钢混叠合梁独塔斜拉桥施工过程受力性能研究

程 杰 （中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽 合肥 230023）

0 前言

钢混叠合梁因其受力明确、刚度较大和自重较轻的特点成为斜拉桥常用的主梁形式之一，叠合梁斜拉桥和混合梁斜拉桥主梁均是采用不同材料组合而成，两者的不同之处在于：叠合梁斜拉桥是主梁同一截面采用不同材料，而混合梁斜拉桥是主梁纵轴向采用不同材料[1-2]。混合式叠合梁斜拉桥结合了叠合梁斜拉桥和混合梁斜拉桥各自的结构特点，并充分发挥了钢材抗拉性能好和混凝土抗压性能好的优势，使斜拉桥的跨越能力得以进一步提高。

混合式叠合梁斜拉桥在施工过程中，结构内力和桥梁线形会随结构体系、边界约束、荷载形式及荷载工况的变化而不断变化，并对成桥状态下的结构受力及线形精度产生决定性的影响。因此，开展混合式叠合梁斜拉桥施工阶段的受力性能分析，不仅可以优化施工组织设计、指导施工控制；同时，也避免在施工过程中因局部应力过大引起结构破坏，确保施工阶段的内力和变形满足设计要求[3-6]。本文以文昌西路大桥为背景，对混合式叠合梁斜拉桥施工过程中受力性能进行分析，为该类型桥梁的设计及施工提供理论依据。

1 工程概况

文昌西路桥主桥是一座独塔双索面斜拉桥，全长238m，纵向布置为（30+68+140）m，桥面标准宽43m，结构形式为塔梁固结体系，主桥纵向布置如图1（a）所示。主跨主梁采用钢-混叠合梁结构，共计128m，边跨采用预应力混凝土箱梁结构。钢混叠合梁由钢横梁、钢边箱、钢托架、钢小纵梁及混凝土桥面板组成，截面构造如图1（b）所示。桥面板为C50的预制混凝土板，通过安装在钢纵梁及横梁上的剪力钉与钢梁结合。主塔为钢筋混凝土结构，截面采用H形构造，上下塔柱为单箱单室截面，截面采用矩形（带倒角）截面，截面尺寸纵桥向宽7m，上塔柱横桥向宽3.2m，下塔柱横桥向宽4m。主跨拉索间距10.5m，边跨拉索间距7m，共24对48根。该桥梁道路等级为城市主干道，设计速度为60km/h，桥梁设计安全等级为一级。桥面设置双向六车道，每向车道总宽为11.5m，并设有人行道。

图1 文昌西路桥桥型布置及叠合梁横断面图

2 文昌西路桥有限元模型

斜拉桥的合理成桥状态确定后，如何通过施工来实现合理的成桥状态也是斜拉桥设计的重点，为了使斜拉桥达到或者尽可能接近合理的成桥状态，必须对斜拉桥施工阶段的各项控制指标进行详细的验算和设计[7]。同时，对桥梁施工阶段的变形和内力进行分析，也是桥梁结构施工控制的重要内容。基于设计资料，建立文昌西路斜拉桥施工全过程模型，分别对主桥的施工全过程进行数值模拟。结合桥梁自身结构特点，将主桥划分为405个单元，其中梁单元357个，桁架单元48个，建立的斜拉桥有限元模型如图2所示。主梁、主塔采用线弹性梁单元进行模拟，并以共节点方式来模拟钢混结合段叠合梁和混凝土梁之间的连接。根据主梁截面变化点位置、拉索锚固点位置等其他因素对主梁单元进行合理划分，主梁支架通过设置仅受压的弹性连接进行模拟。根据设计图纸输入普通钢筋及预应力钢束，能较真实地模拟出主梁、主塔截面的抗弯、抗剪等特性，二期恒载采用等效均布荷载进行施加，横梁自重采用等效节点荷载方式施加在对应的主梁位置处；该模型忽略基础沉降的影响，主塔墩底按固结处理，在主梁及主塔两侧斜拉索锚固点位置处建立节点以模拟斜拉索实际长度，斜拉索锚固点与桥塔和主梁的连接均采用刚性连接。

图2 斜拉桥有限元计算模型

3 施工过程静力分析

钢混叠合梁斜拉桥的施工过程较为复杂，索力、预应力、集中荷载和集中锚固之间存在耦合效应[7]。由于该桥主桥采用支架施工，支架拆除前，结构内力相对较小，所以暂不考虑。因此，本文将以主桥的有限元模型为基础，重点研究斜拉桥在支架拆除、施加二期恒载、斜拉索二次张拉阶段主跨叠合梁部分的内力及变形，同时也将对主塔变形和斜拉索索力进行分析。

