鋼-混組合連續梁橋負彎矩區橋面板抗裂措施

閆 龍，賈新卷，盧志芳，鄧曉光

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

鋼-混凝土組合梁橋可以充分利用兩種材料的優點，提高結構的承載能力、減輕自重、減少材料用量。但是在組合連續梁的負彎矩區存在著混凝土橋面板易開裂的問題。為了減少連續梁負彎矩區橋面板開裂的問題，國內外專家學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、布置預應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彎矩區橋面板產生壓應力儲備，以提高橋面板的抗裂性能。

近年來，很多專家學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、縱向預應力筋設置和采用高抗裂混凝土橋面板材料，獲得負彎矩區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行了模擬分析。結果表明：該橋采用雙支點不等位移頂升的方法可以在保證梁體應力水平合理的同時獲得更大的橋面板預壓應力；劉萌[4]以一大跨連續梁橋為例，利用有限元仿真技術建立函數控制梁體頂升高度，保證混凝土不出現拉應力，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彎矩區橋面板抗裂性能。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，在保證結構穩定和施工安全的同時，提供足夠的橋面板壓應力儲備。因此，對支點頂升回落施工過程進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%固定超高平行設置，橋面板頂面按實際橋面超高澆筑，通過調整根部高度適應超高變化，如圖1所示。

鋼梁節段在工場按整孔加工制作完成后，運輸到現場，吊裝鋼梁，澆筑橋面板混凝土，然后進行橋面鋪裝和防撞護欄的施工，具體步驟如下：

1)下部結構施工，進行地基夯實硬化處理，搭設鋼梁施工支架。

2)吊裝鋼梁節段，將鋼梁進行焊接形成連續體系，完成探傷，并拆除臨時施工支架(應確保鋼梁的橫向穩定)；在兩側邊墩墩處壓重或臨時固結，在中墩頂處均勻頂升鋼梁。

3)搭設橋面支架，澆筑邊支點及跨中正彎矩區段混凝土。

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

5)待第二次澆筑段混凝土強度和彈性模量達到設計值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高。

6)施工橋面鋪裝、防撞墻等附屬結構。

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

2 全橋有限元模型建立

2.1 有限元模型參數確定

全橋采用Midas空間精細有限元模型，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個節點，24 582個單元，如圖2所示。鋼梁與混凝土板采用剛結的形式連接，不考慮滑移效應。

1)材料特性 鋼-混凝土連續組合梁橋所用材料參數見表1。

表1 材料性能表

2)荷載參數及加載方案選擇 恒載：一期恒載為結構自重，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《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60—2004)，采用的車道荷載為公路I級車道荷載。

溫度荷載：升溫：結構整體升溫+25 ℃；降溫：結構整體溫度降低-20 ℃；梯度溫度：按《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60—2004)中的相關規定對溫度梯度進行取值。

2.2 施工階段劃分

有限元模擬的過程按照施工步驟進行，對施工工況進行劃分，采用荷載等效的原則進行結構體系轉換，從而能夠掌握橋梁施工過程中的力學性能變化。

1)鋼梁架設模擬：鋼梁部分包括鋼梁頂板、底板、腹板、加勁肋以及橫隔板，梁端設置兩個永久支座，中間設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，混凝土強度達到要求后，將支點回落，此時混凝土中便產生相應的壓應力，為成橋運營階段負彎矩區抗裂提供足夠的應力儲備。

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，形成連續的組合橋面板結構，承擔和傳遞荷載作用。

根據施工步驟，將施工階段劃分如下：

工況1：架設鋼梁

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的重要控制指標，頂升高度的取值既要保證施工過程中結構的穩定性，又要使成橋后橋面板壓應力儲備盡量大。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行分析計算，結果見表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現，當頂升高度在30 cm時，40 m跨左端外側支座支反力為-18.1 kN，此時該支座發生脫空現象，如圖3所示，說明30 cm 的頂升高度取值過大；當頂升高度在22～30 cm變化時，成橋后，組合連續梁負彎矩區橋面板壓應力儲備呈逐漸增大的規律，因此最終頂升高度取28 cm，可以使橋面板最終壓應力儲備為-7.9 MPa。

3.2 全橋空間應力分布

通過上節的對比分析，獲得了頂升與回落的合理高度為28 cm，為此，開展進一步的空間應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，根據所劃分的施工階段進行分析計算后發現，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果。采用均布荷載的形式模擬負彎矩區混凝土的自重，分析負彎矩區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生最大拉應力為203.5 MPa，鋼梁底板相應產生的壓應力最大值為-155.2 MPa；43 m跨鋼梁頂板最大壓應力為-69.6 MPa，鋼梁底板最大拉應力為42.8 MPa；40 m跨鋼梁頂板最大壓應力為-47.4 MPa，鋼梁底板最大拉應力為28.3 MPa，此時鋼梁頂板拉應力達到較高的水平，但仍在安全范圍內，見圖4。

鋼梁的腹板中應力分布呈現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力為-126.4 MPa，與上翼緣板交界處最大拉應力為195.6 MPa，均處于安全范圍內，表明施工過程橋梁結構受力是安全的，見圖5。

3.3 橋面板受力分析

合理頂升高度的確定后，對成橋狀態下全橋進行活載加載分析，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，負彎矩區混凝土橋面板壓應力最小值為-0.9 MPa，未出現拉應力，說明混凝土橋面板具有很好的抗裂性能。

4 結 論

a.采用支點頂升與回落施工工藝，可以滿足該橋負彎矩區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，在施工中應給予高度重視。施工過程受力分析表明，橋梁結構受力滿足規范要求。

c.在最不利荷載組合作用下，負彎矩區橋面板未出現拉應力，說明橋面板具有很好的抗裂性能。