鋼-混組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂措施

閆 龍，賈新卷，盧志芳，鄧曉光

(1.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點實驗室，武漢 430070；2.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，武漢 430070)

鋼-混凝土組合梁橋可以充分利用兩種材料的優(yōu)點，提高結(jié)構(gòu)的承載能力、減輕自重、減少材料用量。但是在組合連續(xù)梁的負(fù)彎矩區(qū)存在著混凝土橋面板易開裂的問題。為了減少連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板開裂的問題，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了很多行之有效的方法，如：跨中配重法、支點頂升回落法、布置預(yù)應(yīng)力鋼束以及采用高性能混凝土等方法。該文采用支點頂升回落的方法使負(fù)彎矩區(qū)橋面板產(chǎn)生壓應(yīng)力儲備，以提高橋面板的抗裂性能。

近年來，很多專家學(xué)者對于支點頂升回落施工工藝開展了分析研究。劉沐宇等[1，2]以港珠澳大橋為工程背景，通過有限元分析和模型試驗研究，采用支點頂升與回落、縱向預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置和采用高抗裂混凝土橋面板材料，獲得負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板很好的抗裂性能，明確了支點頂升合理高度；李泉彬[3]對于曲線鋼混組合梁的中支點頂升回落進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明：該橋采用雙支點不等位移頂升的方法可以在保證梁體應(yīng)力水平合理的同時獲得更大的橋面板預(yù)壓應(yīng)力；劉萌[4]以一大跨連續(xù)梁橋為例，利用有限元仿真技術(shù)建立函數(shù)控制梁體頂升高度，保證混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力，實踐表明：基于信息化平臺的頂升工藝安全可靠。

采用支點頂升回落施工工藝可以提高組合梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂性能。但是，支點頂升合理高度的確定是施工中面臨的重要問題。在頂升施工的過程中，需要精確控制頂升高度，在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和施工安全的同時，提供足夠的橋面板壓應(yīng)力儲備。因此，對支點頂升回落施工過程進(jìn)行分析是十分必要的。

1 工程概況

大廣高速某段跨線橋為40+43 m鋼-混凝土組合連續(xù)梁。鋼梁采用槽形斷面，該橋處于超高漸變段上，超高從3.37%漸變到5%，鋼梁頂、底板按照4.2%固定超高平行設(shè)置，橋面板頂面按實際橋面超高澆筑，通過調(diào)整根部高度適應(yīng)超高變化，如圖1所示。

鋼梁節(jié)段在工場按整孔加工制作完成后，運輸?shù)浆F(xiàn)場，吊裝鋼梁，澆筑橋面板混凝土，然后進(jìn)行橋面鋪裝和防撞護(hù)欄的施工，具體步驟如下：

1)下部結(jié)構(gòu)施工，進(jìn)行地基夯實硬化處理，搭設(shè)鋼梁施工支架。

2)吊裝鋼梁節(jié)段，將鋼梁進(jìn)行焊接形成連續(xù)體系，完成探傷，并拆除臨時施工支架(應(yīng)確保鋼梁的橫向穩(wěn)定)；在兩側(cè)邊墩墩處壓重或臨時固結(jié)，在中墩頂處均勻頂升鋼梁。

3)搭設(shè)橋面支架，澆筑邊支點及跨中正彎矩區(qū)段混凝土。

4)待第一次澆筑段混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計值90%以上，齡期不小于10 d后拆除第一次模板。搭設(shè)第二次模板，澆注中墩頂負(fù)彎矩區(qū)橋面板混凝土。

5)待第二次澆筑段混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計值90%以上，齡期不小于10 d后拆除第二次模板，將中墩支承緩慢均勻回落至成橋標(biāo)高。

6)施工橋面鋪裝、防撞墻等附屬結(jié)構(gòu)。

6號墩支點頂升與回落的合理高度確定，是關(guān)系到該橋施工安全和保證橋面板優(yōu)異抗裂性能的關(guān)鍵問題。為此，采用Midas/Civil有限元軟件對施工過程進(jìn)行模擬與分析，以獲得合理的頂升高度。

2 全橋有限元模型建立

2.1 有限元模型參數(shù)確定

全橋采用Midas空間精細(xì)有限元模型，鋼梁采用板單元，混凝土橋面板采用實體單元。模型共包括24 232個節(jié)點，24 582個單元，如圖2所示。鋼梁與混凝土板采用剛結(jié)的形式連接，不考慮滑移效應(yīng)。

1)材料特性 鋼-混凝土連續(xù)組合梁橋所用材料參數(shù)見表1。

表1 材料性能表

2)荷載參數(shù)及加載方案選擇 恒載：一期恒載為結(jié)構(gòu)自重，二期鋪裝為68.8 kN/m，按4.234 kN/m2施加單元面荷載。

活載：根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60—2004)，采用的車道荷載為公路I級車道荷載。

溫度荷載：升溫：結(jié)構(gòu)整體升溫+25 ℃；降溫：結(jié)構(gòu)整體溫度降低-20 ℃；梯度溫度：按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60—2004)中的相關(guān)規(guī)定對溫度梯度進(jìn)行取值。

