組合梁斜拉橋施工階段橋面板防開裂技術(shù)研究

阮映輝，孫立鵬，楊岳華，馬印平

(1.浙江臺州市沿海高速公路有限公司，浙江 臺州 318001；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064； 3.浙江交投高速公路建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

鋼-混凝土組合梁用混凝土橋面板代替了造價昂貴的正交異性鋼橋面板，避免了鋼橋面板疲勞開裂及鋪裝易損壞的問題，同時，混凝土承壓比鋼材更經(jīng)濟，因此，近年來組合梁在斜拉橋中得到廣泛應(yīng)用。

組合梁斜拉橋一般采用懸臂拼裝法施工。懸臂拼裝通常有兩種方式：(1)散拼法[1-2]，即采用小噸位橋面吊機將鋼構(gòu)件、預(yù)制混凝土橋面板在橋位現(xiàn)場逐步拼裝，最后澆注濕接縫。(2)整體吊裝[3-4]，即將鋼梁和混凝土橋面板在工廠完成連接，再將整個節(jié)段運至橋位處，采用大噸位橋面吊機進行節(jié)段整體吊裝。組合梁斜拉橋的混凝土橋面板抗拉強度低，其受力對施工過程及工藝極其敏感，尤其采用節(jié)段整體吊裝法施工時，由于吊裝重量較大，在拉索錨固區(qū)產(chǎn)生的局部負彎矩明顯大于散拼法施工，橋面板的受力狀態(tài)更為不利。對于拉索錨固區(qū)附近的混凝土橋面板，既受到拉索對主梁的彈性支承引起的負彎矩，又處于拉索水平力的擴散區(qū)域，受力十分復(fù)雜，施工不當該部位極易開裂[5]。

林元培等[6]對加拿大Annacis橋的混凝土橋面板裂縫進行了現(xiàn)場調(diào)查，分析了該橋4類不同裂縫產(chǎn)生的原因并提出了相應(yīng)對策。借鑒Annacis橋的經(jīng)驗，在后續(xù)國內(nèi)組合梁斜拉橋的設(shè)計和施工過程中均采取了相應(yīng)的措施以防止橋面板開裂。

在設(shè)計上，國內(nèi)修建的大部分組合梁斜拉橋在混凝土橋面板內(nèi)均設(shè)置了縱向預(yù)應(yīng)力體系[7-8]，有效提高了橋面板的抗裂性。鰲江特大橋采用干濕混合接縫的新型橋面構(gòu)造[9]，可實現(xiàn)在混凝土橋面板與鋼橫梁結(jié)合前施加橫向預(yù)應(yīng)力，橫向預(yù)應(yīng)力施加效率提高了約70%，可減少混凝土橋面板縱向開裂。福建青洲閩江大橋[10]采用了增加錨拉板處橋面板配筋和優(yōu)化鋼筋布置細節(jié)的方法，解決了錨拉板區(qū)橋面板開裂的問題。青海海黃大橋首次應(yīng)用雙邊“上”字形鋼板組合梁，避免了錨拉板處橋面板及普通鋼筋的斷開，錨固區(qū)沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。清水浦大橋[11]的橋面板采用了纖維混凝土來提高抗裂性。

在施工上，南浦大橋施工過程中利用小三角架配合臨時拉索給懸新吊裝鋼梁提供臨時支承，待新梁段斜拉索安裝并張拉后再撤去臨時支承，避免了拉索錨固區(qū)橋面板的開裂[1]。楊浦大橋在施工中由4節(jié)段安裝改為兩節(jié)段安裝，減少了懸臂重量并適當加強了接縫處的鋼筋配置后，橋面板未再出現(xiàn)開裂現(xiàn)象[12]。望東長江公路大橋主橋在施工過程中提出一種基于節(jié)段全過程狀態(tài)優(yōu)化的上部結(jié)構(gòu)裝配化架設(shè)方法，采用斜拉索分次超張、退張法可優(yōu)化節(jié)段施工全過程內(nèi)力，解決了新梁段起吊對前序梁段引起的較大橋面板拉應(yīng)力問題[13]。此外，為了減小混凝土收縮對橋面板受力的不利影響[14]，通常采用預(yù)制橋面板方案，并要求存梁期不少于6個月。

