鋼- 混組合連續梁橋中支點頂升施工過程受力分析

劉曉鑾，顧民杰

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

鋼- 混組合梁橋是鋼梁通過剪力連接件與混凝土橋面板組合而成的梁式橋。它能充分發揮鋼材和混凝土兩種材料的優勢，在現代橋梁中獲得越來越廣泛的應用[1-3]。但是，組合連續梁橋中支點附近受負彎矩作用，上緣混凝土橋面板很容易因承受拉應力而開裂，造成截面剛度和承載能力降低。同時，還可能造成鋼梁和鋼筋發生銹蝕。這是影響組合連續梁橋使用壽命的關鍵問題[4-6]。

對組合連續梁橋面板施加預應力的方式有多種，比較常見的有預加配重法、預應力鋼束法、支點頂升法等。這些方式可以單獨使用，也可以綜合使用[7-9]。上海長江大橋對不同支點頂升施工方案分析表明，合理確定支點頂升量和安排梁落順序對組合梁橋的結構體系受力性能具有一定影響，施工難易程度也有差異[4]。

為分析支點頂升量對鋼- 混組合連續梁橋受力性能的影響，本文以嘉興市市區快速路環線工程中3 聯鋼- 混組合連續梁為研究對象，計算了支點頂升量對組合梁橋主要應力指標的影響，并分析了最優支點頂升量，可以為類似橋梁設計和施工提供參考。

1 鋼-混組合連續梁結構設計

1.1 結構設計

嘉興市市區快速路環線工程（一期），快速路主線采用“高架+短地道”組合建設形式，總長約15.2 km。主線高架在跨越橫向道路和河道時，部分區段采用組合連續梁結構。

本文選取其中3 聯鋼- 混組合連續梁橋，跨徑布置分別為50 m+70 m+50 m、40 m+60 m+40 m 和35 m+45 m+35 m。標準橋面寬度25 m，四箱單室布置，鋼梁采用槽形斷面，梁距6.0 m，箱間采用12.5 m間距的橫梁連接。混凝土橋面板采用C50 低收縮混凝土，橋面板厚0.25～0.35 m。鋼梁上翼緣和橫梁頂面設置剪力鍵與混凝土橋面板連為整體。50 m+70 m+50 m 組合梁中支點梁高3.8 m，跨中梁高2.5 m；40 m+60 m+40 m 組合梁中支點梁高3.4 m，跨中梁高2.0 m；35 m+45 m+35 m 組合梁等高度2.3 m。

50 m+70 m+50 m 組合連續梁橋結構立面、平面及斷面如圖1～圖3 所示。

圖1 立面布置圖（單位：mm）

圖2 平面布置圖（單位：mm）

圖3 斷面布置圖（單位：mm）

1.2 支點頂升法

本橋采用支點頂升法對混凝土橋面板施加預壓應力。先將中支點處鋼箱梁頂升一定高度，澆筑主梁正彎矩區混凝土。待混凝土達到設計強度后，再澆筑負彎矩區混凝土。達到設計強度和齡期后，分4～5 級均勻同步落梁，給負彎矩區混凝土橋面板施加一定的預壓應力。施工順序如圖4 所示。

圖4 支點頂升法施工示意圖

2 組合連續梁結構計算

2.1 計算模型

本文采用Midas Civil 建立組合連續梁橋的空間有限元模型，鋼主梁、橫梁均采用梁單元模擬，混凝土橋面板采用施工階段聯合截面模擬。其中，50 m+70 m+50 m 有限元模型如圖5 所示。

圖5 組合連續梁橋空間有限元模型（50 m+70 m+50 m）

2.2 主要施工階段劃分

（1）CS1：架設鋼梁，加載鋼梁和橫梁自重。

（2）CS2：頂升中支點。

（3）CS3：現澆混凝土橋面板。在鋼梁單元上加載混凝土橋面板自重。

（4）CS4：激活橋面板，形成組合截面。

（5）CS5：下降中支點。

（6）CS6：附屬設施施工。在模型上加載二期鋪裝和防撞護欄自重。

（7）CS7：收縮徐變。考慮成橋后10 a 的收縮徐變。

3 計算結果

3.1 50 m+70 m+50 m 施工階段應力圖

圖6～圖9 列出了50 m+70 m+50 m 跨組合梁鋼梁和橋面板在施工階段和成橋后的應力隨支點頂升量的變化，正值為拉應力，負值為壓應力。

圖6 中支點鋼梁應力變化圖（50 m+70 m+50 m）

圖9 跨中橋面板應力變化圖（50 m+70 m+50 m）

從圖6 可以看出，在CS2 中支點頂升后，中支點鋼梁上下翼緣的拉應力和壓應力均有增加。支點頂升量每增加10 cm，上緣拉應力增加6～8 MPa，下緣壓應力增加6～8 MPa。在CS3 橋面板濕重階段，在支點頂升量70 cm 時，中支點鋼梁上緣最大拉應力173.1 MPa，下緣最大壓應力-136.7 MPa。

