鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)受力改善措施對(duì)比

張 銳, 鄭凱鋒, 楊一維

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

鋼-混凝土組合梁橋?qū)⒒炷梁弯摬慕Y(jié)合起來共同參與受力，發(fā)揮了混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉性能[1]。在連續(xù)梁中，中支點(diǎn)處存在負(fù)彎矩區(qū)，使得混凝土板在拉應(yīng)力作用下容易開裂。混凝土板開裂不僅降低截面剛度，還會(huì)使有害介質(zhì)滲入裂縫，腐蝕鋼筋、連接鍵和鋼梁，影響組合梁的耐久性[2]。因此，負(fù)彎矩區(qū)的混凝土裂縫控制成為組合連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

為了抵抗負(fù)彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力，目前主要采取以下幾種措施：(1)調(diào)整混凝土橋面板的施工順序；(2)支點(diǎn)強(qiáng)迫位移法；(3)預(yù)壓法[3]，并在北京地鐵5號(hào)線立水橋～立水橋北站段第2聯(lián)結(jié)合梁橋[4]、深圳大學(xué)城某橋梁[5]、常州市馬公橋[6]、武漢二七長(zhǎng)江大橋非通航區(qū)連續(xù)梁橋[7]等多項(xiàng)工程中應(yīng)用。為研究以上幾種措施改善負(fù)彎矩區(qū)受力性能的效果，以某(33+44+33) m鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用Midas/civil軟件建立全橋梁?jiǎn)卧Ｐ停M施工過程，對(duì)比采用四種施工方法負(fù)彎矩大小和裂縫寬度。

1 工程概況

某(33+44+33) m連續(xù)梁橋主梁采用單箱單室鋼-混凝土組合箱梁，鋼梁采用Q345qD鋼材，混凝土橋面板采用C50混凝土。上部結(jié)構(gòu)布置見圖1，在中支點(diǎn)兩側(cè)11.5 m范圍內(nèi)梁高由2 m變高至2.5 m，其余梁段均為2 m等高。截面尺寸見圖2。

圖1 全橋上部結(jié)構(gòu)布置(單位:mm)

(a)邊支點(diǎn)截面

(b)中支點(diǎn)截面圖2 主梁截面(單位：mm)

2 施工方案

考慮混凝土橋面板整體澆筑、改變混凝土澆筑順序、支座強(qiáng)迫位移和預(yù)壓法四種施工方法，設(shè)計(jì)以下四種施工方案。圖1中，等高段混凝土為先澆混凝土，變高段混凝土為后澆混凝土。

2.1 橋面板整體澆筑

(1)基礎(chǔ)和墩臺(tái)施工；

(2)搭設(shè)中間臨時(shí)支墩，安裝架設(shè)鋼梁，主梁現(xiàn)場(chǎng)焊接為連續(xù)體系；

(3)拆除臨時(shí)支墩，澆筑橋面板混凝土；

(4)橋面鋪裝和附屬設(shè)施施工。

2.2 改變混凝土澆筑順序

(1)基礎(chǔ)和墩臺(tái)施工；

(2)搭設(shè)中間臨時(shí)支墩，安裝架設(shè)鋼梁，主梁現(xiàn)場(chǎng)焊接為連續(xù)體系；

(3)拆除臨時(shí)支墩，澆筑先澆段橋面板混凝土；

(4)待等高段混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值90 %后，澆筑后澆段橋面板混凝土；

(5)橋面鋪裝和附屬設(shè)施施工。

2.3 支點(diǎn)強(qiáng)迫位移法

(1)基礎(chǔ)和墩臺(tái)施工；

(2)搭設(shè)中間臨時(shí)支墩，將中墩墩頂設(shè)千斤頂抬高50 cm；

(3)安裝架設(shè)鋼梁，主梁現(xiàn)場(chǎng)焊接為連續(xù)體系；

(4)拆除臨時(shí)支墩，澆筑先澆段橋面板混凝土；

(5)待等高段混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值90 %后，澆筑后澆段橋面板混凝土；

(6)待后澆段橋面板混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值90 %后，將中墩頂鋼梁回落50 cm；

(7)橋面鋪裝和附屬設(shè)施施工。

2.4 預(yù)壓法

(1)基礎(chǔ)和墩臺(tái)施工；

(2)搭設(shè)中間臨時(shí)支墩，安裝架設(shè)鋼梁，主梁現(xiàn)場(chǎng)焊接為連續(xù)體系；

(3)拆除臨時(shí)支墩，澆筑先澆段橋面板混凝土；

(4)待先澆段混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值90 %后，在已澆筑的混凝土橋面板上按照400 kg/m2均勻砂袋堆載[8]；

(5)澆筑后澆段橋面板混凝土，養(yǎng)護(hù)至強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值90 %后，清除堆載；

(6)橋面鋪裝和附屬設(shè)施施工。

3 有限元模型建立

采用Midas/civil軟件建立全橋梁?jiǎn)卧Ｐ停鐖D3所示。通過施工階段聯(lián)合截面模擬鋼梁的架設(shè)和混凝土頂板的澆筑。支座頂升通過節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移模擬。

