鋼- 混組合梁橋不同施工方法恒載作用效應(yīng)分析

付 嬈，龐 聰，鄭澤宇，丁俊凱，陳梧烽

（1.深圳市路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 深圳；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州）

鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)。同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，可以減輕自重，減小地震作用，減小構(gòu)件截面尺寸，增加構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性等[1]。

鋼- 混組合結(jié)構(gòu)的工作性能在施工階段存在差異。根據(jù)臨時支撐條件的有無，可分為活載組合梁和恒載組合梁兩種形式?；钶d組合梁在施工階段能有效降低負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的拉應(yīng)力，改善開裂問題，并提升抗扭性能。2014 年，張通[2]利用有限元法研究了活載組合梁的受力性能和構(gòu)造方法，發(fā)現(xiàn)其能有效改善極限承載力，提高抗扭剛度。2019 年，張鑫[3]通過模擬計算研究了組合梁橋施工階段的力學(xué)行為，結(jié)果顯示活載組合梁能有效改善負(fù)彎矩區(qū)開裂。2022年，楊永琛[4]采用有限元法研究了大跨度活載組合梁的受力性能，并發(fā)現(xiàn)其能提升抗扭承載力。恒載組合梁結(jié)構(gòu)能保證施工階段負(fù)彎矩區(qū)域混凝土在恒載作用下為無應(yīng)力狀態(tài)。此外，由于所需承受的荷載較小，鋼梁剛度也較小，能減緩支點處混凝土的開裂。2015年，王力波[5]通過有限元和試驗研究了恒載組合梁的受力性能，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼材設(shè)計強度，使用恒載組合梁能提高鋼主梁的承載能力。2017 年，劉鵬[6]通過有限元法研究了施工階段下恒載組合梁混凝土頂板的受力性能，確定了施工階段采用恒載組合梁能改進(jìn)抗拉性能。2018 年，陳碩[7]利用Abaqus 有限元軟件建立了組合連續(xù)梁橋整體桿系模型，并進(jìn)行了參數(shù)化分析，結(jié)果顯示施工階段采用恒載組合梁會改變支點處混凝土板的受力狀態(tài)，減緩混凝土的開裂時間。

為了研究上述兩種結(jié)構(gòu)形式對組合連續(xù)梁截面內(nèi)力的影響，本文以某3×40 m 等截面鋼- 混凝土組合連續(xù)梁橋為例，利用理論與有限元結(jié)合的方法研究了兩種結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)性能和受力機理，并對其應(yīng)力分布情況進(jìn)行了詳細(xì)地分析，從而為組合梁的設(shè)計方法提供理論支持。

1 工程概況與有限元模型

1.1 工程概況

以某3×40 m 等截面鋼- 混凝土組合連續(xù)梁橋為例，中跨計算跨徑為40 m，邊跨計算跨徑為39.5m。橋面全寬12.8 m，單向3 車道，主梁間距3.2 m，兩側(cè)橋面板懸挑1.6 m。組合梁全高為1.94 m，其中鋼板梁梁高為1.6 m。鋼板梁間的混凝土橋面板厚度為240 mm，懸臂板端部板厚也為240 mm，鋼板梁上方包括承托的厚度為340 mm，承托過渡段高寬比為1:1。鋼板梁的上翼緣板寬為600 mm，厚度為24 mm；下翼緣板寬為800 mm，厚度為36 mm；鋼梁腹板厚度為18 mm。腹板僅設(shè)置橫向加勁肋不設(shè)縱向加勁肋，加勁肋間距為2 000 mm，加勁肋寬200 mm，厚20 mm。有與橫向聯(lián)結(jié)系連接的橫向加勁肋雙側(cè)布置，其他為單側(cè)布置。梁間橫向聯(lián)結(jié)系順橋向每4 m 設(shè)置一道。鋼板梁與橋面混凝土通過焊釘連接件組合，鋼板梁上翼緣共布置4 列焊釘，焊釘連接件直徑為Φ22，焊釘熔后長度180 mm 。汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，見圖1。

