悬吊支架法施工钢混组合梁的力学行为研究

管 弦，唐国华

(1.北京华宏工程咨询有限公司，北京 101101; 2.重庆交通大学， 重庆 400074)

0 引言

工字钢-混组合结构是由外露的工字型钢主梁作为主要的承重结构与混凝土桥面板间通过剪力键连接形成的一种组合结构。这一组合结构由于兼具钢梁和钢筋混凝土梁的优点而广泛应用于梁式桥[1]。国内外学者针对工字钢混组合梁的研究主要集中在抗剪连接件力学性能研究和钢混组合梁的力学行为研究[2-3]，在施工方法方面的研究较少且主要集中在落地支架方面[4-8]，是缺少新型施工方法的研究[9]。在研究方法方面则广泛采用了三维有限元分析方法，有的采用了实体模型[10-13]，但大多采用了杆系模型进行了分析[14-16]。

悬吊支架法是直接利用钢-混组合梁中钢结构梁的自承能力，在钢结构梁下悬挂支架体系来完成这种组合结构中的混凝土构件的现浇施工。这种施工方法的支架不受地形、河流、地基承载力的限制，且经济性高，占用桥下空间少，是一种经济有效的施工方法[17]。然而悬吊支架这种支架类型在实际工程中却很少使用。王国炜等[18]采用悬吊模板支架法成功完成了上珠线漕溪路桥中跨128 m主纵梁的现浇施工。刘宝新等[19]在京哈直通线财落大桥采用门式框架墩连续梁悬吊式支撑体系进行了施工。姚宏生等[20]对梁悬吊式支撑体系在京哈直通线财落大桥中的应用，从施工技术方面进行了深入研究。

悬吊支架法虽然具有不受现场环境限制，可提高施工速度、节约施工成本且可以大大降低对桥下已有线路影响的诸多优点，但由于悬吊支架固定点较少，在风荷载等敏感性因素影响下支架体系的横向位移控制较为困难。同时，在混凝土桥面板浇注过程中，随着混凝土质量的增加及浇注点纵横向位置的变化，悬吊支架系统也将发生变形，导致浇注的混凝土结构随之发生变形。为了使悬吊支架浇注的混凝土桥面板成型后其线形能满足设计要求，有必要对这种悬吊支架对钢结构及支架本身在施工过程中的力学行为进行研究。

1 工程概况

1.1 工程背景

广东某大桥的桥位地处低缓丘陵，跨越丘陵间谷地，沿丘陵坡脚展布，地势起伏较大。大桥主梁采用的是双工字钢板组合梁，分左右两幅，桥跨组合为4×40 m+4×40 m+3×40 m+4×40 m，共15跨。单幅组合梁桥面宽为12.5 m，左右幅中间设置 50 cm 宽分隔带，双幅全宽25.5 m，上部结构梁高均为2.7 m(其中钢板梁高2.2 m，桥面板0.4 m，铺装层0.1 m)。

1.2 悬吊支架构造

该大桥现浇桥面板采用悬吊支架方案，即利用钢梁自承重能力，在钢板梁底板下悬挂横向主承重梁，而后以此为基础安装满堂碗扣支架，铺设方木及竹胶板，实现整联现浇。悬吊支架设计图如图1所示。

图1 悬吊支架跨中标准断面(单位：cm)

精轧螺纹钢吊杆组成。其中上下横梁均间距4 m布置一道，主纵梁根据受力特性间距先按30，60，90，120 cm布置。在横断面上布置6根精轧螺纹钢吊杆，两侧对称布置。碗扣支架立杆横向间距根据不同部位受力情况分为30，60，90，120 cm 4种布置，纵向统一按90 cm间距布置。根据碗扣支架的搭设施工规范，设置纵横向的剪刀撑。底模系统由15 mm厚的竹胶板面板、10 cm×10 cm的截面的方木纵桥向方木、横桥向φ48×3.5 mm小钢管组成。

悬吊支架各材料的参数如表1所示。

表1 悬吊支架材料参数

2 悬吊支架结构对钢主梁结构力学行为影响研究

2.1 悬吊支架结构计算模型

应用有限元软件Midas Civil建立了该支架系统的计算模型。边界条件设置为钢主梁的两端下横梁放在盖梁上，两端下横梁中间约束DZ，两端下横梁按照简支梁添加约束，上横梁与钢主梁之间只考虑只受压弹性连接，上下横梁通过吊杆连接，吊杆采用桁架单元模拟不传递弯矩。悬吊支架模型建模共计14 500个节点，18 399个梁单元，72个桁架单元。悬吊支架有限元计算模型如图2、图3所示。

图2 悬吊支架整体有限元模型

图3 悬吊支架整体有限元模型(端部放大)

2.2 悬吊支架的质量对钢主梁的力学行为影响

通过对悬吊支架的质量进行调整来研究悬吊支架质量对钢主梁的力学行为的影响。采用控制变量的方法，设定悬吊支架的质量为唯一变量，风荷载、悬吊点的纵向距离及桥面板板厚等影响因素不变。在荷载Q1，Q2，Q3，Q4和Wk共同作用的情况下，将悬吊支架的质量转化为自重的形式，再通过改变材料的重度来实现改变悬吊支架的质量。悬吊支架内部各个构件的重度增幅按照原来悬吊支架自重时各个构件所占的百分比来进行重度增加的比例分配。选取悬吊支架的重度控制范围为1.0倍、1.5倍和2.0倍自重3个样本来计算出钢主梁的应力及位移。