以上設(shè)計和施工措施對于采用散拼法施工的組合梁斜拉橋可以有效避免橋面板的開裂，但采用節(jié)段整體吊裝法施工時，吊裝梁段重量通常在400 t以上，吊裝過程中拉索錨固區(qū)橋面板的開裂風險仍然很高。為此，本研究依托實際工程，考慮懸臂拼裝施工過程，采用有限元法對組合梁斜拉橋拉索錨固區(qū)橋面板的應(yīng)力狀態(tài)及斜裂縫成因進行分析。提出“滯后澆注局部濕接縫”的施工技術(shù)措施來避免混凝土橋面板開裂，并分析該技術(shù)措施對拉索錨固區(qū)混凝土橋面板及其附近鋼梁受力的影響，評估其實施效果。

1 工程背景

某大橋為雙塔雙索面半漂浮體系鋼-混組合梁斜拉橋，跨徑布置為(85+145+488+145+85)m，邊跨設(shè)置各一座輔助墩。1/2主梁橫斷面如圖1所示。主梁采用分離式雙邊鋼箱(PK式)組合梁，含風嘴全寬38.5 m，中心線處梁高3.5 m。中跨及次邊跨標準梁段長10.5 m，邊跨標準梁段長8.4 m。混凝土橋面板全寬34 m，中跨標準梁段橋面板標準厚度28 cm，在箱梁縱腹板及橫隔板上翼緣處加厚至40 cm，邊跨附近梁段混凝土板標準厚度加厚至40 cm。每個標準梁段等間距設(shè)置3道橫隔板。橫隔板在橋面吊機前支點作用處設(shè)有局部加強的加勁肋。

圖1 1/2主梁橫斷面(單位：cm)Fig.1 Half cross-section of main girder(unit: cm)

鋼梁及混凝土橋面板均在預(yù)制場完成預(yù)制，預(yù)制橋面板存放6個月后吊裝擱置于鋼梁上，在工廠內(nèi)澆注濕接縫，形成組合梁后再存放2個月，然后船運至橋位現(xiàn)場進行懸臂拼裝。梁段之間的混凝土橋面板采用一道現(xiàn)場濕接縫進行連接，鋼梁采用焊接的形式進行連接。為在臺風期之前實現(xiàn)合龍，主梁的懸臂拼裝采用吊裝兩個梁段澆注一次工地濕接縫的施工方案以加快施工速度。

該大橋在懸臂拼裝施工前期，部分拉索錨固區(qū)橋面板出現(xiàn)了斜裂縫。裂縫的主要特征如下：(1)每處拉索錨固區(qū)出現(xiàn)1條斜裂縫，裂縫長度在0.5～2.0 m。(2)裂縫走向與橫橋向夾角在45°左右，夾角開口方向朝向橋塔。(3)裂縫通常出現(xiàn)在起吊梁段的過程中，并滯后2～3個梁段出現(xiàn)，即起吊i號梁段時，在i-2#或i-3#梁段的拉索錨固區(qū)出現(xiàn)裂縫。(4)裂縫的發(fā)展趨勢為：在水平方向上，由錨箱處向主梁中心線斜向發(fā)展；在梁高方向上，由混凝土橋面板頂面向底面發(fā)展，大部分裂縫為非貫通裂縫，個別裂縫在橋面板厚度方向上貫通。

2 有限元模擬

針對某大橋在施工過程中拉索錨固區(qū)橋面板的開裂現(xiàn)象，本研究采用通用有限元軟件ABAQUS建立了部分懸拼梁段的精細化混合單元有限元模型，對拉索錨固區(qū)混凝土橋面板的受力狀態(tài)進行分析。

由于拉索錨固區(qū)混凝土橋面板的受力行為以局部效應(yīng)為主，有限元分析中所選取的梁段范圍對橋面板應(yīng)力分布規(guī)律及受力分析結(jié)果影響不大，但應(yīng)包含主梁循環(huán)懸臂拼裝的各個標準施工工況。本節(jié)選取4個標準梁段(8#～11#梁段)進行建模計算，總長度為42 m，梁高為3.5 m。