圖1 連續(xù)組合梁布置及尺寸圖（單位：mm）

1.2 有限元模型

選取中梁作為示例，混凝土板選用C3D8R 單元，鋼梁采用選用S4R 單元，栓釘選用彈簧單元，如圖2所示。依據(jù)彈性設(shè)計方法分析各種作用效應(yīng)，將各模型梁相關(guān)材料彈性模量代入即可。約束、接觸關(guān)系及邊界條件依據(jù)連續(xù)梁約束原則，分別對支座耦合點進(jìn)行設(shè)置。

圖2 組合連續(xù)單梁有限元模型

2 活載組合梁分析

活載組合梁所采用的具體施工方法如下：①架設(shè)鋼梁→②澆筑正彎矩混凝土板→③澆筑負(fù)彎矩混凝土板→④施加二期恒載。其中負(fù)彎矩區(qū)段取中支座范圍0.15 L 長度即12 m，二期恒載包括橋面鋪裝與混凝土防撞護(hù)欄。

2.1 縱向應(yīng)力理論解

通過建立3×40 m 活載組合梁模型，并基于結(jié)構(gòu)的對稱性，中跨跨中處以及支點處共2 個控制截面，依次命名為1、2 號截面。以中梁為例，通過施加自重以及均布荷載的方式，得到施工階段不同步驟的累計彎矩值。

依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）[8]中5.1.8 及11.2.1 第三條的要求，采用計算有效寬度的方法來考慮組合梁產(chǎn)生的剪力滯效應(yīng)，并結(jié)合規(guī)范對抗彎計算的要求，對各階段控制截面的鋼梁以及混凝土板進(jìn)行應(yīng)力計算。得到對應(yīng)控制截面在不同階段的應(yīng)力解即所需理論解，將其匯總于表1中。

表1 活載組合梁控制截面應(yīng)力值匯總（單位：MPa）

2.2 縱向應(yīng)力數(shù)值解

為驗證數(shù)值解與理論解的擬合情況，在ABAQUS中對沿跨徑方向的關(guān)鍵截面進(jìn)行應(yīng)力提取，即選取縱向應(yīng)力S11，分別對鋼梁及混凝土板取最大值作為數(shù)值解，將其匯總于表1 中。

2.3 縱向應(yīng)力對比分析

將上述階段所得理論解與數(shù)值解的累加值匯總于表1 中。

由表1 對比分析可知，有限元模型模擬的彎曲正應(yīng)力沿跨徑方向的分布曲線與理論曲線分布規(guī)律基本相同，且兩者數(shù)值吻合程度較高，鋼梁應(yīng)力值誤差在5%以內(nèi)，混凝土板應(yīng)力值誤差在10%以內(nèi)。但上述造成的誤差在合理范圍內(nèi)且混凝土板基數(shù)較小，故可以認(rèn)為該結(jié)果可以較好地反映組合連續(xù)梁的應(yīng)力分布情況?？梢钥闯?，鋼梁與混凝土板應(yīng)力均處于容許應(yīng)力范圍內(nèi)。

3 恒載組合梁分析

恒載組合梁所采用的具體施工方法如下：①架設(shè)鋼梁→②澆筑正彎矩混凝土板→③拆除臨時支撐→④澆筑負(fù)彎矩混凝土板→⑤施加二期恒載。其中負(fù)彎矩區(qū)段同樣取中支座范圍0.15 L 長度即12 m，二期恒載同活載組合梁。

3.1 縱向應(yīng)力理論解

建立3×40 m 恒載組合梁模型，相比活載組合梁，每跨間等間距增加了2 個臨時支撐。同時，對于控制截面的選取，與活載組合梁設(shè)置點位保持一致。得到對應(yīng)控制截面在不同階段的應(yīng)力解即所需理論解，將其匯總于表2 中，計算方法與上述公式相同，不再贅述。

3.2 縱向應(yīng)力數(shù)值解

同樣對沿跨徑方向的關(guān)鍵截面進(jìn)行應(yīng)力提取，即選取縱向應(yīng)力S11，分別對鋼梁及混凝土板取最大值作為數(shù)值解，將其匯總于表2 中，各階段實現(xiàn)方法參照活載組合梁即可。

