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(duì)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(jiǎn)支梁橋?yàn)楸尘埃卣寡芯客瓤鐝较碌匿摶旖M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(duì)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(shì)，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(hào) U445.47+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）14-0075-03

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)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(guó)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(duì)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(huì)造成施工困難，落梁時(shí)也會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，而較小的落梁高度則會(huì)導(dǎo)致支座位置處預(yù)壓應(yīng)力儲(chǔ)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(duì)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(zhǎng)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。混凝土橋面板均采用C50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(duì)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?jiǎn)卧M成，如圖3所示。

2.2 施工階段劃分

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(chǔ)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(duì)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(shì)。

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(dòng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(shì)，較大的落梁高度會(huì)造成施工困難，落梁時(shí)也會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，而較小的落梁高度則會(huì)導(dǎo)致支座位置處預(yù)壓應(yīng)力儲(chǔ)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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