变截面钢板组合梁施工方案结构性能对比分析

朱 众 赵 阳

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

近年来我国大力推广钢结构桥梁，而钢板组合梁作为钢结构桥梁中主要的结构形式(见图1)，通过栓钉连接件使钢梁和混凝土板形成组合结构，以其适用跨径范围较广、较为经济的特点[1]得到日益广泛的应用。

图1 钢板组合梁结构示意图(小横梁)

然而对于连续组合梁结构，在其负弯矩区，钢梁与混凝土之间的组合作用会使组合梁处于混凝土受拉、钢梁受压的不利状态[2]，从而容易出现拉应力超限问题，进而产生裂缝；同时，连续组合梁在不同的施工方案下的结构性能也存在较大差异，桥面板及钢梁均有可能因不同的方案在施工阶段下出现应力超限问题。

针对上述情况，国内学者进行了相关研究。聂建国、余志武等[3]最先开展对这种组合结构的应用性能研究；同时，聂建国、张眉河[4]对负弯矩区工作性能进行了研究，提出负弯矩区裂缝宽度计算有别于普通钢筋混凝土；刘少华等[5]对钢-混组合梁施工阶段受力性能进行了分析；聂建国、陶慕轩等[6]讨论了钢-混凝土组合结构桥梁研究新进展，并针对抗裂难题提出抗拔不抗剪连接新技术[7]。

目前，处理负弯矩区桥面板开裂的技术手段主要集中在结构构造形式和理论计算方面，包括加密布置钢筋、纵向预应力技术、改进连接件布置形式、钢下翼缘外包混凝土等，而对于施工阶段中结构的性能研究相对较少。同时，不同方案对连续组合梁结构在施工阶段和成桥状态的影响也不同。因此，有必要进行不同施工方案下结构性能的对比分析，进而从施工工艺角度提供优化思路。

1 变截面钢板连续梁设计参数

本文以跨径组成为65 m+120 m+65 m的某变截面钢板连续梁为工程背景，图2为该桥总体布置图。桥梁总宽16.0 m(0.5 m防护栏+15.00 m行车道+0.5 m防护栏)，双向4车道，桥面横坡1%。主梁横向由5片钢板梁组成，钢板梁之间设置横向连接系；其中墩顶至L/8的负弯矩区域所用钢材为Q420钢，其余区域均为Q345钢。桥面采用C60预制混凝土桥面板，桥面板普通钢筋为HPB300光圆钢筋及HRB400螺纹钢筋。连接件采用群钉形式设置于工字钢上翼缘，桥面板设置剪力槽，通过浇筑剪力槽处混凝土与工字钢主梁连接成整体。

图2 桥梁总体布置图(单位：cm)

横截面布置见图3，桥面板厚350 mm,跨中截面高3 m，工字钢主梁高2 650 mm；支点截面高4.8 m，工字钢主梁高4 450 mm。

图3 横截面布置图(单位：mm)

2 计算有限元模型

2.1 有限元模型建立

全桥模型共划分为3 504个单元，2 510个节点，成桥计算模型见图4，采用双主梁单元，即工字钢主梁与桥面板采用双单元形式，忽略钢梁与桥面板之间的滑移效应，利于建立不同施工方案和施工阶段，进行桥面板和钢主梁的应力变形读取。

图4 有限元计算模型图

如图5所示，在桥面板安装过程中，桥面板剪力槽未浇筑混凝土之前，钢主梁对桥面板只起支撑作用，用弹性连接中“仅受压”来模拟；在浇筑剪力槽内混凝土后，通过弹性连接中“刚性连接”模拟。

图5 连接件模拟图

2.2 施工方案设计

针对变截面钢板连续梁提出3种施工方案，具体如下。

1) 工字钢主梁与桥面板同步安装。悬臂对称吊装工字钢主梁→安装对应预制桥面板→浇筑剪力槽混凝土→悬臂对称吊装下节段→……。

图6 同步安装示意图

2) 工字钢主梁合龙后桥面板顺序依次安装。合龙钢主梁→依次安装预制桥面板完成→浇筑剪力槽混凝土。

图7 顺序安装示意图

3) 工字钢主梁合龙后桥面板间断安装。合龙钢主梁→安装正弯矩区桥面板→浇筑剪力槽混凝土→安装负弯矩区桥面板→浇筑剪力槽混凝土。

图8 间断安装示意图

3 施工方案对比分析

3.1 施工过程应力变化

为分别考察上述3种施工方案下不同施工工序下上部结构应力变化，选取工字钢主梁和桥面板几个关键截面进行对比分析。如图9所示，包括中间支点处钢主梁上翼缘、桥面板，中跨L/8，L/4，3L/8，L/2处钢主梁上翼缘、桥面板。

