基于精細化模型的整體預制組合箱梁結構優化及施工工藝研究

金宇豪 孫斌 孫九春 龐丹丹

（1 同濟大學；2 騰達建設集團股份有限公司）

20 世紀60 年代以來，組合結構以其整體受力的經濟性、發揮兩種材料優勢的合理性以及便于施工的突出優點而得到廣泛應用[1-2]。目前我國的組合結構橋梁建造的基本方法是：首先在工廠進行鋼結構的制造，運輸到工地現場后安裝到橋梁設計位置，然后進行混凝土橋面板的施工。傳統施工方法由于受到結構設計的限制，構件的數量多、現場吊裝作業量大、施工速度慢，已經不能滿足高速發展的交通道路建設需要[3]。

整體預制組合梁橋可以顯著降低現場作業量，加快施工速度，彌補傳統組合梁橋施工方法的缺陷。近年來，有眾多學者對整體預制組合梁橋的設計、施工方法進行探討。宋勇強[4]等在總結裝配式組合梁分類、發展歷程和安裝工藝的基礎上，開展了裝配式組合梁連接構造和整體受力性能研究。魏一絎[5]等對35m標準跨徑的整體預制鋼混組合梁進行上部結構設計，并采用Midas Civil 建立桿系有限元模型，進行負彎矩區受力性能改善方法比選。羅攀[6]對50m 跨徑工字組合梁橋設計、施工進行了詳細介紹，對比分析了整體預制梁的應力和經濟性差異，探討了混凝土板收縮徐變影響、裂縫控制等設計關鍵技術。當前研究往往基于桿系有限元模型進行參數分析和驗算，忽略鋼混交界面的滑移，從而給結論帶來了不可靠因素。

本研究依托某整體預制組合箱梁橋，建立板殼-實體精細化有限元模型，在考慮施工過程的同時，兼顧鋼板、剪力釘和混凝土的之間的復雜相互作用。通過對鋼底板厚度、鋼腹板厚度和跨中壓重大小開展參數分析，得到結構受力性能隨各參數的變化規律，以期對后續類似工程設計提供指導。

1 工程概況

某整幅式連續梁橋跨徑布置為35m+35m+30m，橋梁單幅寬度30m，設計荷載等級為公路I級，車道設計標準為雙向七車道。連續梁橋上部結構采用鋼-混凝土板組合箱梁，橋面板采用強度等級為C40 的混凝土，鋼構件均采用Q345鋼材。主梁橫向由7片組合箱梁構成，其中一片中梁的標準橫斷面如圖1所示。

圖1 中梁標準橫斷面

本橋采用整體預制法施工，具體流程如下：

⑴在工廠預制鋼梁、焊接剪力釘，以鋼梁為胎架綁扎鋼筋，澆筑預制部分混凝土橋面板；

⑵分跨架設組合梁，置于墩頂臨時支座上；

⑶綁扎縱向濕接縫鋼筋，逐孔澆筑縱向濕接縫，單跨內橫向形成整體；

⑷縱向濕接縫養護完成后，對每片梁跨中部分堆載預壓，堆載范圍為跨中15m范圍內；

⑸綁扎橫向濕接縫及橫梁鋼筋，從端橫梁向中橫梁澆筑橫向濕接縫及橫梁；

⑹橫向濕接縫及橫梁混凝土達到設計強度后，安裝中墩永久支座，拆除臨時支座，完成簡支變連續體系轉換；

⑺卸去跨中預壓堆載；

⑻附屬設施施工，至此全橋施工完成。

2 有限元模型

2.1 概述

采用ANSYS 建立橋梁板殼-實體有限元模型，開展局部受力分析。為減小計算規模，僅選取縱向半跨、橫向3 片進行建模加載（如圖2 所示），并取中間一片梁的結果作為計算結果。

圖2 局部模型示意圖

計算時考慮結構自重、二期鋪裝和車輛荷載。二期鋪裝根據圖紙，以面荷載的形式施加。車輛荷載采用《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）[7]中的車輛荷載模型。

鋼板、剪力釘和混凝土分別采用Shell63 單元、Beam189單元和Solid95單元模擬，鋼板和剪力釘，以及混凝土和剪力釘之間采用共節點的方式耦合位移。單元最大尺寸為0.2m，模型共由27182 個Shell63 單元、15300個Beam189單元和837499個Solid95單元構成。