(1)应力计算

应力计算结果如表2和图4所示。

表2 悬吊支架不同质量下钢主梁跨中应力值(单位：MPa)

图4 悬吊支架不同质量下跨中应力变化

由表2和图4数据分析可知，钢主梁在1.0倍自重、1.5倍自重和2.0倍自重时的最大压应力发生在钢主梁的L/2位置，当悬吊支架为原自重时(即1.0倍自重)的压应力为172.90 MPa，相对于Q345的钢材允许应力来说仍有较大的储备空间，而且钢主梁的梁端部分大多处于低应力状态，有较大的安全储备空间。同时可以看出钢主梁的最大压应力值随着悬吊支架的质量增加而增加，且正应力值大致呈线性增长。当悬吊架的质量为1.5倍自重时，压应力为180.11 MPa，比1.0倍自重时的压应力增大了6.21 MPa，增加了3.59%；当悬吊支架的质量为2.0倍自重时，压应力为187.22 MPa，比1.0倍自重时的压应力增了12.32 MPa，增加了7.13%。由此可见，悬吊支架质量的改变对于钢主梁应力影响较大，同时也说明悬吊支架的质量在整个桥面板浇注过程中结构应力中所占比重较小。

(2)位移计算

位移计算结果如表3和图5所示。

表3 悬吊支架不同质量下钢主梁的跨中位移值(单位：mm)

图5 悬吊支架不同质量下跨中位移变化

由表3和图5数据分析可知，钢主梁的最大z向位移随着悬吊支架质量的增加而呈线性增长，且钢主梁在1.0倍自重、1.5倍自重和2.0倍自重时的最大z向位移均发生在钢主梁的L/2位置。当悬吊支架的质量为原支架的1.5倍自重时，钢主梁在z向的最大位移比1.0倍自重时位移值增加了3.9 mm，增加了5.87%；当悬吊支架的质量为原支架的2.0倍自重时，钢主梁在z向的最大位移比1.0倍自重时位移值增加了7.78 mm，增加了11.70%。由此可见，悬吊支架质量的变化对钢主梁的跨中位移的影响较大。

在对钢主梁结构成型前线形控制时，应根据悬吊支架自重与钢主梁之间变形规律对钢主梁的预拱度进行预抬。跨中预拱度在1.5倍自重时要比1.0倍自重时向上多预抬3.9 mm，2.0倍自重时要比1.0倍自重时向上多预抬7.78 mm。其余截面位置预拱度的设置均按照在各自悬吊支架质量作用下对应引起的变形值进行调整，这样才能使钢主梁成桥后的实际线形与理论线形保持一致。

2.3 风荷载对钢主梁的力学行为影响

根据《建筑结构荷载规范》的规定，广东省的基本风压值可按照《建筑结构荷载规范》附录E中的表5重现期(R)为50 a的值采用。查该规范可以得出广东地区的基本风压为0.35 kN/m2。根据桥梁所处的区域，查该规范可以得出当地的基本风压为0.35 kN/m2。基本风压由公式ωk=βzμsμzω0计算得当地的风荷载标准值为ωk=0.75 kN/m2，方向考虑为水平；将风荷载标准值转化为节点荷载，再将风荷载通过节点荷载的形式施加到悬吊支架和钢主梁的横向迎风面上。

支架的横向位移都是发生在钢主梁的L/2处。在当悬吊支架和钢主梁考虑作用风荷载时，比没有风荷载时的横向位移大了18.46 mm，横向最大位移达到了21.20 mm。钢主梁跨中应力值增加了10.05 MPa，增加幅度为26.17%。这说明风荷载对于钢主梁的应力与变形影响较大。

2.4 悬吊支架的悬吊点纵向距离对钢主梁的力学行为影响

通过对悬吊支架的悬吊点纵向距离进行调整来研究悬吊支架的悬吊点纵向距离对钢主梁的力学行为的影响，纵桥向间距分别采用2，3.5，4，5，6 m布置来探讨吊支架的悬吊点纵向距离对钢主梁的力学行为的影响情况。

通过应力和位移汇总对比图6、图7看出，钢主梁的跨中最大位移和应力随着悬吊点的纵向距离的变化而大致表现出抛物线变化，其中悬吊点纵向距离在2～4 m之间时，最大压应力值和最大竖向位移逐渐减小；在4～6 m之间时，最大压应力值和最大竖向位移逐渐增大。实际工程悬吊点纵向间距设计合理值为4 m，处于抛物线的极值点附近，有利于提高钢主梁的受力。

