整體預制鋼-混疊合梁結構優化及負彎矩區受力性能研究

王馳 孫斌 孫九春 龐丹丹

（1 同濟大學;2 騰達建設集團股份有限公司）

整體預制鋼-混組合梁是一種在工廠預制鋼梁并澆筑橋面板的組合梁，其避免了傳統組合梁繁瑣的現場施工工序，具有施工效率高且不影響交通的優勢，能最大程度滿足城市高架橋與跨江跨海長橋的建設要求[1]。然而，整體預制鋼-混組合連續梁橋墩頂負彎矩區域混凝土頂板不可避免地處于受拉狀態，極易引起混凝土開裂，從而影響橋梁的受力性能和使用壽命[2]。

針對組合梁負彎矩區橋面板的開裂問題，專家學者開展了大量的有限元分析和模型試驗研究。閆龍等[3]對兩跨組合連續箱梁橋的中支點頂升回落進行了模擬分析，明確了支點頂升的合理高度。張鑫[4]通過控制變量法對壓重法對鋼板-混凝土組合梁負彎矩區混凝土橋面板應力水平的改善作了定量分析，結果表明對于兩跨組合連續梁橋通過壓重法改善負彎矩區混凝土拉應力效果明顯。郭瑞[5]進行了后結合預應力組合梁的開裂性能試驗，結果表明采用后結合預應力混凝土橋面板能夠大大提高組合梁負彎矩區混凝土的抗裂性能。邵旭東[6]提出了一種適用于先簡支后結構連續的新型鋼-混組合梁橋負彎矩區UHPC 濕接縫方案，可充分發揮UHPC材料優異的性能，提高負彎矩區混凝土橋面板的抗裂性能。由于墩頂負彎矩受跨徑、結構形式、荷載等因素影響，因此應針對具體工程進行具體分析，研究不同措施對墩頂負彎矩區橋面板抗裂性能的影響規律，從而確定合理的裂縫控制措施。

本文以某整體預制鋼-混疊合梁橋為背景,通過參數分析研究了截面設計參數對結構性能的影響規律，同時還針對鋼-混組合連續梁負彎矩區應力改善方法進行了分析，相關結論對今后類似工程的設計分析具有一定的指導意義。

1 背景工程

某連續梁橋上部結構采用整體預制鋼-混凝土組合梁形式，鋼梁與橋面板在工廠共同預制，單片組合梁逐跨現場吊裝后現澆縱、橫向濕接縫形成整體。

該橋跨徑布置為35+35+30m，雙幅雙向七車道設計，設計荷載等級為公路I級。橋面全寬30m，橋面橫向布置為：0.5m（防撞欄桿）+12.25m（行車道）+0.5m（中央分隔帶）+16.25m（行車道）+0.5m（防撞欄桿），橫向共布置7 片組合箱梁，其中一片中梁的標準橫斷面如圖1 所示。橋面板采用強度等級為C40 的混凝土，鋼梁采用Q345鋼材。

圖1 中梁標準橫斷面圖

2 有限元模型

采用橋梁博士V4.4 建立整體預制鋼-混疊合梁中受力最不利中梁的有限元模型。橋面板與鋼梁均采用梁單元，全橋共有106個單元，107個節點。截面服從平截面假定，忽略鋼材與混凝土界面滑移效應。模型邊界條件采用一般節點連接進行各方向約束。整體預制鋼-混疊合梁中梁的整體有限元計算模型如圖2所示。

圖2 中梁整體有限元模型

3 截面設計參數分析

本研究選取鋼箱梁下翼緣板的最大應力、混凝土板上緣的最大應力以及組合梁的整體變形作為計算指標，分析混凝土板厚度、鋼梁上下翼緣板厚度、腹板厚度以及腹板高度改變對目標值的影響規律，以期得到合理的參數取值建議。

3.1 混凝土板厚度

參數分析中混凝土板厚度依次取200mm、210mm、220mm、230mm、240mm。混凝土板厚度變化對各個計算指標的影響如圖3 所示，圖中縱坐標為不同混凝土板厚度取值下計算指標數值與混凝土板厚取220mm 時計算指標數值的比值，各個計算指標的具體數值見表1。

