鋼-混組合梁斜拉橋懸臂施工過程精細化分析

王子豪

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司）

0 引言

鋼-混組合梁的特點在于能夠在使用中充分發揮鋼材與混凝土的材料性能優勢[1]，與此同時，通過預制拼裝的方式進行施工能夠大幅度提高施工效率，具有較好的經濟優勢，因而我國在近20 年里對這種結構形式進行了大量的研究應用，并達到了國際先進水平[1]。

現代組合梁斜拉橋施工方式多采用懸臂施工法，此過程中，施工步驟繁雜，且主梁會出現多次體系轉換，鋼梁、混凝土板及連接二者的剪力釘內力狀態復雜。為了更好地控制施工質量，對懸臂施工過程中主梁各部分結構內力變化規律進行探究是有必要的。

1 工程概況

潮汕大橋主橋采用獨塔雙索面組合梁斜拉橋，橋跨布置為（205+205）m，橋長410m，橋寬35m。

全橋采用可轉換半漂浮體系，在主塔處設置球形鋼支座、橫向彈塑性鋼阻尼、縱向彈塑性鋼阻尼，在過渡墩處設置球形鋼支座，橫向彈塑性鋼阻尼、縱向粘滯阻尼器。索塔采用A 型索塔，索塔兩側各布置15 對斜拉索。主梁采用雙邊“工”字型邊主梁結合橋面板的整體斷面，全寬35m，梁高3.2m（邊主梁中心處）。其中鋼主梁部分包括縱梁、橫梁、小縱梁和錨拉板等組成；橋面板支承在由鋼主梁的邊主梁、小縱梁及橫梁組成的梁格系上，主梁截面示意如圖1 所示。

圖1 主梁截面示意圖

2 計算模型

2.1 空間梁單元模型

通過MIDAS CIVIL 軟件建立潮汕大橋梁單元有限元模型進行施工過程分析模型，并采用ANSYS 軟件針對施工過程中最大懸臂端五個節段建立局部實體有限元模型，采用生死單元法進行施工過程分析。其中，鋼梁模擬采用SHELL181 板殼單元，混凝土橋面板采用SOLID95 實體單元，剪力釘在X（順橋向）、Y（橫橋向）、Z（豎向）三個方向上采用COMBIN14 彈簧單元模擬。由于施工過程中結構體系及荷載基本橫向對稱，因此本模型采用建立1/2 結構模型并施加對稱約束的形式進行模擬，總單元數為320182，實體有限元模型基本情況分別如圖2所示。

圖2 空間實體有限元模型

2.2 結構材料

主梁鋼材為Q370qD；橋面混凝土板采用C60，普通鋼筋為HRB400 熱軋帶肋鋼筋；剪力釘材料為ML15，直徑為22mm。

2.3 邊界條件

對11#號節段近橋塔向根部橫斷面建立剛域，施加UX（縱橋向）、UZ（豎向）及各向轉動自由度約束，并根據Midas 模型給于剛域時變的ROTY（豎彎）轉動位移；對全部節段橋梁中心線處縱斷面施加UY（橫橋向）平動約束。

3 主梁施工階段分析

3.1 施工工況設置

對潮汕大橋最外側11#、12#、13#、14#、15# 五個節段的施工過程進行了模擬，為重點考察15#節段施工時14#節段的受力狀況，15#節段施工過程的模擬相對更為細化，總共20 個計算工況，詳細內容如下。

工況1：11# 鋼梁激活，11# 索初張拉，索力為1374.7kN。

工況2：11#鋼梁上激活混凝土濕重荷載。

工況3：11#混凝土板激活，鈍化濕重荷載，11#索二次張拉，索力為4245.1kN。

工況4：吊機移至11#梁段，12#鋼梁激活，12#索初張拉，索力為1449.8kN。

工況5：12#鋼梁上激活混凝土濕重荷載。

工況6：12#混凝土板激活，鈍化濕重荷載，12#索二次張拉，索力為4528.9kN。

工況7：11#至12#混凝土板預應力激活。

工況8：吊機移至12#梁段，13#鋼梁激活，13#索初張拉，索力為1519.4kN。

工況9：13#鋼梁上激活混凝土濕重荷載。

工況10：13#混凝土板激活，鈍化濕重荷載，13#索二次張拉，索力為4793.3kN。

工況11：吊機移至13#梁段，14#鋼梁激活，14#索初張拉，索力為1555.2kN。

工況12：14#鋼梁上激活混凝土濕重荷載。

工況13：14#混凝土板激活，鈍化濕重荷載，13#索二次張拉，索力為5051.9kN。

工況14：13#至14#梁段混凝土板預應力激活。

工況15：吊機移至14#梁段，15#主梁吊裝過程，起吊一半鋼梁。

工況16：15#主梁吊裝拼接完成，吊機卸載。

工況17：15#索初張拉，索力為1598.1kN。

工況18：吊機吊裝15#橋面板過程，起吊一半橋面板荷載，鋼梁上激活一半濕重。

工況19：吊機卸載，15#鋼梁上激活全部混凝土濕重荷載。

工況20：15#混凝土板激活，鈍化濕重荷載，15#索二次張拉，索力為5214.3kN。

3.2 計算結果匯總

對全部懸臂施工過程20 個工況進行計算后，著重關注了14#節段工況11 至工況20 主梁的剪力釘縱向內力、橋面板縱向應力、縱梁縱橋向應力、橫梁橫橋向應力，結果如表1 所示。剪力釘縱向應力以遠離主塔方向鋼梁拉伸橋面板為正，壓縮橋面板為負，橋面板及鋼梁正應力以縱向受拉為正，受壓為負。

