裝配式鋼混組合梁橋頂推施工關鍵截面受力分析

摘要 裝配式鋼混組合梁是將鋼材與混凝土有效連接，共同承擔荷載的結構，其結構特點能有效發揮混凝土橋面板的抗壓性能及鋼主梁的抗彎拉性能。在設計過程中通常更多地關注主梁成橋狀態，而對不同施工階段的受力分析則較少。文章結合某高速公路裝配式鋼混組合梁設計，通過Midas Civil軟件模擬頂推施工過程，對關鍵截面進行受力分析。研究結論如下：相較于常規頂推施工方法，通過拉索加固法可將受力體系轉換過程中關鍵截面的撓度降低15%～20%，將應力控制在允許值范圍內；對接觸受荷部位可采用墊塊及倒角的方式進行局部加強，以增大受荷面積、減少局部應力集中；在頂推施工過程中，妥善解決受力體系轉換過程中關鍵截面的撓度變化及頂推部位的局部應力集中，可有效提高高速公路跨線橋梁在施工及運營期的安全可靠性。

關鍵詞 裝配式結構；鋼-混凝土組合梁；頂推施工；高速公路

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）16-0134-04

0 引言

隨著我國交通運輸能力的提高及城市化進程的加速發展，跨河、跨線交叉逐漸增多，使得公路建設環境逐漸復雜。裝配式鋼混組合梁由于其自重輕、預制及運輸方便、拼裝占用場地面積小等特點，在跨線橋建設中得到了廣泛應用。跨線橋的建設需保障施工過程不得影響下方既有道路通行，且整體跨越距離受地形及既有道路寬度的影響較大。在大跨徑橋梁的頂推施工中，可采用拉索加固法，通過臨時拉索的多點彈性支撐可有效降低導梁前端懸臂狀態下的撓度，優化主梁應力分布。

季自剛等[1]對大跨徑超長曲線鋼箱組合梁頂推施工控制進行了研究，提出需重點關注導梁前端點的豎向位移及頂推階段的鋼箱梁、導梁結構應力，以確保鋼箱梁頂推過程中的穩定性、強度與剛度及抗傾覆性；趙人達等[2]對頂推法施工的起源，以及國內外頂推法施工的發展狀況進行了介紹，重點研究了頂推施工中導梁參數的確定方法、梁體施工精度對頂推過程產生的影響、梁體頂推過程受力分析等方面；施軍等[3]對大跨鋼箱梁頂推施工中的臨時扣索塔架進行了分析，通過建模計算，提出通過扣索塔架減小頂推梁體在大懸臂工況下的撓度，相較于未設置扣鎖塔架情況，梁體頂面及底面最大主應力分別降低了62.7%和29.5%。

該文旨在深入探討裝配式鋼混組合梁橋頂推施工關鍵截面的受力分析，通過模擬橋梁結構的頂推施工過程，分析關鍵截面的變形及應力的變化情況，為鋼混組合梁橋的結構設計及施工過程控制提供思路。

1 組合梁橋先進建造技術的探索

1.1 裝配式組合梁橋的發展歷程

裝配式組合梁橋能良好地利用上部預制橋面板的抗壓性能，以及下部鋼梁的抗彎拉性能，在兼顧減輕結構自重、縮短施工工期的同時提供足夠高強度的結構使用性能。正因如此，在20世紀40年代該組合結構體系在西方國家取得了快速發展和應用。我國橋梁結構通常采用混凝土材料，但因其自重大，現澆施工模板及支架受場地限制，導致在跨線跨河橋梁中使用困難。隨著我國鋼材產量及制作工藝的提升[4]，近年來鋼結構在橋梁建設中得到了廣泛使用，目前國內鋼梁的主要結構類型為鋼桁梁、鋼箱梁及鋼板疊合梁等。頂推工藝也隨之引入國內的工程建設中，使得跨線跨河橋有了更便捷的施工方法。

這種建設理念在保證構件質量的同時，顯著提升了橋梁建設速度，但也在施工和運營期暴露出部分問題。首先，在預制階段需要大量場地用于構件制造和存放，給現場施工的準備工作帶來挑戰。其次，預制件接縫成為結構薄弱部位，易導致滲水等問題，影響橋梁使用壽命和安全性。因此，在裝配式組合梁橋的推廣過程中，需要綜合考慮這些問題并采取相應措施，以確保橋梁的質量、安全性和可持續發展性。