2.2 施工步驟

采用ANSYS 的生死單元考慮施工過程。根據本橋設計，擬定以下荷載步：

步驟1：架設鋼梁和混凝土預制段，直接激活對應單元。支座處節點約束豎向位移，跨中處節點約束縱橋向位移。

步驟2：澆筑縱向濕接縫。本過程濕接縫混凝土僅計入重量，不參與受力，在模型中將濕接縫混凝土重量按照均布力施加到已有結構上。約束條件與上步一致。

步驟3：縱向濕接縫參與承載。激活濕接縫混凝土單元并撤去上一步中的均布力。約束條件與上步一致。

步驟4：預壓堆載。按照設計，每片梁預壓50kN/m堆載，范圍為跨中往外各7.5m。約束條件與上步一致。

步驟5：架設鋼頂板后拼段，澆筑支座處混凝土。與縱向濕接縫類似，本過程支座處混凝土僅計入重量，不參與受力。約束條件與上步一致。

步驟6：支座處混凝土現澆段參與承載。激活現澆段混凝土單元并撤去上一步中的均布力。約束條件與上步一致。

步驟7：簡支變連續，卸去跨中堆載。支座處節點約束全部自由度，跨中節點仍僅約束縱向位移，此即為成橋狀態的約束條件。

步驟8：施加二期鋪裝。

步驟9：施加車輛荷載。

3 參數分析

本研究取鋼底板厚度、鋼腹板厚度和跨中壓重大小作為可變參數，探討這些參數對運營階段（也即步驟9）混凝土頂板中支點處最大縱向拉應力和跨中最大縱向壓應力、鋼腹板最大Mises 應力、跨中最大豎向位移的影響，通過參數分析確定參數的合理取值。

3.1 鋼底板厚度

取鋼底板厚度依次為30mm、32mm、35mm、38mm、40mm，得到其對各個關心參數的影響，如圖3 所示。圖中縱坐標為各個關心參數與底板厚35mm的比值，具體數值見表1。表中tb為鋼底板厚度，σt為混凝土頂板中支點處最大拉應力，σc為混凝土頂板跨中最大壓應力，σM為鋼腹板最大Mises應力，δ為跨中最大豎向位移。

表1 關心參數隨鋼底板厚度變化

圖3 關心參數相對值隨鋼底板厚度變化

由分析結果可知，在鋼底板厚度由30mm增大至40mm的過程中，混凝土頂板中支點處最大拉應力、鋼腹板最大Mises 應力和跨中最大豎向位移均略微減小，而混凝土頂板跨中最大壓應力幾乎不變。

需要指出的是，根據應力云圖結果，本研究中的鋼腹板最大Mises 應力均出現在支點腹板與底板交界處，如圖4黃色區域所示。因此選取鋼腹板的最大Mises應力作為關心參數，一方面充分反映了底板的最不利受力情況，另一方面也規避了因為底板應力集中對應力最值造成的干擾。因此，鋼底板厚度由30mm增大至40mm時，鋼腹板最大Mises 應力由120.2MPa 減小至105.0MPa，實質上反映的是鋼底板厚度增大對其底板自身應力降低的有利影響。

圖4 鋼箱局部應力云圖

3.2 鋼腹板厚度

取鋼腹板厚度依次為10mm、12mm、14mm、16mm、18mm，得到其對各個關心參數的影響，如圖5 所示。圖中縱坐標為各個關心參數與腹板厚14mm的比值，具體數值見表2。表中tw為鋼腹板厚度，其余與上文一致。

表2 關心參數隨鋼腹板厚度變化

圖5 關心參數相對值隨鋼腹板厚度變化

根據參數分析結果，當鋼腹板厚度由10mm增大至18mm時，鋼腹板自身的最大Mises 應力出現明顯減小，由126.3MPa降至104.3MPa。跨中最大豎向位移也由于截面剛度的增大而小幅降低。另外，混凝土板的應力幾乎不隨鋼腹板厚度變化。

3.3 跨中壓重

跨中壓重被廣泛應用于組合梁橋施工中，用以改善負彎矩區受力性能。本節取跨中壓重大小依次為40kN/m、50kN/m、60kN/m、70kN/m、80kN/m，得到其對各個關心參數的影響，如圖6 所示。圖中縱坐標為各個關心參數與跨中壓重取60kN/m的比值，具體數值見表3。表中p為跨中壓重大小，其余與上文一致。

表3 關心參數隨跨中壓重變化

圖6 關心參數相對值隨跨中壓重變化

由圖6和表3可知，隨著跨中壓重增大，混凝土頂板跨中最大壓應力、鋼腹板最大Mises 應力和跨中最大豎向位移均出現了一定程度的提高，而混凝土頂板支座處的最大拉應力則顯著減小，由2.41MPa降低至1.10MPa，降幅54.4%。

因此，在施工過程中增大壓重，是抑制成橋后墩頂負彎矩區開裂的一項經濟而有效的措施。同時需要注意的是，增大跨中壓重會帶來成橋后主梁豎向位移的增大，因此在設計時需要綜合考慮主梁預拱度的設置。

4 結語

本文針對整體預制組合箱梁結構尺寸及施工工藝優化問題，基于背景工程，建立精細化板殼-有限元模型，開展參數分析，得到鋼底板厚度、鋼腹板厚度和跨中壓重對結構受力性能的影響規律，結論如下。

⑴提高鋼底板厚度可以略微改善鋼底板和腹板的受力情況，但對混凝土頂板應力和結構整體剛度的影響較小。

⑵提高鋼腹板厚度在一定程度上可以降低鋼腹板本身的應力，但對混凝土頂板受力幾乎不產生影響。

⑶配置跨中壓重是改善負彎矩區混凝土頂板受力性能的一項有力措施，增大跨中壓重可以顯著降低墩頂混凝土板的縱向拉應力，但同時也會提高恒載作用下主梁的豎向變形，后者可以通過在設計時增大預拱度來彌補。