表1 14# 節段計算結果極值

3.3 剪力釘計算結果分析

為探究懸臂施工過程中剪力釘縱向內力的分布與變化特性，對14#節段的剪力釘順橋向剪力云圖進行了觀察，部分云圖如圖3 至6 所示。

圖3 14#節段剪力釘順橋向剪力云圖（單位：N）

圖4 14#節段剪力釘順橋向剪力云圖（單位：N）

圖5 14#節段剪力釘順橋向剪力云圖（單位：N）

圖6 14#節段剪力釘順橋向剪力云圖（單位：N）

當15#懸臂鋼梁拼裝完成時，14#節段梁端處鋼梁拉伸橋面板，使得14#節段鋼梁剪力釘的順橋向剪力產生的正向剪力驟增，而當15#節段處拉索初張拉時，由于張拉力由15#鋼梁直接傳遞給14#鋼梁，導致14#鋼梁對橋面板作用由拉伸變為壓縮，剪力釘產生負向剪力。在之后的階段，14#節段剪力釘縱向剪力無大幅度變化，15#節段施工完成時最大值為-33.5/15.4kN。

3.4 橋面板計算結果分析

分析了混凝土橋面板順橋向正應力云圖，以判斷其分布規律，部分云圖如圖7 至9 所示。

圖7 混凝土橋面板順橋向正應力云圖（單位：MPa）

圖8 混凝土橋面板順橋向正應力云圖（單位：MPa）

圖9 混凝土橋面板順橋向正應力云圖（單位：MPa）

在懸臂施工過程中，15# 節段鋼梁及橋面板吊裝時，將使得14#節段橋面板吊機位置處出現較大的局部壓應力；而在拉索二次張拉時，拉索附近范圍內的橋面板將出現較大的局部拉應力，且沿順橋向正應力有明顯的應力擴散趨勢。施工過程中，橋面板最大壓應力為-18MPa，最大拉應力為1.8MPa。

3.5 鋼梁計算結果分析

受篇幅所限，并考慮懸臂施工過程中鋼梁以縱向受力為主，本文僅列出部分縱梁順橋向正應力云圖并進行分析，云圖見圖10 至圖12。

圖10 14#縱梁順橋向正應力云圖（單位：MPa）

圖11 14#縱梁順橋向正應力云圖（單位：MPa）

圖12 14#縱梁順橋向正應力云圖（單位：MPa）

14#節段鋼縱梁在完成二次張拉及橋面板預應力張拉后處于受壓彎懸臂上撓狀態，而15#節段拉索一二次張拉亦會增大14#節段的受彎上撓效應，但除一二次張拉以外的施工階段則將對14#節段鋼縱梁內的彎矩起到卸載作用；此外，鋼縱梁頂板在錨拉板后側位置處存在較大局部壓應力，最大壓應力為119Mpa。

4 結論

⑴通過通用有限元軟件ANSYS 建立了潮汕大橋鋼混組合梁空間實體有限元計算模型，并通過MIDAS 梁單元整體模型提取了相應施工工況的對應索力，對主梁最外側11#、12#、13#、14#、15#五個節段的施工過程進行了模精細化擬。

⑵當后一節段懸臂鋼梁拼裝完成時，將導致前一節段梁端處鋼梁拉伸橋面板，使得該處剪力釘的正向剪力驟增，而后一節段拉索初張拉產生的軸力會直接傳遞給前一節段鋼梁，進而壓縮前一節段橋面板并使得剪力釘產生負向剪力，后一節段此外的施工過程中前一階段剪力釘剪力無劇烈變化。

⑶后一節段鋼梁及橋面板吊裝時，會使得前一節段橋面板吊機位置處出現較大局部壓應力，而拉索附近范圍內的橋面板在本節段拉索進行二次張拉時將出現較大的局部拉應力，且沿順橋向正應力有明顯的應力擴散趨勢。

⑷當前節段完成二次張拉及橋面板預應力張拉時，將處于受壓彎懸臂上撓狀態，而在后一節段施工過程中，拉索一二次張拉會增大前一節段的受彎上撓效應，此外的過程則對前一節段鋼縱梁的彎矩起到卸載作用，另外，鋼縱梁頂板在錨拉板后側位置處存在較大局部壓應力。