2.1 單元類型及網(wǎng)格劃分

組合梁節(jié)段的混合單元有限元模型如圖2所示。混凝土橋面板采用C3D8R 8結(jié)點6面體減縮積分實體單元模擬，鋼主梁、鋼錨及風嘴箱采用S4R 4結(jié)點曲面減縮積分殼單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束采用T3D2兩結(jié)點線性三維桁架單元模擬，焊釘采用B31兩結(jié)點空間線性梁單元模擬。橋面板厚度方向上劃分5層網(wǎng)格以避免出現(xiàn)沙漏現(xiàn)象。對拉索錨固區(qū)附近的橋面板實體單元網(wǎng)格進行了局部細化處理。

圖2 混合單元有限元模型Fig.2 Finite element model with hybrid elements

2.2 邊界條件及相互作用

有限元模型的一端面耦合于一參考點，并將此參考點固結(jié)，模型的另一端為懸臂端，不施加多余約束。由于引起橋面板主拉應(yīng)力的荷載主要為豎向及順橋向荷載，根圣維南原理，固結(jié)邊界對拉索錨固區(qū)應(yīng)力的影響可以忽略[15-16]。考慮到主梁沿橋梁中心線對稱，故只建立了一半模型并施加“對稱”邊界以提高計算效率。焊釘與鋼梁頂板之間采用“綁定”約束，即將焊釘?shù)撞抗?jié)點與臨近的鋼梁上翼緣節(jié)點自由度耦合。焊釘與混凝土橋面板之間及預(yù)應(yīng)力鋼束與混凝土橋面板之間均采用“埋入”約束，即將梁單元或桁架單元的節(jié)點與臨近的實體單元節(jié)點自由度耦合。忽略鋼梁與混凝土橋面板界面間的黏結(jié)和摩擦作用，只考慮界面法向二者之間的硬接觸[17]。

2.3 荷載及計算工況

已拼裝完成的懸臂端主梁所承受的荷載包括結(jié)構(gòu)自重、拉索索力、預(yù)應(yīng)力、吊機前支點反力(由被吊梁段自重產(chǎn)生)及吊機自重。將鋼錨箱的錨墊板平面耦合于一參考點，便于施加斜拉索的索力，索力值由桿系計算模型中獲得。每臺橋面吊機自重取75 t(共2臺)，其重心距離前支點約4.25 m，前、后支點間距約17.5 m。吊機前、后支點的反力根據(jù)吊機自重及起吊梁段自重(約430 t)計算得到，并以局部面荷載的形式施加于梁段相應(yīng)位置。混凝土橋面板的預(yù)應(yīng)力根據(jù)鋼束的線膨脹系數(shù)換算為降溫溫度施加[5]。

有限元模擬應(yīng)包含斜拉橋懸臂施工過程中混凝土橋面板受力最不利的工況，本研究根據(jù)實橋施工工藝，選擇了5個連續(xù)的施工工況，分別為起吊11#梁段(工況1)、一張11#斜拉索(工況2)、澆注10#～11#梁段兩條濕接縫并張拉預(yù)應(yīng)力束(工況3)、橋面吊機前移并2張11#斜拉索(工況4)、起吊12#梁段(工況5)。

3 橋面板應(yīng)力分析

圖3為8#～11#梁段在各工況下橋面板最大主拉應(yīng)力和最大順橋向正應(yīng)力的位置示意圖。由圖3可知，在斜拉橋的組合梁懸臂拼裝過程中，起吊新梁段工況(即工況1,5)為最不利施工工況。吊裝梁段時，混凝土橋面板拉應(yīng)力較大的部位主要有3處：(1)吊機前支點附近的橋面板底面。(2)待澆注的濕接縫與中腹板交點附近的橋面板底面。(3)是拉索錨固區(qū)的橋面板頂面。吊機前支點附近的橋面板底面拉應(yīng)力較大主要是因為在有限元建模時，吊機前支點作用處的鋼梁沒有考慮局部加勁肋的支承作用，導(dǎo)致前支點處的混凝土橋面板出現(xiàn)了較大的局部變形。設(shè)計時考慮鋼梁段在吊機前支點部位進行局部加強設(shè)計，適當布置加勁肋，即可避免此區(qū)域的混凝土橋面板開裂。以下主要對后兩類易開裂部位進行分析。