图6 钢主梁应力与悬吊点纵向距离关系

图7 钢主梁跨中位移与悬吊点纵向距离关系

2.5 混凝土桥面板板厚对钢主梁结构力学行为影响

通过对桥面板的板厚进行调整来研究混凝土桥面板的板厚对钢主梁的力学行为的影响。具体研究了桥面板厚度为10，20，30 cm时钢主梁的力学行为，计算结果如表4所示。

表4 混凝土板厚度对钢主梁跨中应力和位移的影响

由表4数据分析可知，随着桥面板厚度的增加，钢主梁的应力和位移都在增加。当桥面板板厚为20 cm 时，钢主梁的压应力为172.90 MPa；当桥面板板厚为30 cm时，钢主梁的压应力为232.28 MPa，增加了59.29 MPa，增加比例为34.29%；而位移为由66.48 mm增加到88.90 mm，增加了33.72%。由此可以看出，桥面板的质量在整个系统的受力中占据了主要的地位。

2.6 浇注桥面板混凝土过程中对钢主梁的力学行为影响

浇注混凝土桥面板的浇注顺序，即浇注桥面板采用在横桥向浇注时按照先中间再两边的浇注顺序一次浇注到位，纵桥向由跨中向梁端逐步浇注到位的方式进行。依据浇注顺序，共分4个工况：工况1为悬吊支架安装成功状态(临时施工荷载也加载在了悬吊支架上)；工况2为跨中段混凝土浇注完成；工况3为三分段混凝土浇注完成；工况4为梁端段混凝土浇注完成。

通过图8可以看出由于钢主梁在工况4作用下所受到的梁部荷载最大，所以应力也最大，最大应力为172.99 MPa。通过图9可以看出由于钢主梁在工况4作用下所受到的梁部荷载最大，故竖向位移也最大，最大位移为66.48 mm。这些数据为钢主梁的安全，以及钢主梁的预拱度的设置提供了依据。

图8 钢主梁跨中应力变化

图9 竖向跨中位移变化

2.7 悬吊支架结构的拆除对钢主梁结构力学行为影响

当混凝土桥面板结构强度达到设计要求时即可对悬吊支架进行拆除。当桥面板混凝土达到设计强度后，就认为钢主梁和混凝土板已经成为一体，可以作为一个整体共同受力，则此时就只承受悬吊支架的自重和风荷载作用，不再承受混凝土的振捣荷载和施工荷载。对悬吊支架在拆除前后钢主梁的位移变化进行分析。

根据表5和图10数据分析可知，支架在拆除前后，跨中位置拆除前比拆除后的竖向位移增大了10.13 mm，而钢主梁在只受桥面板混凝土质量和风荷载的情况下跨中的最大竖向位移为45.84 mm，相对于拆除后的位移减少了10.18 mm。由此可见，在桥面板和钢主梁形成一个整体后，由于桥梁的刚度变大，会造成一部分位移是不可恢复的，而对于可恢复的这一部分位移是可以通过一些技术方法来避免。

表5 在不同工况下时钢主梁的竖向位移(单位：mm)

图10 悬吊支架拆除前后不同截面的竖向位移

3 结论

本研究应用三维有限元模型对钢混组合梁悬吊支架法的施工过程进行了仿真模拟，分析了悬吊支架自重、风荷载、悬吊点纵向间距、混凝土桥面板厚度、混凝土浇注过程和悬吊支架拆除对钢主梁力学行为的影响，揭示了悬吊支架与钢主梁之间的变形规律。本研究的主要结论：

(1)钢主梁的正应力随着悬吊支架的质量增加而增加，位移也随着悬吊支架的质量增加而增加，且应力和位移的增幅影响都相对较大。

(2)悬吊支架的风荷载对钢主梁的位移和应力影响较大，会产生较大的横向位移。故应在荷载组合分析中考虑横风荷载且采取必要措施来限制在浇注桥面板的过程中钢主梁的横向位移。

(3)钢主梁的位移和应力随着悬吊支架悬吊点纵向距离的变化而表现出抛物线变化，其中悬吊点纵向距离在2～4 m之间时，最大压应力值和最大竖向位移逐渐减小；在4～6 m之间时，最大压应力值和最大竖向位移逐渐增大。因此，悬吊点纵向间距合理取值建议为4 m。

(4)钢主梁跨中最大位移和应力随着桥面板板厚的增大而增大，且桥面板的质量在整个系统中受力占据了主要的地位。

(5)利用悬吊支架浇注桥面板过程中，钢主梁的应力和位移都随着桥面板混凝土的浇注而增加。在施工过程中可以根据每个浇注阶段施工后引起的钢主梁竖向位移对各个截面标高进行预抬，以确保桥梁的各阶段线形和理论线形尽可能保持一致，同时也可防止误差的积累导致最终线形的偏离。

(6)悬吊支架拆除过程中，钢主梁的应力和变形都随着支架的拆除有所变化且变化较大，在施工前应该通过考虑拆除悬吊支架后恢复的变形和钢主梁与桥面板形成整体后的不可恢复变形来进行钢主梁预抬或设置预拱度，以确保桥梁在成桥后的实际线形和理论线形相符。

本研究成果对于完善悬吊支架法在钢混组合梁结构施工的理论体系提供一定的参考依据，同时也可以为类似结构设计、施工提供了理论指导。