荷載考慮自重、二期恒載、溫度作用、汽車荷載、混凝土收縮徐變和支座沉降等荷載作用。

圖3 有限元模型

4 施工階段鋼梁應(yīng)力計(jì)算

在施工過程中，鋼梁為主要受力構(gòu)件，各施工方法在施工過程中鋼梁應(yīng)力最大值和最小值見表1。采用橋面板整體澆筑和改變混凝土澆筑順序兩種施工方法時(shí)，各施工階段鋼梁應(yīng)力較小。采用支點(diǎn)強(qiáng)迫位移法時(shí)，在負(fù)彎矩區(qū)混凝土澆筑后鋼梁應(yīng)力最大，最大拉應(yīng)力為121.59 MPa，最大壓應(yīng)力為102.25 MPa。采用預(yù)壓法時(shí)，在負(fù)彎矩區(qū)混凝土澆筑后鋼梁應(yīng)力最大，最大拉應(yīng)力為184.48 MPa，最大壓應(yīng)力為153.29 MPa。

表1 施工階段鋼梁應(yīng)力 MPa

5 成橋階段橋面板應(yīng)力計(jì)算

成橋階段為橋面鋪裝和附屬設(shè)施施工完成，還未通車的階段。此階段全橋混凝土橋面板縱向應(yīng)力分布如圖4所示。混凝土橋面板整體澆筑時(shí)，中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)混凝土拉應(yīng)力最大，為3.06 MPa。采取改善措施后，橋面板成橋拉應(yīng)力均有所降低。改變混凝土澆筑順序后，橋面板成橋最大拉應(yīng)力為2.70 MPa；采用支點(diǎn)強(qiáng)迫位移法和預(yù)壓法后，成橋階段頂板處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力分別為3.60 MPa和2.98 MPa，應(yīng)力匯總見表2。

(a)混凝土橋面板整體澆筑

(b)改變混凝土澆筑順序

(c)支點(diǎn)強(qiáng)迫位移法

(d)預(yù)壓法圖4 成橋階段混凝土橋面板應(yīng)力(MPa)

施工方案應(yīng)力混凝土橋面板整體澆筑+3.06改變混凝土澆筑順序+2.70支點(diǎn)強(qiáng)迫位移法-3.02預(yù)壓法-2.98

6 混凝土裂縫寬度計(jì)算

6.1 計(jì)算方法

根據(jù)JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，鋼筋混凝土構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度，應(yīng)按荷載短期效應(yīng)組合并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)影響進(jìn)行計(jì)算。最大裂縫寬度Wfk可以按下列公式計(jì)算[9]：

6.2 荷載短期效應(yīng)組合彎矩

中支點(diǎn)最大負(fù)彎矩匯總見表3。

表3 荷載短期效應(yīng)組合彎矩匯總 kN·m

6.3 最大裂縫寬度計(jì)算

根據(jù)荷載短期效應(yīng)組合彎矩計(jì)算結(jié)果，計(jì)算中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)最大裂縫寬度。計(jì)算結(jié)果如表4所示，四種施工方法中，混凝土橋面板整體澆筑裂縫寬度最大，為0.16 mm；改變混凝土澆筑順序?qū)α芽p寬度影響不大，為0.15 mm；采用預(yù)壓法，裂縫寬度有所減小，為0.11 mm；采用支點(diǎn)強(qiáng)迫位移法，裂縫寬度最小，為0.05 mm。各施工方法裂縫寬度均小于規(guī)范所規(guī)定的限值0.20 mm。

表4 負(fù)彎矩區(qū)最大裂縫寬度

7 結(jié)論

為研究施工方法對(duì)連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)受力的影響，以某(33+44+33)m鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用Midas/civil軟件建立全橋梁?jiǎn)卧Ｐ停M施工過程，對(duì)比施工過程鋼梁應(yīng)力、混凝土橋面板負(fù)彎矩區(qū)成橋應(yīng)力和裂縫寬度，得出以下結(jié)論：

(1)采用橋面板整體澆筑和改變混凝土澆筑順序兩種施工方法時(shí)，各施工階段鋼梁應(yīng)力較小。采用支點(diǎn)強(qiáng)迫位移法時(shí)，施工階段最大拉應(yīng)力為121.59 MPa，最大壓應(yīng)力為102.25 MPa。采用預(yù)壓法時(shí)，施工階段最大拉應(yīng)力為184.48 MPa，最大壓應(yīng)力為153.29 MPa。

(2)混凝土橋面板整體澆筑時(shí)，中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)混凝土拉應(yīng)力最大，為3.06 MPa。改變混凝土澆筑順序后，橋面板成橋最大拉應(yīng)力為2.70 MPa；采用支點(diǎn)強(qiáng)迫位移法和預(yù)壓法后，成橋階段頂板處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力分別為3.60 MPa和2.98 MPa。

(3)改變混凝土澆筑順序?qū)α芽p寬度影響不大，采用預(yù)壓法裂縫寬度有所減小，采用支點(diǎn)強(qiáng)迫位移法，裂縫寬度最小。各施工方法裂縫寬度均小于規(guī)范所規(guī)定的限值0.20 mm。