圖3 各工況最大主拉應(yīng)力及正應(yīng)力位置Fig.3 Position of maximum principal tensile stress and normal stress in each working condition

3.1 未澆注濕接縫附近的橋面板底面

吊裝梁段過程中，在待澆注的濕接縫與中腹板交點附近的橋面板底面出現(xiàn)了較大的主拉應(yīng)力。主要原因為前支點作用力較大，在待澆注的濕接縫附近產(chǎn)生較大的負彎矩，已形成組合梁的部位為組合截面承受負彎矩，而待澆注濕接縫部位為鋼梁單獨承受負彎矩，因而組合截面頂部的拉應(yīng)力需從面積較大的混凝土板傳遞到面積很小的鋼梁頂板，在截面突變處混凝土板底面出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

盡量減小組合截面與鋼梁截面之間的界面特性差異，可使傳力更平順，有助于減小應(yīng)力集中現(xiàn)象。在有限元模型中待澆注濕接縫的部位加入了普通鋼筋，并與未考慮普通鋼筋的情況進行對比。普通鋼筋(縱向受力鋼筋)采用桁架單元T3D2模擬，并“埋入”混凝土實體單元。經(jīng)計算可知，考慮普通鋼筋的作用后，待澆注濕接縫與中腹板交點附近的橋面板底面的主拉應(yīng)力明顯減小，最大主拉應(yīng)力由8.94 MPa減小到3.28 MPa。因此，在起吊梁段前將待澆濕接縫處的縱向受力鋼筋可靠連接，協(xié)助鋼梁共同承受荷載，可以大幅度減小待澆濕接縫附近橋面板底面的主拉應(yīng)力，避免其開裂。

3.2 拉索錨固區(qū)橋面板

取11#拉索錨固區(qū)附近的橋面板進行分析，其頂面應(yīng)力分布如圖4所示。由圖4(a)可知，最大主拉應(yīng)力為4.02 MPa，位于拉索理論錨點后方的橋面板頂面；主拉應(yīng)力大致沿與橋軸向45°夾角方向由板邊緣向板中央擴散。由圖4(b)可知，錨固區(qū)主拉應(yīng)力方向與橋軸向夾角接近45°，裂縫走向垂直于主應(yīng)力方向，與實橋開裂情況一致(圖2)。由此可見，本研究采用的有限元模擬方法是可靠的。

圖4 11#拉索錨固區(qū)橋面板應(yīng)力Fig.4 Stress of bridge deck in cable No. 11 anchorage area

對拉索錨固區(qū)最大主拉應(yīng)力點進行分析可知，引起拉索錨固區(qū)橋面板斜向開裂的應(yīng)力主要包括兩部分：順橋向拉應(yīng)力和橋面板平面內(nèi)的剪應(yīng)力。而順橋向拉應(yīng)力過大是由于起吊梁段在拉索錨固區(qū)產(chǎn)生了較大的負彎矩。

圖5為8#～11#梁段工況五橋面板平面內(nèi)剪應(yīng)力云圖。由圖5可知，橋面板平面內(nèi)剪應(yīng)力具有3個特點：(1)橋面板頂、底面的剪應(yīng)力方向相同，頂面剪應(yīng)力最大，向底板逐漸減小。(2)橫橋向上，邊腹板處剪應(yīng)力最大，向中腹板逐漸減小，中腹板至主梁中心線剪應(yīng)力很小。(3)順橋向上，拉索錨固點后最大，遠離錨固點逐漸減小。分析以上特點可知，拉索錨固區(qū)橋面板面內(nèi)剪應(yīng)力較大的原因為：斜拉索的水平力傳遞給主梁時，以一定的角度從拉索錨固區(qū)向橋面板中部擴散，而軸力在橋面板內(nèi)是以剪應(yīng)力的方式進行傳遞的，軸力擴散最快的區(qū)域面內(nèi)剪應(yīng)力最大，該剪應(yīng)力導(dǎo)致拉索錨固區(qū)附近的橋面板在面內(nèi)出現(xiàn)了較大的主拉應(yīng)力。