3.1 各施工阶段叠合梁静力分析

3.1.1 支架拆除阶段叠合梁静力分析

主跨钢混叠合梁由钢主梁和桥面板两部分组成，主梁的内力分布和稳定性对斜拉桥的整体受力性能影响较大。经计算，在支架拆除阶段，叠合梁竖向位移曲线及应力分布如图3（a）～（c）所示。通过图3可知，待支架拆除后，叠合梁竖向位移自桥塔中心向桥梁端部先上拱后向下弯曲最后趋于零，最大竖向挠度为5.47cm。另外，钢混结合段处的钢主梁跟混凝土主梁结合部位比较复杂，通过有限元软件难以准确模拟，因此在本文分析过程中将暂不考虑钢混结合处的应力。在实际施工过程中，钢、混主梁边箱结合段长度为8m，采取将钢箱埋入混凝土主梁的方式进行协同受力，埋入段长度为3.25m。为保证钢混结合段有效传力，在施工过程中会将钢边箱的顶、底板伸入混凝土3.25m，腹板及其加劲肋伸入混凝土1.5m，来确保结合段不会出现应力过大和突变的情况。通过图3（b）可知，当支架拆除后，钢主梁上下缘应力分布较为均匀，上缘最大拉压应力分别为7.7MPa和-84.3MPa，下缘最大拉压应力分别为17.7MPa和-82.0MPa；混凝土桥面板全截面受压，上下缘最大压应力分别为-5.9MPa和-5.8MPa。查阅规范[9-10]可知：Q370钢材的容许应力为204MPa，C50混凝土最大压应力应小于22.4MPa，最大拉应力应小于1.83MPa。由此可见，支架拆除阶段钢主梁和桥面板应力均满足规范要求，且应力储备都比较大。

图3 支架拆除阶段主梁竖向位移及应力曲线

3.1.2 施加二期恒载阶段叠合梁静力分析

本节将考虑二期恒载施加完成之后，主梁的内力分布情况。基于设计资料和有限元模型，将主桥二期恒载等效为160kN/m的均布荷载施加在主梁上。并通过有限元模型对该施工阶段进行模拟，计算钢混叠合梁在该工况作用下的竖向挠度及应力分布情况，并以此来检验施工过程是否合理，判断桥梁内力和线形是否满足设计要求，如与设计不符，及时对施工过程进行调整。在该施工阶段，叠合梁的竖向位移曲线及力分布如图4（a）～（c）所示。通过对比3.1.1章节中的分析结果可以发现，在二期铺装完成之后，主梁位移明显增大，主梁竖向位移由主塔向主跨跨中逐渐增大，最大竖向位移靠近主跨跨中，位移值为25.12cm。由此，可看出二期铺装对于桥梁的线型有比较大的影响。此外，通过对叠合梁截面上的应力进行分析可发现，钢主梁上下缘应力相较于上一施工阶段也都有所增大，上缘最大拉压应力分别为8.0MPa和-103.8MPa，下缘最大拉压应力分别为72.1MPa和-108.9MPa；该工况作用下，混凝土桥面板上下缘均受压，上、下缘最大压应力分别为-7.8MPa和-6.5MPa。由分析可知，钢主梁和桥面板应力虽都有所增大，但总体应力水平均满足规范设计要求。

图4 二期恒载阶段主梁竖向位移及应力曲线

3.1.3 斜拉索二次张拉阶段叠合梁静力分析

按设计要求，文昌西路桥主桥斜拉索在整个施工过程需要张拉两次，第一次张拉目的是让主梁脱离支架，在二期铺装完成后，进行第二次张拉，调整索力至成桥索力，以此来确保主塔和主梁受力性能良好，主梁线性及主塔偏位满足设计要求。二次张拉后钢混叠合梁的位移及应力分布曲线如图5所示。

由图5可知，在斜拉索二次张拉后，主跨叠合梁产生了向上挠曲，最大挠度为12.3cm。产生上挠的主要原因可能是为了消除桥梁在运营阶段由于收缩徐变及车辆荷载引起的主梁下挠。由图5(b)可知，在斜拉索二次张拉后，钢主梁下缘所受应力明显增大，最大应力为-153.4MPa，相比于上一施工阶段增大了40%，钢主梁上缘最大应力相比于上一施工阶段却有所减小，主要是因为主梁上挠导致的压应力降低。索力变化对混凝土梁上下缘应力影响较小，全截面仍以受压为主，上下缘最大应力分别为-8.0MPa和-5.9MPa。由以上分析可知，斜拉索的二次张拉对钢主梁上缘应力影响较大，虽然应力安全储备有所降低，但钢主梁和混凝土梁上下缘应力仍然满足规范要求。