1.2 鋼-混凝土組合梁橋優缺點研究

裝配式組合連續梁橋是將鋼板梁與混凝土通過黏結或機械連接等方式結合在一起，以形成一體化的結構。鋼梁作為組合梁橋中的關鍵構件，具有較高的強度、剛度和穩定性。鋼梁-混凝土組合梁橋同時具備混凝土的強度高以及鋼材材料韌性好等優點[5]。與鋼筋混凝土橋梁相比，可避免因鋼結構損壞而產生的失穩和屈服問題。與鋼橋相比，橋梁的強度得到提高且自重下降。鋼-混凝土組合梁橋優缺點如表1所示。

2 工程實例

2.1 工程概況

某高速公路特大橋位于長下坡路段，縱坡-3%，橫坡單向3%，圓曲線半徑1 000 m，設計車速為100 km/h，左右分幅，單幅橋面寬度為12.8 m，設計荷載公路I級；為斜交跨越既有高速公路及匝道，設計三跨（50 m+50 m+50 m）的鋼混組合連續梁橋。主梁由3片工字鋼、腹板加勁肋及橫向連接組成，主梁中心間距為5.1 m。整體梁高2.5 m，單片工字鋼高度為2.2 m。在墩、臺支點及梁段跨中均采用實腹式橫隔梁構造。預制及現澆橋面板均采用C50混凝土，鋼主梁及導梁分別采用Q420qc和Q235號鋼材。主梁標準橫斷面如圖1所示。

鋼主梁的架設采用多點頂推，分別在前兩跨跨中設置臨時支墩。由于橋位處地質情況較差，表層有近20 m厚的素填土。為優化主梁受力、減少臨時支墩沉降，同步配合采用拉索加固法。臨時支墩及拉索加固布置如圖2所示。

2.2 頂推施工階段邁達斯模型建立

采用Midas Civil有限元軟件模擬該3×50 m鋼混組合梁的頂推施工過程，對各施工階段關鍵截面的受力及變形情況進行分析。有限元程序中，鋼主梁材料采用Q420qc鋼導梁材料采用Q235。施工階段模擬采用前進法，即真實模擬橋墩不動[6]，主梁及導梁根據頂推長度變化而不斷移動，主梁與下部結構間的約束根據各支座的實際約束方向進行控制；恒荷載根據材料及截面尺寸取值，而活荷載及各分項系數則根據規范取值，模型如圖3所示。

2.3 頂推施工階段主梁及導梁撓度變化分析

通過對各頂推施工階段進行數值模擬分析，研究發現：在懸臂狀態下，主梁及導梁的前端端頭撓度受頂推距離變化最為敏感。通過觀察各頂推施工階段梁體前端的豎向位移，提取不同頂推距離下梁體前端的撓度結果。在相同條件下，建立未采用拉索加固的常規頂推模型，并記錄不同頂推距離下梁體前端的撓度結果與之對比，如圖4所示。

由圖4可知，隨著頂推距離的增加，豎向位移逐漸增大，當頂推距離達到50 m時，導梁前端處于最大懸臂狀態，最大撓度為224 mm；當頂推距離大于50 m時，隨著頂推距離增加，導梁前端會出現短暫的向上翹曲，最大位移達到41 mm；隨著導梁懸臂部分增加，導梁前端位移會再次呈負值，循環往復直至頂推完畢；而在未采用拉索加固的常規頂推模型中，當頂推距離達到50 m時，導梁前端處于最大懸臂狀態，最大撓度為258 mm，已接近撓度允許的極限值。

不同施工階段的荷載差異性較大[7]。針對不同的施工工況，可采用拉索加固法對臨時拉索的索力進行同步調整，動態控制各施工階段下的撓度變化值，以確保高速公路橋梁結構的安全穩定性。采用常規的頂推方法時，應在設計階段更為準確地模擬各施工階段的施工荷載[8]，以確保結構的材料強度及截面尺寸滿足不同施工階段下的撓度變化。

由于實際施工時，最大懸臂狀態下的導梁前端撓度直接影響主梁能否在墩臺支座中心線處成功落架，因此通過對撓度變化趨勢的深入分析和監測，可以更好地指導頂推施工過程中的操作，并及時采取必要的措施應對撓度變化帶來的潛在影響。