表1 計算指標數值隨混凝土板厚度的變化

圖3 混凝土板厚度對計算指標的影響規律

由分析結果可知，混凝土板厚度增加會引起鋼箱梁最大應力和混凝土頂板最大壓應力的增加，但增幅很小；而混凝土頂板最大拉應力會顯著減小，且跨中最大撓度值也略有減小。

3.2 上翼緣板厚度

《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)[7]中板件最小限值規定為12mm，參數分析中上翼緣板厚度取值依次為16mm、18mm、20mm、22mm、24mm。上翼緣板厚度變化對各個計算指標的影響如圖4 所示，圖中縱坐標為不同上翼緣板厚度取值下計算指標數值與上翼緣板厚度取20mm 時計算指標數值的比值，各個計算指標的具體數值見表2。

表2 計算指標數值隨上翼緣板厚度的變化

圖4 上翼緣板厚度對計算指標的影響規律

由圖4 可知，上翼緣板厚度增加對鋼梁最大應力、混凝土頂板最大壓應力及結構整體變形的影響極小，而混凝土頂板最大拉應力略有增加。

3.3 腹板厚度

參數分析中腹板厚度取值依次為12mm、13mm、14mm、15mm、16mm，腹板厚度變化對各個計算指標的影響如圖5 所示，圖中縱坐標為不同腹板厚度取值下計算指標數值與腹板厚度取14mm 時計算指標數值的比值，各個計算指標的具體數值見表3。

表3 計算指標數值隨腹板厚度的變化

圖5 腹板厚度對計算指標的影響規律

由圖5 可知，腹板厚度增加會使得鋼梁最大應力與結構整體變形減小，混凝土頂板拉應力增加，而上緣壓應力的變化幾乎可以忽略不計。

3.4 腹板高度

整體預制鋼-混疊合梁原設計中腹板高度取值為1.3m，參數分析中腹板高度依次取1.2m、1.25m、1.3m、1.35m、1.4m。腹板高度變化對各個計算指標的影響如圖6 所示，圖中縱坐標為不同腹板高度取值下計算指標數值與腹板高度取1.3m 時計算指標數值的比值，各個計算指標的具體數值見表4。

表4 計算指標數值隨腹板高度的變化

圖6 腹板高度對計算指標的影響規律

由圖6 可知，組合梁腹板高度增加會使得鋼梁最大應力、混凝土頂板最大壓應力以及結構整體變形減小，而上緣拉應力的變化極小。

3.5 下翼緣板厚度

下翼緣板厚度取值依次為29mm、32mm、35mm、38mm、41mm。下翼緣板厚度變化對各個計算指標的影響如圖7 所示，圖中縱坐標為不同下翼緣板厚度取值下計算指標數值與下翼緣板厚度取35mm 時計算指標數值的比值，各個計算指標的具體數值見表5。

表5 計算指標數值隨下翼緣板厚度的變化

圖7 下翼緣板厚度對計算指標的影響規律

由圖7 可知，下翼緣板厚度增加會引起鋼梁最大應力和跨中最大撓度的顯著減小，同時也會引起混凝土頂板最大拉應力的顯著增加，而其對于混凝土頂板最大壓應力幾乎無影響。

4 負彎矩區性能改善方法研究

本研究的背景工程采用了跨中配重法以及負彎矩區混凝土滯后施工的方法來改善負彎矩區的受力性能。為探明不同的施工措施對墩頂負彎矩區橋面板抗裂性能的影響規律，提升鋼-混組合梁的抗開裂能力，本文選取橋面板最大拉應力及橋面板頂緣最大裂縫寬度為計算指標，分析了跨中堆載值大小、跨中堆載范圍和墩頂負彎矩區合攏順序對計算指標的影響規律。