图5 斜拉索二次张拉阶段主梁竖向位移及应力曲线

3.2 施工过程中主塔偏位及变形

钢混叠合梁独塔斜拉桥在施工过程中，由于边界约束条件、索力以及不对称性的影响，在施工过程主塔塔顶会出现一定的偏位，主塔偏位过大将会对主梁线形和主梁内力造成不利影响，本节将通过有限元软件对各施工阶段主塔变形进行分析，如图6所示。

由图6可知，在支架拆除阶段，索塔向主跨侧最大偏位为3.8mm；二期恒载阶段，索塔向主跨侧最大偏位为74mm；斜拉索二次张拉后，索塔向边跨侧最大偏位18.6mm。在支架拆除阶段，由于此时斜拉索已进行过初张拉，在拉斜拉索索力水平分力作用下，桥塔两侧受力近似平衡，此时索塔所受弯矩较小，因此索塔顶部顺桥向偏位较小，仅向主跨侧轻微偏移；在二期铺装阶段，考虑到主桥边跨与主跨长度不一致，在同等均布荷载作用下，主跨侧荷载所引起的斜拉索变化较边跨大，因此，在二期恒载阶段，索塔顶部会向主跨侧产生一个较明显的偏位，最大偏位为74mm；在斜拉索二次张拉阶段，由于对斜拉索索力进行了重新调整，使斜拉桥达到了合理成桥状态，此时索塔的偏位明显降低，且在张拉结束后向边跨侧偏移，为后期运营提供了一定预偏量，以保证在汽车荷载作用下主塔能处于竖直状态。综上所述，在整个施工过程中，混合式叠合梁斜拉桥主梁的竖向变形均符合设计要求，且处于安全范围以内。边跨混凝土主梁由于自重大、跨度小、刚度大，有辅助墩支撑，受索力影响小等因素，在整个施工过程中变形都比较小；主跨叠合梁相对于边跨混凝土梁，具有跨度大，更轻柔，受索力影响大等特点，使得叠合梁部分在施工工程中变形相对较大。

图6 桥塔偏位及变形（单位：mm）

3.3 斜拉索索力

斜拉索作为斜拉桥重要的承重构件，对主梁的线形、内力及桥塔偏位具有重要影响。本文分别对支架拆除、二期恒载及斜拉索二次张拉三个主要施工阶段的索力进行分析。边跨混凝土梁部分斜拉索编号从主塔到桥头为S1～S12，主跨叠合梁部分斜拉索编号从主塔到桥头为M1～M12，经计算，三个施工阶段的斜拉索索力及成桥阶段拉索应力计算值分别如图7（a）～（d）所示。

图7 施工阶段斜拉索索力及成桥应力

由图7可知，支架拆除后，斜拉索索力分布比较均匀，靠近主塔部分斜拉索索力较小，由主塔向两侧索力逐渐变大，最大索力在边跨12号索处，为5344kN；二期恒载阶段，斜拉索索力受均布荷载影响整体变大，其中，边跨索力整体趋势没变，主跨索力分布发生了变化，在跨中位置索力较大，两端较小，最大索力仍在边跨12号索位置，为6326kN；斜拉索二次张拉后，索力变化较大，各索力值都显著增加，各索力值与目标成桥索力值接近，最大索力在边跨11号索位置，为7938kN；成桥阶段斜拉索应力最大值为565MPa，远小于 0.65fpy=1150.5MPa，安全系数大于2.5。

4 结论

本文以文昌西路桥为背景，对钢混叠合梁桥在支架拆除、二期恒载以及斜拉索二次张拉阶段的叠合梁受力性能进行研究分析，得出如下结论：

①主跨叠合梁作为斜拉桥关键组成部分，在支架拆除、二期恒载和斜拉索二次张拉三个施工阶段，其线性和内力会随荷载类型、边界条件及斜拉索索力变化而发生改变，对叠合梁位移和应力影响最大的施工阶段是斜拉索二次张拉阶段，从二次张拉开始到结束，叠合梁的变形曲线由原来的下挠变成上拱，应力在此阶段也出现了峰值，但均处于规范允许的安全范围内；

②斜拉索主塔顺桥向变形受主塔两侧荷载不均匀分布的影响较大，在施加二期恒载后，由于主塔受力不对称，导致主塔向主跨侧产生较大偏移，在及时调整索力后，偏移逐渐减小；

③各施工阶段的斜拉索索力分布都比较均匀，但是斜拉索二次张拉会使各斜拉索索力显著增加，应予以重视，另外，通过有限元软件的计算分析可知成桥阶段各斜拉索安全系数均大于2.5。