3.3 縱向應(yīng)力對比分析

將上述階段所得理論解與數(shù)值解的累加值匯于表2 中，如下所示。

由表2 的對比分析可知，有限元模型模擬沿跨徑方向的分布曲線與理論曲線分布規(guī)律基本相同，且兩者數(shù)值吻合程度較高，鋼梁應(yīng)力值誤差在5%以內(nèi)，混凝土板應(yīng)力值誤差在10%以內(nèi)，誤差原因在活載組合梁中提及，這里不再贅述，故認(rèn)為該結(jié)果處于可接受范圍內(nèi)。

可以看出，鋼梁與混凝土板應(yīng)力均處于容許應(yīng)力范圍內(nèi)。同時，雖然設(shè)置臨時支撐對混凝土板表面產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力，但拉應(yīng)力的控制與不設(shè)置基本相同。

4 兩種不同施工方法組合梁對比

為了更直觀看到不同施工方法對應(yīng)力影響的水平，將兩者施工階段應(yīng)力累加值放入圖3 中對比分析。

圖3 兩種施工方法縱向彎曲正應(yīng)力分布比對圖（施工階段應(yīng)力累加）

圖3 中，整個施工階段，恒載組合梁相較于活載組合梁，鋼梁上翼緣最大壓應(yīng)力可從37.5%降低至1.3%，最大拉應(yīng)力可從44.4%降低至31.6%；下翼緣最大拉應(yīng)力可從32.4%降低至26.5%，最大壓應(yīng)力從35.7%減小至28.0%。而混凝土板上表面最大壓應(yīng)力從4.5%增至20.5%，拉應(yīng)力基本保持不變在54.6%左右；下翼緣最大壓應(yīng)力從1.8%增至9.8%，拉應(yīng)力也維持同一水平28.4%。可以看出，對于上翼緣邊跨最大彎矩處改善效果明顯，鋼梁整體應(yīng)力幅的降低也能夠使得鋼梁更好地滿足彈性設(shè)計要求。而對于混凝土板來說，該施工方法雖然增大了翼緣的壓應(yīng)力水平，但拉應(yīng)力控制效果與活載組合梁相同。

綜上，恒載組合梁能夠把梁體承擔(dān)的一期恒載轉(zhuǎn)由臨時支撐承擔(dān)，很好地改善鋼梁的受力狀態(tài)，特別是對鋼梁上翼緣邊跨最大壓應(yīng)力的限制，從而減小施工階段鋼梁截面的應(yīng)力值，以達(dá)到降低鋼梁應(yīng)力水平的效果。

5 結(jié)論

（1） 有限元模型模擬的彎曲正應(yīng)力沿跨徑方向的分布曲線與理論曲線分布規(guī)律基本相同，且兩者數(shù)值吻合程度較高，鋼梁應(yīng)力值誤差在5%以內(nèi)，混凝土板應(yīng)力值誤差在10%以內(nèi)。但上述造成的誤差在合理范圍內(nèi)且混凝土板基數(shù)較小，故認(rèn)為該結(jié)果可以較好地反映組合連續(xù)梁的應(yīng)力分布情況。

（2） 施工階段中采用臨時支撐相較于不采用臨時支撐，鋼梁上翼緣最大壓、拉應(yīng)力分別降低了36.2%和12.8%，鋼梁下翼緣最大拉、壓應(yīng)力分別降低了5.9%和7.7%。采用臨時支撐對鋼梁應(yīng)力改善程度較大，且對鋼梁上翼緣的影響要大于下翼緣。

（3） 施工階段中采用臨時支撐相較于不采用臨時支撐，混凝土板上表面最大壓應(yīng)力增加了16.0 %，拉應(yīng)力基本保持54.6%左右不變，混凝土板下表面最大壓應(yīng)力增加了8.0%，拉應(yīng)力基本保持28.4%左右不變。采用臨時支撐并不會增加混凝土板開裂的風(fēng)險，同時在一定程度上能夠更好地利用混凝土板的抗壓性能。