图9 关键截面选取示意图

3.1.1同步安装

1) 钢主梁上翼缘应力变化。在同步安装过程中，钢主梁上翼缘应力较小,各截面应力在各施工阶段下几乎处于受拉状态下，最大应力值均出现在最大悬臂状态下，最大拉应力为64 MPa，位于墩顶截面。

2) 桥面板应力变化

图10 同步安装桥面板应力图

从图10桥面板各截面在施工阶段下的应力状态可知：在悬臂初期，墩顶、L/8、L/4处截面桥面板均处于受压状态；随着悬臂伸长，墩顶、L/8截面均出现了拉应力超限问题，3L/8、跨中处截面处于受压状态。由此可见，模型中在负弯矩区处设置纵向预应力筋，对悬臂初期效果较好，但悬臂伸长，墩顶处负弯矩也随之增大，在L/4处节段吊装后即出现拉应力，在成桥前最大拉应力为9.1 MPa，超过C60混凝土轴心抗拉强度设计值。

3.1.2钢主梁合龙后一次安装

1) 钢主梁上翼缘应力变化。在安装第一跨桥面板时，第二跨墩顶至跨中各截面上翼缘均处于受拉状态；安装第二跨桥面板时，第二跨跨中及3L/8处截面上翼缘开始受压，这是因为安装第一跨桥面板时荷载对第二跨钢主梁产生了预加力。整个阶段最大拉应力为墩顶143 MPa，最大压应力为跨中149 MPa。

2) 桥面板应力变化

图11 一次安装桥面板应力图

由图11可见，安装墩顶处桥面板产生较小的压应力，而在按顺序施工安装第二跨跨中桥面板时，除了跨中正弯矩区域桥面板为受压状态，墩顶至L/4处均出现拉应力，最大拉应力为L/8截面5.8 MPa，超过C60轴心抗拉强度设计值。原因是墩顶没有足够的压应力储备，在顺序安装至第二跨跨中时，由于较大的跨径，桥面板安装的荷载将对墩顶区域产生一定的负弯矩，造成桥面板出现拉应力。

3.1.3钢主梁合龙后间断安装

1) 钢主梁上翼缘应力变化。间断安装桥面板方案下，墩顶处截面上翼缘出现最大拉应力，为231 MPa；跨中截面上翼缘出现最大压应力，为102 MPa。安装第二跨跨中桥面板时，钢主梁上翼缘应力变化较为明显；安装第三跨桥面板时，第二跨钢主梁各截面应力变化较小。

2) 桥面板应力变化

图12 间断安装桥面板应力图

由图12可见，间断施工方案下，桥面板各截面具有良好的压应力储备。前两跨安装过程中，桥面板各截面均处于受压状态，最大压应力为墩顶3.6 MPa。安装第三跨桥面板时(施工阶段CS19后)，第二跨桥面板应力均有所变化，其中跨中和3L/8处截面应力变化较为明显，3L/8处桥面板出现最大拉应力为1.4 MPa，墩顶至L/4处负弯矩区拉应力小于0.7 MPa，各截面桥面板拉应力均小于C60轴心抗拉强度设计值。

3.2 施工方案对比分析

为了分析3种施工方案下成桥后对结构性能的影响，选取正常使用极限状态下的标准组合作用对结构关键截面的应力、变形进行对比分析。为方便概述，同步安装为方案一，钢主梁合龙后一次安装为方案二，钢主梁合龙后间断安装为方案三。

