钢-混凝土组合梁桥桥面板施工方式影响研究

刘开源，杨华平

(1.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017；2.成都大学建筑与土木学院，四川 成都 610106)

0 前 言

新中国成立以来，经过多代建设者艰苦奋斗和不懈努力，我国交通桥梁事业的建设取得了举世瞩目的成就，在桥梁规模、跨度等多个领域已位列世界前列。据《2019年交通运输行业发展统计公报》显示：2019年末全国共有公路桥梁87.83万座、6 063.46万m。但受制于前期工业和经济发展水平，已建成桥梁绝大多数为圬工和钢筋混凝土桥梁，钢结构桥梁主要用于特大跨径桥梁，钢桥占比仅为欧美发达国家的几十分之一[1]。相比较为廉价的但难以循环利用的混凝土桥梁，钢结构桥梁具有自重轻、跨度大、材料可循环利用，符合可持续发展理念，利于实现标准化、工业化生产等优点。当前我国已经成为世界第一大钢铁产能国和世界第一制造业大国，已具备推广钢结构桥梁的物质基础和技术条件。发展钢结构桥梁受到了相关交通主管部门的大力提倡和推动[3]。推广应用钢结构桥梁,即是我国提升桥梁品质，实现从桥梁大国到桥梁强国的重要途径之一[2]，也可有效消解国内相对过剩的钢铁产能。

钢-混凝土组合梁是以剪力件形式将钢筋混凝土桥面板和槽型钢梁、刚板梁结合起来共同受力的一种新型钢结构桥梁。钢-混凝土组合梁设计时主要考虑由混凝土构件受压，钢结构构件受压，以充分发挥材料性能。为实现此目的，通常需要综合考虑设计与施工各个环节以确定钢-混凝土组合梁结构尺寸与施工方法[3-4]，其过程较为复杂。本文以一座50m的大跨度简支钢-混凝土组合梁桥为工程背景，分析对比了桥面板浇筑成型方式对桥梁各构件受力状态的影响，以期为大跨度简支钢-混凝土组合梁桥设计施工提供有益的参考。

1 工程背景

某互通区匝道桥梁需上跨既有高速公路，设计跨度50 m，桥宽10.5 m，设计荷载为三车道公路一级荷载。根据四川省交通运输厅关于上跨既有高速应采用钢结构桥梁的相关规定，桥梁结构形式采用梁高为2.5 m的等高钢-混凝土组合梁桥。

钢-混凝土组合梁桥面板采用20 cm厚C40微膨胀钢纤维混凝土，钢结构部分采用Q355C槽型钢梁。槽型钢梁腹板厚度为12 mm，顶板承托宽700 mm厚36 m，底板由端部向跨中部变厚，厚度分别为20 mm(两侧各8 m)-26 mm(两侧各9 m)-32 mm(跨中共16 m)。钢-混凝土组合梁桥典型断面如图1所示。

图1 钢-混凝土组合梁桥典型断面图

2 有限元模型及分析工况

采用有限元分析软件MIDAS CIVIL按尽可能接近结构实际受力状态的原则建立空间梁单元有限元分析模型如图2所示。桥梁全截面分为左右两幅叠合箱梁建模，中间以横梁和虚拟横梁构成的横向连接系连接，应用施工阶段联合截面功能模拟实际施工加载状态。计算分析的工况共四种：①吊装槽型钢梁于满堂支架之上，再浇筑桥面板混凝土。桥面板成型后拆除支架，施工桥面铺装，二期等；②在跨中位置设置临时支撑墩，吊装钢梁支撑于永久支座和临时支撑墩上，浇筑桥面板混凝土。桥面板成型后拆除跨中临时支撑墩，施工桥面铺装，二期等；③吊装钢梁支撑于永久支座后，桥面板混凝土一次浇筑成型，桥面板形成强度后，施工桥面铺装，二期等；④吊装钢梁支撑于永久支座上，先浇筑跨中15 m范围内的桥面板，跨中桥面板形成强度后再浇筑两侧各9 m范围内的桥面板并养护成型，最后浇筑梁端8.5 m范围内桥面板。待全部桥面板成型后，施工桥面铺装，二期等。

图2 钢-混凝土组合梁有限元模型图

3 桥面板施工成型方式影响研究

按照现行规范[5-6]考虑恒载，移动荷载，整体温度效应，截面日照梯度温差效应、收缩徐变效应等作用，在承载能力基本组合下，四种桥面板施工成型方式对桥梁各构件受力状态的影响的如下所示。

3.1 桥面板应力对比

四种桥面板施工成型方式桥面板最大压应力如图3所示。由图3可见，两种有支架方式桥面板应力相较无支撑方式偏高，设置中间支墩施工方式的桥面板应力相对最高为15.0 MPa，满堂支架方式略小于中间支墩方式，为14.2 MPa。无支撑方式桥面板应力明显低于有支撑方式，其中桥面板一次浇筑成型时压应力峰值最小为9.4 MPa，分阶段浇筑桥面板方式为11.4 MPa。

图3 不同成型方式桥面板最大压应力图

3.2 钢梁顶面应力对比

四种桥面板施工成型方式基本组合下槽型钢梁各位置处顶缘最大压应力分布如图4所示。

图4 基本组合下槽型钢梁顶缘压应力分布图

由图4可见，与桥面板压应力有支撑方式大于有支撑方式相反，无支撑方式槽型钢梁顶缘应力明显大于有支撑方式，桥面板一次浇筑成型时最大压应力为253 MPa，桥面板分阶段成型时最大压应力较一次成型降低近30 MPa为224 MPa，而两种有支撑方式钢梁顶缘应力均在180 MPa左右，差异不大。

3.3 钢梁底面应力对比

四种桥面板施工成型方式基本组合下槽型钢梁各位置处底缘最大拉应力分布如图5所示。

图5 基本组合下槽型钢梁底缘压应力分布图

由图5可见，无支撑方式底缘应力略大于有支撑方式，无支撑方式中一次浇筑大于分阶段浇筑，而有支撑方式中满堂支架与中间支墩方式峰值应力分布几乎重合，且四种施工方式底缘峰值拉应力最大的为一次浇筑216 MPa，最小的为满堂支架207 MPa，差异不大。

4 结 论

1)截面特性相同时，桥面板有支撑成型方式相对无支撑方式其混凝土桥面板应力较高而槽型钢顶缘压应力和底缘拉应力均较低，可更好的发挥混凝土材料抗压性能好和钢材抗拉性能好的优点。

2)下设满堂支架或跨中设置临时支墩两种施工方式对桥梁各构件受力影响不大，考虑到施工成本和桥下通车行洪等因素，更推荐应用跨中设置临时支墩的施工方式。

3)相较直接在钢梁上一次浇筑桥面板的施工方式，桥面板分阶段浇筑时混凝土桥面板压应力略有增加且槽型钢梁顶缘压应力将会有较大幅度的降低，当存在地形陡峭险峻等无设置临时支撑的情况时，可优先考虑使用桥面板分阶段浇筑的施工方式。

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