圖5 橋面板平面內(nèi)剪應(yīng)力分布(單位：MPa)Fig.5 Shear stress distribution in plane of bridge deck(unit：MPa)

4 防開裂措施研究

裂縫控制技術(shù)主要有“防”、“抗”、“放”3類方法[18]。“防”即防止出現(xiàn)引起混凝土開裂的荷載，如減小起吊重量。“抗”即通過提高結(jié)構(gòu)的抗力來抵抗開裂荷載，如使用抗拉強度更高的鋼纖維混凝土。“放”即通過合理的措施釋放潛在開裂區(qū)域的內(nèi)力，如本研究提出的“滯后澆注局部邊腹板濕接縫”的技術(shù)措施，其原理為：滯后澆注拉索錨固區(qū)附近的局部邊腹板濕接縫，避免起吊梁段過程中的不利荷載傳遞給拉索錨固區(qū)附近的混凝土橋面板。某大橋滯后澆注的局部濕接縫尺寸及實橋照片如圖6所示。

圖6 滯后現(xiàn)澆縫(單位：cm)Fig.6 Delayed cast-in-place joints (unit: cm)

為了驗證該技術(shù)措施的效果，采用有限元法分析該措施對混凝土橋面板及鋼梁受力的影響，評估施工安全性。選取3#～8#梁段建立有限元模型，將3#梁段端部固結(jié)，其他梁段不設(shè)置多余約束。有限元模型1按照原施工方案澆注所有濕接縫，模型2滯后澆注3#～8#梁段拉索錨固區(qū)附近的局部邊腹板濕接縫。選取對拉索錨固區(qū)橋面板受力最不利的“起吊9#梁段”工況進行計算分析。

4.1 橋面板應(yīng)力分析

3#拉索錨固區(qū)受固結(jié)端的影響，受力與真實情況差異較大，故只分析4#～8#拉索錨固區(qū)應(yīng)力。從理論錨點沿45°方向提取拉索錨固區(qū)橋面板頂面主拉應(yīng)力繪制于圖7。由圖7可知，“滯后澆注局部濕接縫”的措施可使錨固區(qū)內(nèi)的主拉應(yīng)力水平普遍降低，4#～8#拉索錨固區(qū)橋面板最大主拉應(yīng)力降低0.7～2.0 MPa。可見，該技術(shù)措施避免了起吊梁段過程中的荷載傳遞給拉索錨固區(qū)附近的混凝土橋面板，降低了該區(qū)域橋面板主拉應(yīng)力，有利于減小后續(xù)施工階段的拉應(yīng)力累積，從而避免拉索錨固區(qū)混凝土橋面板的開裂。

圖7 拉索錨固區(qū)橋面板主拉應(yīng)力Fig.7 Principal tensile stress of bridge deck in cable anchorage area

提取模型1，2各拉索錨固區(qū)橋面板順橋向正應(yīng)力、橫橋向正應(yīng)力及面內(nèi)剪應(yīng)力的最大值繪制于圖8。由圖8(a)可知，除8#拉索錨固區(qū)外，4#～7#拉索錨固區(qū)橋面板最大順橋向拉應(yīng)力降低了0.3～1.0 MPa。由于與吊機前支點處于同一橫斷面，順橋向負彎矩變化很小，故8#拉索錨固區(qū)橋面板順橋向應(yīng)力變化不大。由圖8(b)可知，5#～8#拉索錨固區(qū)橋面板最大橫橋向正應(yīng)力降低0.2～0.3 MPa。由圖8(c)可知，橋面板面內(nèi)剪應(yīng)力基本無變化。可見，該技術(shù)措施對橋面板面內(nèi)剪應(yīng)力基本無影響，主要是通過減小拉索錨固區(qū)橋面板的彎曲應(yīng)力來避免其開裂。

圖8 拉索錨固區(qū)橋面板最大應(yīng)力對比Fig.8 Comparison of maximum stresses of bridge deck in cable anchorage area