3.2.1结构应力对比

图13所示为正常使用极限状态标准组合下，3种不同方案的钢梁应力对比(包括上、下翼缘)。可见，方案一钢主梁上翼缘应力变化较方案二、三小；方案二和方案三应力变化趋势较为相似，方案三最大拉应力在墩顶截面，为255 MPa，满足负弯矩区Q420钢材强度设计范围；方案二最大压应力在跨中截面，为201 MPa。钢主梁截面下翼缘应力变化趋势一致，最大压应力均在墩顶处，为205 MPa，而跨中截面最大拉应力为方案二，为167 MPa。

图13 标准组合钢梁应力对比图

图14所示为正常使用极限状态标准组合下，3种不同方案的桥面板应力对比。可见，方案一和方案二在墩顶至L/8处均存在拉应力超限问题；方案三在墩顶负弯矩区域内的桥面板拉应力明显小于其它2种方案，最大拉应力为1.5 MPa，较方案一减少10 MPa，较方案二减少6 MPa。说明方案三间断安装桥面板可以有效减小负弯矩区域的拉应力，有利于成桥状态下的结构受力。

图14 标准组合桥面板应力对比图

3.2.2结构变形对比

3种方案下由自重和静活载产生的主梁的竖向变形对比见图15。

图15 标准组合主梁竖向变形对比图

由图可见，3种施工方案下的组合梁的位移主要在中跨跨中位置产生差异，组合梁在边跨的变形量差别较小。方案一最大变形量为260 mm，方案二为454 mm，方案三为549 mm，较方案一差值为289 mm。原因为方案二、三在施工阶段中钢主梁与桥面板未同步施工，即未形成组合截面前钢主梁刚度较方案一组合梁小，跨中变形量较方案一大。

4 负弯矩区混凝土桥面板应力控制

4.1 支点顶升法

根据上述可知，大跨径组合钢板梁桥负弯矩区混凝土桥面板存在拉应力超限问题，容易产生裂纹，导致负弯矩区组合截面失效。建议采取支点顶升等[9]较适用于大跨径组合梁的措施，它可以和间断安装桥面板工法结合，进而有效控制负弯矩区混凝土桥面板裂缝的产生，见图16。

图16 支点顶升法示意图

4.2 支点顶升量分析

支点理想顶升量可以通过对比分析不同顶升距离对结构应力的影响来确定。本次对比拟设置顶升中间支座方案，起顶距离为10，20，30，40，50 cm，然后回落至设计点，分析正常使用极限状态标准组合下关键截面应力状态。不同顶升距离下的钢梁部分截面应力值见表1，桥面板应力计算分析结果见图17。

表1 支点不同顶升量的结构应力对比

图17 不同顶升量桥面板应力对比图

由表1可见，在正常使用极限状态标准组合下，钢主梁支座处截面上翼缘拉应力随顶升量增加而增大，在支座顶升距离为50 cm时，钢主梁上翼缘拉应力为272 MPa；边跨和中跨跨中截面上翼缘压应力随顶升量增加而减小；同上翼缘，各关键截面下翼缘应力在支座处压应力减小，在边跨和中跨跨中处拉应力增大。原因是支点顶升相当于在墩顶区域施加负弯矩，其附加弯矩抵消一部分跨中正弯矩，使跨中正弯矩减小，墩顶负弯矩增加。

由图17可见，在正常使用极限状态标准组合下，支座处截面桥面板在顶升距离为30 cm时从拉应力转变为压应力。

综合上述分析可知，当顶升距离取30 cm时可保证正常使用极限状态下桥面板不出现拉应力，而负弯矩区工字钢主梁最大应力为256 MPa，具备一定的富余值。

5 结论

1) 对于大跨径变截面钢板组合梁，钢梁合龙后间断安装桥面板形成组合截面可有效减小负弯矩区拉应力，有利于施工过程中结构的受力。

2) 在正常使用极限状态标准组合下，间断安装桥面板方案的成桥结构各部件应力均在容许范围内，且有一定的应力安全储备。

3) 支点顶升法相比于设置纵向预应力筋，前者更适用于解决大跨径组合梁负弯矩区桥面板应力超限问题，本工程设置支点顶升理想距离为30 cm左右。

4) 间断安装法与支点顶升法能够配合施工，两者在工序上不相冲突，适用于桥面板负弯矩区拉应力超限问题，能够有效地控制桥面板在施工阶段和成桥状态下裂缝的产生。