從圖7 可以看出，在CS2 中支點頂升階段，隨著支點頂升量增加，跨中鋼梁上翼緣由受壓逐漸變為受拉，支點頂升量每增加10 cm，上緣拉應力增加15 MPa 左右，下緣壓應力增加13 MPa 左右。

圖7 跨中鋼梁應力變化圖（50 m+70 m+50 m）

從圖8、圖9 可以看出，在CS5 落梁后，混凝土橋面板在中支點和跨中截面均產生了壓應力，支點頂升量每增加10 cm，中支點橋面板壓應力增加0.6 MPa左右，跨中橋面板壓應力增加1.0 MPa 左右。

圖8 中支點橋面板應力變化圖（50 m+70 m+50 m）

在CS6 成橋階段，在支點頂升量60～70 cm 時，中支點橋面板可以形成2.0～2.8 MPa 的壓應力儲備，跨中橋面板可以形成4.7～8.5 MPa 的壓應力儲備。這說明采用支點頂升法向支點橋面板施加預壓應力是非常有效的。

在CS7 成橋10 a 后，由于混凝土收縮徐變的作用，橋面板施加的壓應力有較大損失，在60～70 cm頂升量時收縮徐變后中支點橋面板已由受壓變為受拉，拉應力約1.4～2.0 MPa。因此，設計須考慮混凝土收縮徐變對支點頂升有利影響的抵消作用。通過配置鋼筋將橋面板的裂縫寬度限制在容許值以內，可滿足結構耐久性要求。

綜上分析，為使組合連續梁在成橋階段有適當的壓應力儲備，收縮徐變后裂縫寬度滿足使用要求，50 m+70 m+50 m 跨組合梁的最優支點頂升量可以取為60～70 cm。

3.2 40 m+60 m+40 m 施工階段應力圖

限于篇幅，40 m+60 m+40 m 跨僅列出中支點鋼梁和橋面板在施工階段和成橋后的應力隨支點頂升量的變化，如圖10、圖11 所示。

從圖10、圖11 中可以看出，40 m+60 m+40 m 跨徑組合連續梁，在支點頂升量50～60 cm 時，成橋時中支點橋面板壓應力儲備約1.6～3.1 MPa。10 a 收縮徐變后，支點拉應力約1.3～2.1 MPa。通過配筋可滿足結構耐久性要求。40 m+60 m+40 m 跨組合連續梁的最優支點頂升量取為50～60 cm。

圖10 中支點鋼梁應力變化圖（40 m+60 m+40 m）

圖11 中支點橋面板應力變化圖（40 m+60 m+40 m）

3.3 35 m+45 m+35 m 施工階段應力圖

35 m+45 m+35 m 跨列出中支點鋼梁和橋面板在施工階段的應力隨支點頂升量的變化，如圖12、圖13 所示。正值為拉應力，負值為壓應力。

圖12 中支點鋼梁應力變化圖（35 m+45 m+35 m）

圖13 中支點橋面板應力變化圖（35 m+45 m+35 m）

從圖12、圖13 中可以看出，35 m+45 m+35 m 跨徑組合連續梁，在支點頂升量50～60 cm 時，成橋時中支點橋面板壓應力儲備約1.6～3.8 MPa。10 a 收縮徐變后，拉應力約為0.7～1.8 MPa，可以通過配筋控制橋面板裂縫寬度，35 m+45 m+35 m 跨組合連續梁的最優支點頂升量取為30～40 cm。

4 結語

（1）采用支點頂升法可以有效地為組合連續梁負彎矩區橋面板提供預壓應力，形成1.5～4.0 MPa 左右的壓應力儲備。

（2）50 m+70 m+50 m，40 m+60 m+40 m 和35 m+45 m+35 m 三種跨徑組合連續梁橋的最優支點頂升量可以分別取為60～70 cm、50～60 cm 和30～40 cm。

（3）在成橋10 a 后，由于混凝土收縮徐變的影響，中支點橋面板預壓應力有較大損失，通過合理的鋼筋配置可以將橋面板裂縫寬度控制在容許值以內，以滿足結構耐久性要求。