梁體施工方式對密肋式鋼板組合梁受力的影響分析

摘要：

鋼結構在橋梁建設中占據越來越重要的地位，其中鋼板組合梁在中小跨徑橋梁中具有一定的競爭優勢。文章以某高速公路20 m密肋式鋼板組合梁為研究對象，基于Midas Civil有限元軟件分析不同施工方式對主梁應力的影響。結果表明：鋼與混凝土橋面板結合后分梁片架設的方式受力性能優于先整體架設鋼梁后吊裝橋面板，同時分梁片后施工速度更快；建議采用架橋機對中小跨徑鋼板組合梁分梁片架設。

關鍵詞：橋梁建設；鋼板組合梁；施工方式；受力性能

中圖分類號：U441+.5 A 43 143 3

0 引言

鋼結構橋梁是橋梁實現工業化建造、提升橋梁質量的有效措施。在歐洲、美國、日本，鋼結構橋梁占比＞30%，并且新建橋梁中的鋼結構占比更高，而國內鋼結構橋梁占比＜1%。近來年，在交通運輸部鋼結構相關指導意見的支持下，各省區加快了鋼結構橋梁通用圖編制工作。鋼結構具有自重輕、承載能力高、便于工廠化加工制造等優勢，在大跨徑橋梁中得到了越來越多的應用。而在中小跨徑橋梁中，考慮到工程經濟性，一般多采用組合梁形式。鋼板組合梁相比于鋼箱組合梁，用鋼量具有明顯優勢，且加工制造簡單，在公路橋梁建設中更受歡迎。

鋼板組合梁結構受力性能主要受材料強度、結構設計和施工方式的影響。王思偉等［1］研究了栓釘類型和橫梁設計方式對荷載橫向分布的影響。楊凱等［2］針對腹板加勁肋對鋼板組合梁強度和穩定性進行了分析。肖驍［3］結合規范要求，采用有限元軟件對鋼板組合梁中鋼和混凝土的力學性能進行了詳細分析。韓富慶等［4］研究了耐候鋼在鋼板組合梁中的應用，并分析了結構選型和細節設計。目前文獻中缺少對于鋼板組合梁施工方式的研究，實際工程中鋼板組合梁施工方式也存在一定差異，影響結構受力。對于鋼板組合梁而言，一般多采用多主梁體系，即密肋式，本文以20 m跨徑密肋式鋼板組合梁為研究對象，分析不同的施工方式對主梁受力的影響，為鋼板組合梁設計和施工提供合理建議。

1 工程概況

某高速公路項目為雙向六車道，整幅橋面總寬為34.5 m，主線長50 km，橋梁占比22%，橋梁受力模式為簡支橋面連續。全線橋梁平均高度約為22 m，入城段橋梁平均高度為14 m，且入城段地勢較為平坦，有利于鋼梁運輸。為推廣鋼結構，提升工業化建造水平，通過橋型方案比選，在施工成本可控范圍內，參考交通運輸部鋼板組合梁標準圖，該入城段橋梁上部結構采用20 m鋼板組合梁方案，下部結構方案與常規裝配式混凝土橋一致。20 m跨徑鋼板組合梁標準橫斷面如圖1所示。

鋼板組合梁總高為1 400 mm，其中鋼梁高度為1 100 mm，預制橋面板厚度為250 mm，鋼板上翼緣兩側設置厚度為50 mm橡膠墊條。該橋選擇20 m跨徑的主要原因為：主梁采用熱軋H型鋼，在工廠成品定制，無須進行主梁的二次加工，節約工期。主梁上下翼緣寬度均為475 mm，縱橋向布置三排栓釘，上下翼緣厚度均為32 mm，由于腹板厚度過薄，運輸過程中易發生屈曲問題，故腹板厚度取20 mm。橫梁共設置5道，其中端橫梁2道，中橫梁3道，均采用熱軋H型鋼。鋼材均采用Q345，泊松比為0.3，容重為78.5 kN/m3；預制橋面板混凝土材料為C50，泊松比為0.2，容重為26" kN/m3；橋面采用C40混凝土鋪裝和瀝青混凝土鋪裝，其容重分別為26 kN/m3和24 kN/m3。橋梁設計荷載等級為公路Ⅰ級，橫梁與主梁采用栓接連接。

2 施工方式

一跨20 m鋼板組合梁由6片熱軋H型鋼組成，結構自重較輕，上部結構主要施工方式有3種：

施工方式1：采用2片一榀方式。在梁場安裝臺座上先與預制橋面板結合，并連接2片梁之間的橫梁，然后通過架橋機將2片一榀依次吊裝就位，連接剩余橫梁，最后完成護欄和鋪裝的施工。

施工方式2：采用3片一榀方式。在梁場安裝臺座上先與預制橋面板結合，并連接3片梁之間的橫梁，然后通過架橋機將3片一榀依次吊裝就位，連接剩余橫梁，最后完成護欄和鋪裝的施工。