另外，在與拉索錨固橫梁相鄰的一道橫梁與邊腹板交點附近，混凝土橋面板底面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖9所示。由圖9可知，起吊9#梁段時，8#梁段該處主拉應(yīng)力達3.77 MPa。這是因為拉索水平力通過邊腹板直接傳遞給錨固橫梁后面的一道非錨固橫梁，又通過焊釘將拉索水平力傳遞給橋面板，滯后澆注的邊腹板濕接縫造成橋面板截面突變，導(dǎo)致此處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著后續(xù)梁段的拼裝及斜拉索的張拉，主梁壓應(yīng)力儲備不斷增加，此處的主拉應(yīng)力將逐漸降低，不會影響結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性。

圖9 橋面板底面應(yīng)力集中位置(單位：MPa)Fig.9 Stress concentration position on bottom of bridge deck(unit：MPa)

4.2 鋼梁應(yīng)力分析

滯后澆注邊腹板處局部濕接縫可能導(dǎo)致該部位鋼梁受力增加，甚至影響結(jié)構(gòu)施工安全。圖10為4#～8#拉索錨固區(qū)鋼梁頂板和邊腹板的最大Mises應(yīng)力對比。由圖10可知，與原施工方案相比，鋼梁頂板應(yīng)力峰值有所減小，邊腹板應(yīng)力峰值略有增大，但變化均較小。可見，滯后澆注局部濕接縫的技術(shù)措施對鋼梁受力影響較小，可保證施工過程中結(jié)構(gòu)的安全性。

圖10 4#～8#拉索錨固區(qū)鋼梁最大Mises應(yīng)力對比Fig.10 Comparison of maximum mises stresses of steel girder in cable No.4 to No.8 anchorage area

以上計算分析表明了該方法對錨固區(qū)混凝土橋面板的拉應(yīng)力控制效果良好。

起吊梁段時，被吊梁段的大部分自重由懸臂端的2對斜拉索分擔，其索力值增加幅度較大，則懸臂端對應(yīng)的2個梁段的拉索錨固區(qū)橋面板主拉應(yīng)力增量也最大。因此，邊腹板處的局部濕接縫可滯后2個梁段澆注，即在澆注第i號和第i-1#梁段的工地現(xiàn)澆縫時，一起澆注第i-2#和第i-3#滯后現(xiàn)澆縫。某大橋在施工過程中采取了上述“滯后澆注局部濕接縫”的技術(shù)措施后，拉錨固區(qū)橋面板沒有再出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。需要注意的是，采取本研究提出的錨固區(qū)現(xiàn)澆縫滯后澆注措施，雖然可減小錨固區(qū)橋面板施工階段的拉應(yīng)力，但也會影響成橋階段橋面板應(yīng)力分布及應(yīng)力峰值，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體計算與實際情況有所偏差，在設(shè)計階段如何合理地考慮其影響還需展開深入研究。

5 結(jié)論

本研究以某采用節(jié)段整體吊裝法施工的組合梁斜拉橋為工程背景，對懸臂拼裝階段混凝土橋面板的受力狀態(tài)進行分析，并提出了相應(yīng)的防開裂措施。研究結(jié)論如下：

(1)采用節(jié)段整體吊裝法施工的組合梁斜拉橋，當每2個節(jié)段澆注一次橋面板濕接縫時，在起吊新梁段之前，先將待澆濕接縫處的縱向受力鋼筋進行可靠連接，使其與鋼梁共同承受荷載，可避免濕接縫附近混凝土橋面板的開裂。

(2)拉索錨固區(qū)橋面板產(chǎn)生斜裂縫的主要原因有兩點：一是懸臂施工在拉索錨固區(qū)產(chǎn)生了較大的負彎矩；二是斜拉索的水平力傳遞給主梁時，以一定的角度從拉索錨固區(qū)向橋面板中部擴散，軸力擴散最快的區(qū)域面內(nèi)剪應(yīng)力最大，該剪應(yīng)力導(dǎo)致拉索錨固區(qū)附近的橋面板出現(xiàn)較大的主拉應(yīng)力。

(3)滯后澆注邊腹板局部濕接縫有助于降低拉索錨固區(qū)附近混凝土橋面板的主拉應(yīng)力，有效避免橋面板在施工過程中開裂，并保證結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全性。