不同顶升模式对钢筋混凝土叠合梁内力的影响研究

侯志强，周秋红

（中铁四局集团第五工程有限公司，江西 九江 332000）

1 工程背景

1.1 设计概况

某立交桥采用钢-混叠合梁结构，全桥由钢结构主梁和现浇混凝土桥面板叠合而成。钢结构主梁部分采用三箱三室开口截面，单个箱由顶板、腹板、底板以及顺桥向底板、腹板加劲肋构成，顺桥向每隔3m设置1道主横隔板。钢结构主梁顶板板厚25mm，底板板厚30mm、40mm，底板加劲板板厚25mm通长布置；中腹板板厚20mm、30mm，边腹板板厚25mm；腹板加劲板板厚20mm分段布置；主横隔板板厚16mm，辅横隔板板厚16mm，支撑附近横隔板及加劲板板厚20mm、30mm。

下部结构采用双方柱式墩，墩梁固结，地面以上墩身部分采用钢箱结构，钢箱墩身腹板厚30mm，腹板加劲厚25mm，顺向每隔1.5m设置1道横隔板，板厚16mm；钢箱墩身与混凝土墩身采用68根M24高强螺栓固结，混凝土墩身下接2.5m厚承台，桩基采用4根φ1.6m桩基。

临时支架分为支架1～支架7，其中，支架2～支架6采用φ529mm×8钢管，支架1和支架7采用φ630mm×8钢管桩。临时支架管桩与地面之间采用混凝土扩大基础承重，扩大基础上预埋钢管桩支架预埋件，支架管桩与预埋件之间焊接连接。

1.2 顶升工况简介

原设计顶升工况要求在桥面混凝土施工完毕并达到设计强度后，在钢梁的两端利用PLC顶升设备进行同步顶升。但在现场实际施作过程中遇到了以下问题需要解决：

1）钢梁顶升两端距离＞100m，同步顶升时设备布设困难；

2）采用中部单点顶升时所需千斤顶吨位较大，造价较高。

针对上述问题，综合现场机械设备配置情况，采用两端分步顶升的方案显得更为经济合理。现将钢梁在两端和中部顶升及两端分步顶升和一次顶升2种工况条件对钢梁力学性能进行对比分析，探究此方法的可行性。

2 有限元模型介绍

采用迈达斯有限元软件建立全桥上部结构三维有限元模型。其中，钢箱梁和柱式钢墩部分采用板单元根据不同面板厚度模拟，混凝土桥面板采用实体单元模拟，钢绞线采用桁架单元模拟[1，2]。桥面板单元材料采用C50混凝土，钢箱梁和柱式钢墩板单元材料采用Q345钢，钢绞线桁架单元材料采用strand1860钢。

采用压力面荷载进行横向预应力、桥面板及附属结构荷载的施加，纵向预应力采用初拉力荷载，梁体顶升及回落采用节点强制位移的方式进行施加，结构的自重由软件自动进行计算[3]。

边界条件：两端支座位置对称设置4个DZ方向约束，钢墩底部设置 2个DX、DY、DZ、RX、RY、RZ方向的固结约束，支座处及钢墩底部约束施加处采用刚性连接，每个临时支墩处采用节点弹性连接，叠合梁桥有限元计算模型如图1所示。

图1 叠合梁桥有限元计算模型

3 有限元模型分析

3.1 分析方法

为了对比分析两端和中部顶升的受力结果及两端分步顶升和一次顶升的受力结果，将模型分为以下3种工况分别进行分析：

1）钢箱梁梁体中部一次回落20cm；

2）钢箱梁梁体两端依次顶升10cm；

3）钢箱梁梁体两端再次继续顶升10cm，最终两侧累计各顶升20cm。

3.2 结果分析

3.2.1 纵向钢绞线拉力

钢箱梁梁体两端依次顶升累计20cm与钢箱梁梁体中部一次回落20cm的钢绞线内力输出结果相差较小。钢箱梁梁体两端依次顶升10cm，再次继续顶升10cm，最终两侧累计各顶升20cm过程中钢绞线拉力最大值与最小值变化趋势相同，且均呈现变小趋势，说明桥面板混凝土压应力呈逐渐增大的趋势。

3.2.2 桥面板混凝土压应力

钢箱梁梁体两端依次顶升累计20cm与钢箱梁梁体中部一次回落20cm的桥面板混凝土压应力输出结果相差较小。钢箱梁梁体两端依次顶升10cm，再次继续顶升10cm，最终两侧累计各顶升20cm过程中桥面板混凝土压应力逐渐增大，对混凝土桥面板产生裂缝有明显控制作用。

3.2.3 钢箱梁和柱式钢墩压应力

钢箱梁梁体两端依次顶升累计20cm与钢箱梁梁体中部一次回落20cm的钢箱梁和柱式钢墩应力输出结果相差较小。钢箱梁梁体两端依次顶升10cm，再次继续顶升10cm，最终两侧累计各顶升20cm过程中钢箱梁和柱式钢墩应力逐渐增大，说明桥面板混凝土压应力逐渐增大。

3.2.4 支座反力

钢箱梁梁体两端依次顶升累计20cm与钢箱梁梁体中部一次回落20cm的各支点处支座反力结果相差较小。钢箱梁梁体两端依次顶升10cm，再次继续顶升10cm，最终两侧累计各顶升20cm过程中各支点处支座反力变化趋势相同。钢箱梁梁体中部顶升相对两端依次顶升所需顶升力较大。

4 展望

总体来说，本文的研究工作虽然取得了一定成效，可为同行工作者提供有价值的信息，但在以下方面还有待进一步研究：

1）叠合梁支点顶升施工过程中，负弯矩区钢箱梁底板及靠近受压翼缘和侧腹板部位压应力较大，这对钢箱梁构件的稳定性能有较大的影响，又因钢箱梁腹板在支点附近受负弯矩和剪力的共同作用，受力较复杂，因此，对该处构件稳定性有待于继续分析研究。

2）有限元结构非线性的求解通常都会耗费大量时间，但随着计算机技术与有限元计算理论的成长，建模分析时可将模型进一步进行细化，以此得到更加精确的计算结果。

5 结语

本文以某混凝土叠合梁立交桥工程为研究背景，利用有限元软件建立全桥上部结构模型，对比了钢梁在两端和中部顶升及两端分步顶升和一次顶升2种工况条件下的钢梁力学性能，得出如下结论：

1）钢箱梁梁体两端依次顶升累计20cm与钢箱梁梁体中部一次回落20cm的应力、内力和支反力结果相差均较小；

2）钢箱梁梁体两端依次顶升10cm，再次继续顶升10cm，最终两侧累计各顶升20cm过程中应力、内力和支反力的变化趋势相同，分步顶升与同步顶升可达到同样效果；钢绞线拉力变小、桥面板混凝土压应力及钢箱梁压应力变大，可对混凝土桥面板裂缝的产生起到明显控制作用；

3）钢箱梁梁体中部一次顶升比两端依次顶升所需顶力较大，可以考虑采用两端依次顶升的方法替代中部顶升。