4.1 跨中堆載值

本節通過控制變量的方法對跨中堆載值大小對鋼-混凝土組合梁橋負彎矩區混凝土橋面板應力水平和裂縫寬度的改善作定量分析。原整體預制鋼-混凝土組合梁設計中每片梁的跨中堆載值為50kN/m，本次參數分析中跨中堆載值分別取10kN/m、30kN/m、50kN/m、70kN/m、90kN/m。跨中堆載值變化對負彎矩區混凝土橋面板最大拉應力及橋面板頂緣最大裂縫寬度的影響趨勢如圖8 所示，圖中縱坐標為不同跨中堆載值下計算指標數值與跨中堆載值取50kN/m 時計算指標數值的比值，各個計算指標的具體數值見表6。

表6 計算指標數值隨跨中堆載值的變化

圖8 跨中堆載值對計算指標的影響規律

從分析結果可以看出，當跨中預壓荷載值從10kN/m增加到90kN/m，支座處混凝土板上緣最大拉應力值減小了81.52%（1.756MPa），橋面板頂緣最大裂縫寬度減小了31.4%（0.065mm）。可見，跨中預壓荷載值的增加對于負彎矩區混凝土橋面板上緣最大拉應力與最大裂縫寬度的減小影響顯著。

4.2 跨中堆載范圍

原整體預制鋼-混組合梁設計中每片梁的跨中堆載范圍為跨中15m，參數分析中跨中堆載范圍分別取跨中5m、10m、15m、20m、25m。跨中堆載值變化對負彎矩區混凝土橋面板最大拉應力及橋面板頂緣最大裂縫寬度的影響趨勢如圖9所示，各個計算指標的具體數值見表7。

表7 計算指標數值隨跨中堆載范圍的變化

圖9 跨中堆載范圍對計算指標的影響規律

從分析結果可知，當跨中預壓荷載范圍從5m 增加到25m，支座處混凝土板上緣最大拉應力值減小了15.52%（0.228MPa），橋面板頂緣最大裂縫寬度減小了5.65%（0.01mm）。可見，跨中預壓荷載范圍的增加會引起負彎矩區混凝土板上緣最大拉應力與最大裂縫寬度的減小。

4.3 墩頂負彎矩區合攏順序

原整體預制鋼-混組合梁墩頂負彎矩區混凝土板澆筑順序為左右墩頂處同時澆筑，由于左右邊跨跨徑非對稱，故考慮分析兩墩頂負彎矩區的先后合攏順序對鋼-混凝土組合梁橋負彎矩區混凝土橋面板拉應力水平及最大裂縫寬度的影響規律。分析設先合攏左邊跨與中跨再合攏右邊跨、先合攏右邊跨與中跨再合攏左邊跨與三跨同時合攏三種工況，三種工況下整體預制鋼-混組合梁橋各個計算指標的變化規律如圖10 所示，具體數值見表8。

表8 計算指標數值隨合攏順序的變化

圖10 合攏順序對計算指標的影響規律

從分析結果可以看出，先合攏左邊跨與中跨再合攏右邊跨的方案與同時合攏方案的組合梁負彎矩橋面板最大拉應力基本一致，先合攏右邊跨與中跨再合攏左邊跨的方案下組合梁負彎矩橋面板最大拉應力較同時合攏工況下的拉應力小5.99%（0.08MPa），而三種工況下橋面板頂緣最大裂縫寬度變化極小。可見，墩頂負彎矩區橋面板合攏順序對于組合梁負彎矩區受力性能的影響較小。

5 結語

本文針對整體預制鋼-混疊合梁的截面尺寸優化及負彎矩區受力性能改善措施問題進行了參數分析研究，得出以下結論：

⑴混凝土板厚度、腹板高度及下翼緣板厚度的變化對整體預制鋼-混疊合梁橋的受力影響較為明顯，腹板厚度對組合梁受力影響較小，上翼緣板厚度對組合梁的受力性能幾乎無影響。

⑵在結構安全的前提下，可通過減小上翼緣板、腹板與下翼緣板厚度來降低負彎矩區混凝土頂板拉應力，同時可以提高組合梁的經濟性。

⑶增加跨中預壓載可以顯著減小墩頂負彎矩區混凝土頂板的拉應力，提高組合梁的抗裂性能；增大跨中預壓載的布載范圍也可以改善組合梁的負彎矩區受力，但效果不太顯著；墩頂負彎矩的合攏順序對組合梁的抗裂性能影響很小。