合梁橋結構新穎，其組合效應使受力特點不同于以往常用的混凝土結構或者鋼結構，因此，該結構形式的施工過程及成橋后受力特點值得關注。本文基于以上熱點問題，依托某鋼-混組合梁四跨連續梁橋實際工程，建立全橋桿系有限元模型，分析該結構體系在施工過程中的應力變化及變形情況，并基于以上分析結果為工程施工提供借鑒。

2 鋼-混組合梁橋整體設計

合肥某市政道路工程，全長6.4 km。該工程主線1號橋第37 聯（113#墩～117#墩）采用 42 m+2×70 m+42 m鋼-混組合梁結構跨越繞城高速橋梁（高速橋跨結構16 m+20 m+16 m簡支箱梁），與繞城高速斜交59.56°，中心樁號為K5+040.32（對應繞城高速中心樁號K18+547）。下部結構采用雙柱式矩形橋墩，基礎采用現澆承臺接群樁基礎，樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑分別為1.5 m和2.0 m。上部結構為現澆預應力混凝土橋面板，混凝土強度標號為C50，鋼主梁采用Q345D型鋼梁，混凝土橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接。

3 鋼-混組合梁橋整體受力性能分析

3.1 有限元模型建立

該橋為42 m+2×70 m+42 m鋼-混組合梁連續梁橋。根據設計圖紙提供的結構布置，采用有限元分析模型MIDAS/CIVIL建立結構有限元分析模型。建模過程中，考慮結構自重、二期恒載以及混凝土收縮徐變作用。主梁以梁單元模擬，主梁自重采用主梁截面模擬，混凝土密度采用26 kN/m3，鋼絞線及鋼材容重為78.5 kN/m3，橋面鋪裝與防撞欄混視為二期恒載，換算成節點荷載形式施加；鋼-混組合梁截面采用施工階段聯合截面，定義混凝土為時間依存性材料，混凝土收縮徐變算法采用JTG D62—2012《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》算法，混凝土加載齡期按7 d計算，構件的理論厚度算法按公路橋梁規范執行，收縮徐變計算至主橋竣工后10 a。橫隔板、墩頂混凝土以節點荷載形式施加，考慮橋梁體外縱向預應力束。

混凝土等級C50，主橋系桿拱橋鋼結構上部結構采用Q345qD，預應力鋼絞線采用φ15.20 mm高強度低松弛鋼絞線。全橋共分為155個節點，112個單元。如未特別說明，本文采用如下符號約定：豎向位移及變形向上為正，向下為負；壓應力為負、拉應力為正。

3.2 施工階段模擬

根據施工圖紙設計的施工步驟劃分施工階段，將（1～2）合并為第一、二階段，將（3～4）合并為第三、四階段，將（5）劃分為第五階段-中跨混凝土與第五階段-支座混凝土2個階段，將（6）定義為體外預應力束張拉后階段，最后考慮二期及10年徐變2個階段。對該鋼-混組合梁結構進行施工過程仿真計算分析，設置與實際情況相一致的約束邊界條件，臨時墩梁之間受壓彈性連接，永久墩梁之間采用固結，墩底按四跨連續梁布置邊界約束，得到施工階段各個構件的內力及位移分布情況。

3.3 施工階段組合梁鋼結構應力分析

從不同施工階段組合梁鋼結構部分應力結果可以得到，在混凝土橋面板澆筑前，鋼結構應力最大值出現在上跨繞城高速段70 m跨跨中臨時墩位置，第一、二、三、四階段該位置處鋼結構最大應力值為21.56 MPa；在第五階段中跨混凝土澆筑開始后，鋼結構應力最大值一直出現在115#永久墩位置處，施工過程中該位置處鋼結構應力最大值在表1中列出。從表1可以看出：支座混凝土澆筑完成時，鋼結構最大應力值出現最大值，為169.6 MPa，按照JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》中3.2.1條規定，主梁鋼材厚度屬16～40 mm范圍內，取Q345qD抗壓強度270 MPa。由此可得，施工階段組合梁應力情況滿足規范要求；體外預應力束張拉能夠緩解組合梁鋼結構受力狀態，使組合梁鋼結構整體應力水平降低；考慮混凝土橋面板徐變情況，組合梁鋼結構應力水平隨時間緩慢減小。

表1 施工階段鋼結構應力最大值情況

3.4 施工階段組合梁混凝土橋面板應力分析

從不同施工階段組合梁混凝土橋面板部分應力分布可以得到，中跨混凝土橋面板澆筑時，混凝土橋面板全截面受壓，處于理想受壓安全狀態；支座混凝土橋面板澆筑后，混凝土橋面板應力最大值一直出現在115#永久墩位置處，施工過程中該位置處混凝土橋面板應力最大值在表2列出。表2可看出：10年徐變時，混凝土橋面板最大應力值出現最大值，為3.13 MPa，存在開裂風險；按JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》規定，C50抗拉強度標準值為ftk=2.6 MPa，可得施工過程中及成橋時組合梁混凝土橋面板應力情況滿足規范要求；體外預應力束張拉能夠緩解組合梁混凝土橋面板受力狀態。

表2 施工階段混凝土橋面板應力最大值情況

3.5 施工階段組合梁豎向變形分析

從不同施工階段組合梁豎向變形結果可得到，中跨混凝土橋面板澆筑前，由于設置臨時支墩，組合梁豎向撓度非常小；支座混凝土橋面板澆筑后，組合梁豎向變形最大值出現在中間兩跨跨中位置處，由于模型對稱數值相等，施工過程中組合梁豎向變形最大值在表3中列出。從表3可看出：施工過程中鋼-混組合梁變形較大，應考慮設置施工預拱度；混凝土徐變對該鋼-混組合梁變形影響不大；體外預應力束張拉能夠緩解組合梁變形狀態。

表3 施工階段組合梁豎向變形最大值情況

4 結論

該鋼-混組合梁在施工過程中鋼結構與混凝土橋面板應力及變形狀態合理，考慮混凝土徐變過程，鋼-混組合梁鋼結構部分應力隨時間增長而降低，混凝土橋面板應力隨時間增長而增高，混凝土徐變對組合梁變形影響不大。