鋼-混凝土組合梁橋橋面板施工方式影響研究

劉開源，楊華平

(1.四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017；2.成都大學建筑與土木學院，四川 成都 610106)

0 前 言

新中國成立以來，經過多代建設者艱苦奮斗和不懈努力，我國交通橋梁事業的建設取得了舉世矚目的成就，在橋梁規模、跨度等多個領域已位列世界前列。據《2019年交通運輸行業發展統計公報》顯示：2019年末全國共有公路橋梁87.83萬座、6 063.46萬m。但受制于前期工業和經濟發展水平，已建成橋梁絕大多數為圬工和鋼筋混凝土橋梁，鋼結構橋梁主要用于特大跨徑橋梁，鋼橋占比僅為歐美發達國家的幾十分之一[1]。相比較為廉價的但難以循環利用的混凝土橋梁，鋼結構橋梁具有自重輕、跨度大、材料可循環利用，符合可持續發展理念，利于實現標準化、工業化生產等優點。當前我國已經成為世界第一大鋼鐵產能國和世界第一制造業大國，已具備推廣鋼結構橋梁的物質基礎和技術條件。發展鋼結構橋梁受到了相關交通主管部門的大力提倡和推動[3]。推廣應用鋼結構橋梁,即是我國提升橋梁品質，實現從橋梁大國到橋梁強國的重要途徑之一[2]，也可有效消解國內相對過剩的鋼鐵產能。

鋼-混凝土組合梁是以剪力件形式將鋼筋混凝土橋面板和槽型鋼梁、剛板梁結合起來共同受力的一種新型鋼結構橋梁。鋼-混凝土組合梁設計時主要考慮由混凝土構件受壓，鋼結構構件受壓，以充分發揮材料性能。為實現此目的，通常需要綜合考慮設計與施工各個環節以確定鋼-混凝土組合梁結構尺寸與施工方法[3-4]，其過程較為復雜。本文以一座50m的大跨度簡支鋼-混凝土組合梁橋為工程背景，分析對比了橋面板澆筑成型方式對橋梁各構件受力狀態的影響，以期為大跨度簡支鋼-混凝土組合梁橋設計施工提供有益的參考。

1 工程背景

某互通區匝道橋梁需上跨既有高速公路，設計跨度50 m，橋寬10.5 m，設計荷載為三車道公路一級荷載。根據四川省交通運輸廳關于上跨既有高速應采用鋼結構橋梁的相關規定，橋梁結構形式采用梁高為2.5 m的等高鋼-混凝土組合梁橋。

鋼-混凝土組合梁橋面板采用20 cm厚C40微膨脹鋼纖維混凝土，鋼結構部分采用Q355C槽型鋼梁。槽型鋼梁腹板厚度為12 mm，頂板承托寬700 mm厚36 m，底板由端部向跨中部變厚，厚度分別為20 mm(兩側各8 m)-26 mm(兩側各9 m)-32 mm(跨中共16 m)。鋼-混凝土組合梁橋典型斷面如圖1所示。

圖1 鋼-混凝土組合梁橋典型斷面圖

2 有限元模型及分析工況

采用有限元分析軟件MIDAS CIVIL按盡可能接近結構實際受力狀態的原則建立空間梁單元有限元分析模型如圖2所示。橋梁全截面分為左右兩幅疊合箱梁建模，中間以橫梁和虛擬橫梁構成的橫向連接系連接，應用施工階段聯合截面功能模擬實際施工加載狀態。計算分析的工況共四種：①吊裝槽型鋼梁于滿堂支架之上，再澆筑橋面板混凝土。橋面板成型后拆除支架，施工橋面鋪裝，二期等；②在跨中位置設置臨時支撐墩，吊裝鋼梁支撐于永久支座和臨時支撐墩上，澆筑橋面板混凝土。橋面板成型后拆除跨中臨時支撐墩，施工橋面鋪裝，二期等；③吊裝鋼梁支撐于永久支座后，橋面板混凝土一次澆筑成型，橋面板形成強度后，施工橋面鋪裝，二期等；④吊裝鋼梁支撐于永久支座上，先澆筑跨中15 m范圍內的橋面板，跨中橋面板形成強度后再澆筑兩側各9 m范圍內的橋面板并養護成型，最后澆筑梁端8.5 m范圍內橋面板。待全部橋面板成型后，施工橋面鋪裝，二期等。

圖2 鋼-混凝土組合梁有限元模型圖

3 橋面板施工成型方式影響研究

按照現行規范[5-6]考慮恒載，移動荷載，整體溫度效應，截面日照梯度溫差效應、收縮徐變效應等作用，在承載能力基本組合下，四種橋面板施工成型方式對橋梁各構件受力狀態的影響的如下所示。

3.1 橋面板應力對比

四種橋面板施工成型方式橋面板最大壓應力如圖3所示。由圖3可見，兩種有支架方式橋面板應力相較無支撐方式偏高，設置中間支墩施工方式的橋面板應力相對最高為15.0 MPa，滿堂支架方式略小于中間支墩方式，為14.2 MPa。無支撐方式橋面板應力明顯低于有支撐方式，其中橋面板一次澆筑成型時壓應力峰值最小為9.4 MPa，分階段澆筑橋面板方式為11.4 MPa。

圖3 不同成型方式橋面板最大壓應力圖

3.2 鋼梁頂面應力對比

四種橋面板施工成型方式基本組合下槽型鋼梁各位置處頂緣最大壓應力分布如圖4所示。

圖4 基本組合下槽型鋼梁頂緣壓應力分布圖

由圖4可見，與橋面板壓應力有支撐方式大于有支撐方式相反，無支撐方式槽型鋼梁頂緣應力明顯大于有支撐方式，橋面板一次澆筑成型時最大壓應力為253 MPa，橋面板分階段成型時最大壓應力較一次成型降低近30 MPa為224 MPa，而兩種有支撐方式鋼梁頂緣應力均在180 MPa左右，差異不大。

3.3 鋼梁底面應力對比

四種橋面板施工成型方式基本組合下槽型鋼梁各位置處底緣最大拉應力分布如圖5所示。

圖5 基本組合下槽型鋼梁底緣壓應力分布圖

由圖5可見，無支撐方式底緣應力略大于有支撐方式，無支撐方式中一次澆筑大于分階段澆筑，而有支撐方式中滿堂支架與中間支墩方式峰值應力分布幾乎重合，且四種施工方式底緣峰值拉應力最大的為一次澆筑216 MPa，最小的為滿堂支架207 MPa，差異不大。

4 結 論

1)截面特性相同時，橋面板有支撐成型方式相對無支撐方式其混凝土橋面板應力較高而槽型鋼頂緣壓應力和底緣拉應力均較低，可更好的發揮混凝土材料抗壓性能好和鋼材抗拉性能好的優點。

2)下設滿堂支架或跨中設置臨時支墩兩種施工方式對橋梁各構件受力影響不大，考慮到施工成本和橋下通車行洪等因素，更推薦應用跨中設置臨時支墩的施工方式。

3)相較直接在鋼梁上一次澆筑橋面板的施工方式，橋面板分階段澆筑時混凝土橋面板壓應力略有增加且槽型鋼梁頂緣壓應力將會有較大幅度的降低，當存在地形陡峭險峻等無設置臨時支撐的情況時，可優先考慮使用橋面板分階段澆筑的施工方式。

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