2.2 施工階段劃分

有限元模擬的過程按照施工步驟進(jìn)行，對施工工況進(jìn)行劃分，采用荷載等效的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，從而能夠掌握橋梁施工過程中的力學(xué)性能變化。

1)鋼梁架設(shè)模擬：鋼梁部分包括鋼梁頂板、底板、腹板、加勁肋以及橫隔板，梁端設(shè)置兩個永久支座，中間設(shè)置一個永久支座及兩個臨時支座。

2)支點頂升回落模擬：鋼梁架設(shè)完成后，將中支點處鋼梁頂升一定高度，然后澆筑跨中及支點處混凝土，混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，將支點回落，此時混凝土中便產(chǎn)生相應(yīng)的壓應(yīng)力，為成橋運營階段負(fù)彎矩區(qū)抗裂提供足夠的應(yīng)力儲備。

3)澆筑混凝土模擬：混凝土澆筑分為兩個階段，第一階段為澆筑40 m、43 m跨中混凝土，澆筑時計算濕混凝土重量，成型后混凝土板參與受力；第二階段為澆筑支座處混凝土，待混凝土成型后，形成連續(xù)的組合橋面板結(jié)構(gòu)，承擔(dān)和傳遞荷載作用。

根據(jù)施工步驟，將施工階段劃分如下：

工況1：架設(shè)鋼梁

工況2：頂升

工況3：澆筑跨中混凝土

工況4：激活跨中混凝土板

工況5：澆筑支點混凝土

工況6：激活支點混凝土板

工況7：回落

工況8：體系轉(zhuǎn)換

工況9：二期恒載

3 支點頂升回落施工過程分析

3.1 頂升高度的確定

頂升高度是頂升回落施工技術(shù)的重要控制指標(biāo)，頂升高度的取值既要保證施工過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又要使成橋后橋面板壓應(yīng)力儲備盡量大。因此，在22 cm、24 cm、26 cm、28 cm和30 cm頂升高度下，對所建立的有限元模型進(jìn)行分析計算，結(jié)果見表2、表3。

表2 頂升工況下不同頂升高度對比

表3 成橋后不同頂升高度對比

通過以上對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頂升高度在30 cm時，40 m跨左端外側(cè)支座支反力為-18.1 kN，此時該支座發(fā)生脫空現(xiàn)象，如圖3所示，說明30 cm 的頂升高度取值過大；當(dāng)頂升高度在22～30 cm變化時，成橋后，組合連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板壓應(yīng)力儲備呈逐漸增大的規(guī)律，因此最終頂升高度取28 cm，可以使橋面板最終壓應(yīng)力儲備為-7.9 MPa。

3.2 全橋空間應(yīng)力分布

通過上節(jié)的對比分析，獲得了頂升與回落的合理高度為28 cm，為此，開展進(jìn)一步的空間應(yīng)力分析以確保橋梁施工過程的安全性。

在頂升高度為28 cm情況下，根據(jù)所劃分的施工階段進(jìn)行分析計算后發(fā)現(xiàn)，工況五為最不利工況，限于篇幅，該文僅給出工況五的具體計算結(jié)果。采用均布荷載的形式模擬負(fù)彎矩區(qū)混凝土的自重，分析負(fù)彎矩區(qū)混凝土濕重作用下鋼梁的受力性能。

中支點處鋼梁的頂板中產(chǎn)生最大拉應(yīng)力為203.5 MPa，鋼梁底板相應(yīng)產(chǎn)生的壓應(yīng)力最大值為-155.2 MPa；43 m跨鋼梁頂板最大壓應(yīng)力為-69.6 MPa，鋼梁底板最大拉應(yīng)力為42.8 MPa；40 m跨鋼梁頂板最大壓應(yīng)力為-47.4 MPa，鋼梁底板最大拉應(yīng)力為28.3 MPa，此時鋼梁頂板拉應(yīng)力達(dá)到較高的水平，但仍在安全范圍內(nèi)，見圖4。

鋼梁的腹板中應(yīng)力分布呈現(xiàn)出豎向的線性變化特點。中支點鋼梁腹板與底板交界處最大壓應(yīng)力為-126.4 MPa，與上翼緣板交界處最大拉應(yīng)力為195.6 MPa，均處于安全范圍內(nèi)，表明施工過程橋梁結(jié)構(gòu)受力是安全的，見圖5。

3.3 橋面板受力分析

合理頂升高度的確定后，對成橋狀態(tài)下全橋進(jìn)行活載加載分析，在最不利荷載組合作用下，混凝土橋面板受力情況，見圖6。

由圖6可知，在最不利荷載組合作用下，負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板壓應(yīng)力最小值為-0.9 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，說明混凝土橋面板具有很好的抗裂性能。

4 結(jié) 論

a.采用支點頂升與回落施工工藝，可以滿足該橋負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂性能要求，合理的頂升回落高度為28 cm。

b.施工過程最不利工況為工況五，在施工中應(yīng)給予高度重視。施工過程受力分析表明，橋梁結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求。

c.在最不利荷載組合作用下，負(fù)彎矩區(qū)橋面板未出現(xiàn)拉應(yīng)力，說明橋面板具有很好的抗裂性能。