施工方式3：受架橋機限制，6片梁不能同時吊裝，該施工方式采用常規鋼板組合梁施工方式，即先在橋跨上完成鋼結構部分的安裝，然后吊裝預制橋面板并與鋼結合成整體，最后完成護欄和鋪裝的施工。

對比以上3種施工方式，前兩種可在梁場內完成2片或3片一榀鋼板組合梁的安裝，然后直接通過架橋機完成施工，施工工期大大縮短，有利于推動鋼板組合梁工業化建造。

3 有限元模型

預制橋面板放置6個月，以消除早期收縮徐變，然后吊裝與鋼材結合成整體。整體升降溫按照25 ℃考慮，溫度梯度按規范選取［5］，由于預制橋面板結合前的濕重作用，通過結構試算，活載按照四車道偏載進行影響線加載。考慮施工過程對結構受力的影響，基于Midas Civil有限元軟件，針對3種施工方式分別建立有限元模型，如圖2所示。

4 結果分析

4.1 施工過程分析

由于施工方式1和施工方式2需要在梁場內完成鋼板組合梁的大部分安裝工作，鋼梁在運輸至橋位架橋機前，鋼板梁均處于拼裝臺座上，處于多點支承狀態，不是施工過程分析的重點。兩種施工方式的最不利狀態為一榀梁剛吊裝就位，橫向尚未澆筑預制橋面板間濕接頭，全橋未形成整體，此時一榀鋼梁應力如圖3和圖4所示。

施工方式3的鋼梁在橋孔全部安裝完畢，預制橋面板作為荷載作用于鋼梁上時為施工過程最不利狀態，此時鋼梁應力如圖5所示。

計算結果表明：考慮3種梁體施工方式的差異，標準組合下，施工方式1和施工方式2的鋼梁最大拉應力基本接近，分別為37.8 MPa和38.2 MPa，施工方式3的鋼梁最大拉應力為55.8 MPa，拉應力均滿足規范要求［6］。相對而言，施工方式3的施工過程中應力最為不利。

4.2 成橋分析

對于20 m跨徑鋼板組合梁而言，密肋體系在施工階段中鋼材應力較小，一般施工階段不控制設計。由于鋼板組合梁結構較輕，活載占比相對混凝土橋大，因此充分考慮各類荷載影響，對鋼板組合梁進行成橋分析是結構驗算的關鍵。經計算，活載偏載下結構受力最為不利。提取基本組合下各片鋼梁跨中下翼緣拉應力如圖6所示，其中6號梁所在方向為偏載方向。

計算結果表明：（1）3種施工方式成橋后的鋼梁最大拉應力為218.4 MPa，滿足規范容許值275 MPa的要求［6］，鋼材利用率較高；（2）施工方式1所采用的2片一榀鋼板組合梁與施工方式2所采用的3片一榀鋼板組合梁成橋后各片梁受力一致，應力數值基本相同，兩種施工方式相同點為鋼板組合梁架設至橋孔前在梁場內已完成兩種材料的結合，因此，在此種情形下，結構應力狀態與梁片數無關，在架橋機吊裝能力范圍內，采用3片一榀架設效率高于2片一榀；（3）鋼板組合梁采用先在橋孔處安裝鋼板再吊裝預制橋面板的傳統施工方式3，鋼梁受力最為不利，相比于施工方式1和施工方式2，最大拉應力增加約25 MPa，且施工效率低，現場作業工序多，鋼梁安裝風險較高。

5 結語

本文以某高速公路20 m跨徑鋼板組合梁為研究對象，基于Midas Civil有限元軟件，對比分析了3種梁體施工方式對鋼板組合梁結構受力的影響。基于橋梁工業化建造思路，2片一榀和3片一榀鋼板組合梁采用架橋機吊裝至橋孔的施工方式，其施工過程和成橋后鋼梁應力均明顯小于傳統施工方式，同時施工效率大大提高，結構耐久性更優，是鋼結構橋梁實現工業化建造的有效途徑。

參考文獻

［1］王思偉，陳雙慶.鋼板組合連續梁橋荷載橫向分布影響研究［J］.江蘇科技大學學報（自然科學版），2022，36（4）：114-118.

［2］楊 凱，劉婉玥.裝配式鋼板組合梁腹板加勁肋設計分析［J］.工程與建設，2022，36（2）：333-335，391.

［3］肖 驍.鋼板組合梁數值模擬研究［J］.北方交通，2021（10）：21-24.

［4］韓富慶，婁 健，萬志勇，等.耐候鋼鋼板組合梁橋的設計與應用［J］.公路，2021，66（9）：197-202.

［5］JTG D60-2015，公路橋梁設計通用規范［S］.

［6］JTG D64-2015，公路鋼結構橋梁設計規范［S］.

收稿日期：2023-01-10