大跨鋼－混組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)落梁施工敏感性分析研究

嵇永軍 張?zhí)? 蘇文明

摘要 針對目前鋼-混組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)混凝土極易開裂的問題，文章以濰坊至青島公路及連接線工程濰河大橋55 m鋼－混組合簡支梁橋?yàn)楸尘?，拓展研究同等跨徑下的鋼混組合連續(xù)梁，并基于Midas Civil有限元軟件建立了仿真模型，分析不同落梁高度對負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板抗裂性能敏感性影響。結(jié)果表明，落梁施工能有效地防止負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板的開裂，同時(shí)隨著落梁高度的增加，混凝土橋面板在支點(diǎn)處的預(yù)壓應(yīng)力呈明顯增加趨勢，通過分析，50 cm落梁高度為最優(yōu)方案，可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞 鋼－混組合連續(xù)梁橋；負(fù)彎矩；有限元分析；落梁施工敏感性分析

中圖分類號 U445.47+2文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0075-03

0 引言

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)以其經(jīng)濟(jì)效益強(qiáng)、施工效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)正廣泛應(yīng)用到國內(nèi)外連續(xù)梁橋的工程建設(shè)中。然而，由于鋼混組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)域混凝土橋面板處于受拉狀態(tài)，鋼箱梁處于受壓狀態(tài)等不利因素的存在，從而極易引起混凝土板的開裂[1-3]。目前工程上一般采用負(fù)彎矩區(qū)強(qiáng)迫位移法，即“落梁施工”，用以減少負(fù)彎矩區(qū)域混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力影響。然而，對于鋼-混組合連續(xù)梁橋落梁施工的控制，較大的落梁高度會造成施工困難，落梁時(shí)也會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，而較小的落梁高度則會導(dǎo)致支座位置處預(yù)壓應(yīng)力儲備不足，恒載以及活載所引起的混凝土板拉應(yīng)力過大而導(dǎo)致開裂[4-5]。因此，選擇不同的落梁高度，對橋梁整體結(jié)構(gòu)以及負(fù)彎矩區(qū)域的受力影響極為重要。

1 工程背景

濰坊至青島公路及連接線工程濰河大橋跨徑布置為[2×30+（55+30）+5×（3×30）+（30+55）+3×30]m，橋梁全長777 m，其中第三跨和第二十一跨采用窄幅鋼箱組合梁橋進(jìn)行設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為55 m。底板、腹板、中橫梁及橫隔梁均采用Q355D鋼材。單幅橋采用3片窄幅鋼箱主梁，鋼主梁高2.45 m，窄幅鋼箱梁縱梁間距6 m?；炷翗蛎姘寰捎肅50預(yù)制橋面板，橋面板高度25～35 cm，由預(yù)制橋面板、現(xiàn)澆橋面板及橫縱向濕接縫等組成，橋梁結(jié)構(gòu)如圖1～2所示。

為有效研究大跨徑鋼混組合了彎矩區(qū)落梁施工敏感性，該文采用同等跨徑相同斷面的（55+55+55）m鋼混組合連續(xù)梁進(jìn)行研究。

2 有限元模型建立

2.1 模型參數(shù)

主梁橋面板采用C50的混凝土，鋼主梁采用Q355D鋼材，材料特性值如表1所示，材料本構(gòu)關(guān)系采用Midas Civil軟件中彈塑性本構(gòu)模型。在施工階段的整個(gè)過程中考慮了混凝土的時(shí)間依存材料（C和S），即混凝土的收縮、徐變以及強(qiáng)度伴隨時(shí)間變化而變化，混凝土收縮徐變遵循規(guī)范（JTG3362—2018）中的設(shè)計(jì)函數(shù)，全橋整體模型不考慮普通構(gòu)造鋼筋以及其他預(yù)埋件對結(jié)構(gòu)受力的影響，研究模型共有1 053個(gè)節(jié)點(diǎn)，636個(gè)梁單元所組成，如圖3所示。

2.2 施工階段劃分

根據(jù)現(xiàn)場施工流程，建立Midas Civil全橋施工階段模型，詳細(xì)施工階段如表2所示。

3 全橋落梁工況敏感性分析

對于鋼－混組合連續(xù)梁橋，落梁高度是落梁施工技術(shù)最重要的控制指標(biāo)，落梁高度的取值既要保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以及施工過程中主梁局部受力的合理性，又要使混凝土橋面板的預(yù)壓應(yīng)力儲備足夠大，防止橋梁成橋后出現(xiàn)大面積負(fù)彎矩區(qū)域混凝土的開裂[6-8]。根據(jù)該橋的實(shí)際跨度，在Midas Civil有限元模型中，通過節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移來模擬落梁荷載工況。為選取合適的落梁高度施工，分別研究了不同落梁高度混凝土橋面板上緣的應(yīng)力變化，不同落梁高度工況如表3所示，應(yīng)力結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，鋼－混組合連續(xù)梁橋的落梁對混凝土橋面板有較好的預(yù)壓作用，且在支座位置的預(yù)壓作用最大，可以更好地抵消混凝土橋面板在中間支座位置的負(fù)彎矩，從而達(dá)到防止混凝土橋面板在負(fù)彎矩區(qū)域開裂的目的。工況一中當(dāng)落梁高度為30 cm時(shí)，混凝土橋面板上翼緣支座處的最大預(yù)壓應(yīng)力為4.65 MPa；工況二、三、四中落梁高度分別為50 cm、70 cm、80 cm，此時(shí)混凝土橋面上翼緣支座處的最大預(yù)壓應(yīng)力分別為6.15 MPa、8.55 MPa、9.79 MPa。工況一產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力是工況二的75.6%，工況三的54.3%，工況四的47.5%。由此可知，隨著落梁高度的增加，跨中支座處混凝土橋面板的預(yù)壓應(yīng)力呈大幅增加趨勢。

在實(shí)際工程中，為了確定最佳的落梁高度，需要提前分析混凝土橋面板在恒載以及活載作用下的應(yīng)力。該文建立施加二期鋪裝荷載以及移動荷載的仿真模型，得到了全橋混凝土橋面板在恒載與活載作用下沿跨徑長度方向的橋面最大應(yīng)力為6.02 MPa，如圖8所示。

4 結(jié)語

通過對鋼－混組合連續(xù)梁橋不同落梁高度分析，可得出如下結(jié)論：

（1）對于鋼－混組合連續(xù)梁橋隨著落梁高度的增加，跨中支座處混凝土橋面板的預(yù)壓應(yīng)力呈大幅增加趨勢，較大的落梁高度會造成施工困難，落梁時(shí)也會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，而較小的落梁高度則會導(dǎo)致支座位置處預(yù)壓應(yīng)力儲備不足，恒載以及活載所引起的混凝土板拉應(yīng)力過大而導(dǎo)致開裂。

（2）在恒載與活載作用下，混凝土橋面板跨中支座上翼緣的最大拉應(yīng)力約6.02 MPa。當(dāng)落梁50 cm時(shí)，中間支座處的最大預(yù)壓應(yīng)力為6.15 MPa，更加接近于成橋狀態(tài)，因此落梁50 cm為最優(yōu)落梁施工高度。

（3）研究結(jié)果表明，該模擬方法能較好地模擬鋼－混組合梁的落梁工況，且落梁工況能有效地防止大跨鋼－混組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面開裂。

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