2.4 頂推施工階段主梁彎矩變化分析

隨著頂推距離的變化，主梁各截面的最大正彎矩及最大負彎矩均處于循環變化的狀態。頂推施工模擬中，各主梁斷面的最大正彎矩均在2 000 kN·m上下浮動。通過對各施工階段下的彎矩包絡圖對比分析發現，在第一孔導梁前端就位時主梁出現最大正負彎矩極值。該狀態下的主梁彎矩包絡圖如圖5所示，主梁的正負彎矩在24 m處達到最大值，分別為2 858.7 kN·m和-6 846.2 kN·m。正負彎矩值的變化能有效反映結構的受力狀態。

2.5 頂推施工階段主梁應力變化分析

由頂推施工階段主梁撓度及彎矩變化分析可知，導梁前端位于最大懸臂時，結構處于最不利受力狀態。對比各頂推施工階段的主梁關鍵截面應力，發現其變化趨勢基本與之相符。在應力變化過程中，由于極值出現在不同截面，該工程中的主梁采用同材料、等高度的工字鋼，因此單獨對各截面頂底板的應力變化過程進行羅列的意義不大，僅需對施工階段中應力的極值變化情況進行統計分析，施工階段主梁應力變化曲線如圖6所示。研究發現，在頂推施工過程中，應力極值始終處于較低水平。

2.6 頂推施工階段頂推部位應力優化

頂推施工階段除對主梁撓度、彎矩、應力進行分析外，還應注意對集中受荷部位的優化和補強。工字鋼截面相比箱形截面，截面面積較小，頂推過程受荷部位相對集中。在應力云圖中能明顯觀察到端部的應力異常，在未采取補強措施時，局部應力高達245 MPa。在施工前，應對端部采取橡膠墊塊等措施，以增大受荷面積，分散局部應力。必要時可采用墊板加倒角的方式，減小應力突變，使荷載平穩過渡到腹板及頂底板。

3 結論

該文以鋼-混組合梁頂推施工為研究對象，結合某在建高速公路3×50 m鋼混組合梁橋案例，建立了Midas Civil模型，以模擬頂推施工過程，通過對其關鍵截面進行受力分析，得出以下結論：

（1）在鋼混組合梁設計階段，除對成橋狀態下主梁的受力驗算外，還應充分考慮施工期荷載及體系轉換的影響，材料強度及截面尺寸的選定應能滿足整個施工過程的要求。

（2）頂推施工采用拉索加固法能有效降低導梁及主梁撓度。當頂推距離達到50 m，導梁前端在最大懸臂狀態下的撓度為224 mm；對比常規頂推方法，導梁前端在最大懸臂狀態下的撓度為258 mm，降低了約15%。對于大跨徑鋼梁的頂推，可綜合采用拉索加固及臨時支墩以優化主梁受力，拉索加固可對主梁提供多點彈性支撐，通過靈活調整索力，可動態控制不同荷載狀態下的主梁應力及撓度。

（3）在頂推施工模擬中，各主梁斷面的最大正彎矩均在2 000 kN·m上下浮動，主梁的正負彎矩在24 m處達到最大值，分別為2 858.7 kN·m和-6 846.2 kN·m。正負彎矩值的變化能有效反映結構的受力狀態在頂推過程中的變化情況，幫助合理判斷主梁的承載能力，優化主梁截面設計，確保裝配式組合梁在頂推過程中的安全可靠。

參考文獻

[1]季自剛，王東營，凌振國，等.跨徑超長曲線鋼箱組合梁頂推施工控制研究[J].施工技術（中英文），2023（6）：53-58+68.

[2]趙人達，張雙洋.橋梁頂推法施工研究現狀及發展趨勢[J].中國公路學報，2016（2）：32-43.

[3]施軍，蘭小鈞，高亞民，等.大跨鋼箱梁頂推施工中臨時扣索塔架作用分析[J].重慶建筑，2023（5）：41-44.

[4]章建成.鋼-混組合梁橋車橋耦合振動分析及局部疲勞研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2024.

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[6]邱小航.頂推施工的鋼-混組合梁橋計算方法及受力特性研究[D].成都：西南交通大學，2021.

[7]彭衛兵，黃晨露，全柳萌，等.三角形鋼橫隔梁裝配式梁橋靜動力特性研究[J/OL].工程力學，2023-09-14/2024-03-03.

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