装配式钢混组合梁桥顶推施工关键截面受力分析

摘要 装配式钢混组合梁是将钢材与混凝土有效连接，共同承担荷载的结构，其结构特点能有效发挥混凝土桥面板的抗压性能及钢主梁的抗弯拉性能。在设计过程中通常更多地关注主梁成桥状态，而对不同施工阶段的受力分析则较少。文章结合某高速公路装配式钢混组合梁设计，通过Midas Civil软件模拟顶推施工过程，对关键截面进行受力分析。研究结论如下：相较于常规顶推施工方法，通过拉索加固法可将受力体系转换过程中关键截面的挠度降低15%～20%，将应力控制在允许值范围内；对接触受荷部位可采用垫块及倒角的方式进行局部加强，以增大受荷面积、减少局部应力集中；在顶推施工过程中，妥善解决受力体系转换过程中关键截面的挠度变化及顶推部位的局部应力集中，可有效提高高速公路跨线桥梁在施工及运营期的安全可靠性。

关键词 装配式结构；钢-混凝土组合梁；顶推施工；高速公路

中图分类号 U445 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）16-0134-04

0 引言

随着我国交通运输能力的提高及城市化进程的加速发展，跨河、跨线交叉逐渐增多，使得公路建设环境逐渐复杂。装配式钢混组合梁由于其自重轻、预制及运输方便、拼装占用场地面积小等特点，在跨线桥建设中得到了广泛应用。跨线桥的建设需保障施工过程不得影响下方既有道路通行，且整体跨越距离受地形及既有道路宽度的影响较大。在大跨径桥梁的顶推施工中，可采用拉索加固法，通过临时拉索的多点弹性支撑可有效降低导梁前端悬臂状态下的挠度，优化主梁应力分布。

季自刚等[1]对大跨径超长曲线钢箱组合梁顶推施工控制进行了研究，提出需重点关注导梁前端点的竖向位移及顶推阶段的钢箱梁、导梁结构应力，以确保钢箱梁顶推过程中的稳定性、强度与刚度及抗倾覆性；赵人达等[2]对顶推法施工的起源，以及国内外顶推法施工的发展状况进行了介绍，重点研究了顶推施工中导梁参数的确定方法、梁体施工精度对顶推过程产生的影响、梁体顶推过程受力分析等方面；施军等[3]对大跨钢箱梁顶推施工中的临时扣索塔架进行了分析，通过建模计算，提出通过扣索塔架减小顶推梁体在大悬臂工况下的挠度，相较于未设置扣锁塔架情况，梁体顶面及底面最大主应力分别降低了62.7%和29.5%。

该文旨在深入探讨装配式钢混组合梁桥顶推施工关键截面的受力分析，通过模拟桥梁结构的顶推施工过程，分析关键截面的变形及应力的变化情况，为钢混组合梁桥的结构设计及施工过程控制提供思路。

1 组合梁桥先进建造技术的探索

1.1 装配式组合梁桥的发展历程

装配式组合梁桥能良好地利用上部预制桥面板的抗压性能，以及下部钢梁的抗弯拉性能，在兼顾减轻结构自重、缩短施工工期的同时提供足够高强度的结构使用性能。正因如此，在20世纪40年代该组合结构体系在西方国家取得了快速发展和应用。我国桥梁结构通常采用混凝土材料，但因其自重大，现浇施工模板及支架受场地限制，导致在跨线跨河桥梁中使用困难。随着我国钢材产量及制作工艺的提升[4]，近年来钢结构在桥梁建设中得到了广泛使用，目前国内钢梁的主要结构类型为钢桁梁、钢箱梁及钢板叠合梁等。顶推工艺也随之引入国内的工程建设中，使得跨线跨河桥有了更便捷的施工方法。

这种建设理念在保证构件质量的同时，显著提升了桥梁建设速度，但也在施工和运营期暴露出部分问题。首先，在预制阶段需要大量场地用于构件制造和存放，给现场施工的准备工作带来挑战。其次，预制件接缝成为结构薄弱部位，易导致渗水等问题，影响桥梁使用寿命和安全性。因此，在装配式组合梁桥的推广过程中，需要综合考虑这些问题并采取相应措施，以确保桥梁的质量、安全性和可持续发展性。

1.2 钢-混凝土组合梁桥优缺点研究

装配式组合连续梁桥是将钢板梁与混凝土通过黏结或机械连接等方式结合在一起，以形成一体化的结构。钢梁作为组合梁桥中的关键构件，具有较高的强度、刚度和稳定性。钢梁-混凝土组合梁桥同时具备混凝土的强度高以及钢材材料韧性好等优点[5]。与钢筋混凝土桥梁相比，可避免因钢结构损坏而产生的失稳和屈服问题。与钢桥相比，桥梁的强度得到提高且自重下降。钢-混凝土组合梁桥优缺点如表1所示。

2 工程实例

2.1 工程概况

某高速公路特大桥位于长下坡路段，纵坡-3%，横坡单向3%，圆曲线半径1 000 m，设计车速为100 km/h，左右分幅，单幅桥面宽度为12.8 m，设计荷载公路I级；为斜交跨越既有高速公路及匝道，设计三跨（50 m+50 m+50 m）的钢混组合连续梁桥。主梁由3片工字钢、腹板加劲肋及横向连接组成，主梁中心间距为5.1 m。整体梁高2.5 m，单片工字钢高度为2.2 m。在墩、台支点及梁段跨中均采用实腹式横隔梁构造。预制及现浇桥面板均采用C50混凝土，钢主梁及导梁分别采用Q420qc和Q235号钢材。主梁标准横断面如图1所示。

钢主梁的架设采用多点顶推，分别在前两跨跨中设置临时支墩。由于桥位处地质情况较差，表层有近20 m厚的素填土。为优化主梁受力、减少临时支墩沉降，同步配合采用拉索加固法。临时支墩及拉索加固布置如图2所示。

2.2 顶推施工阶段迈达斯模型建立

采用Midas Civil有限元软件模拟该3×50 m钢混组合梁的顶推施工过程，对各施工阶段关键截面的受力及变形情况进行分析。有限元程序中，钢主梁材料采用Q420qc钢导梁材料采用Q235。施工阶段模拟采用前进法，即真实模拟桥墩不动[6]，主梁及导梁根据顶推长度变化而不断移动，主梁与下部结构间的约束根据各支座的实际约束方向进行控制；恒荷载根据材料及截面尺寸取值，而活荷载及各分项系数则根据规范取值，模型如图3所示。

2.3 顶推施工阶段主梁及导梁挠度变化分析

通过对各顶推施工阶段进行数值模拟分析，研究发现：在悬臂状态下，主梁及导梁的前端端头挠度受顶推距离变化最为敏感。通过观察各顶推施工阶段梁体前端的竖向位移，提取不同顶推距离下梁体前端的挠度结果。在相同条件下，建立未采用拉索加固的常规顶推模型，并记录不同顶推距离下梁体前端的挠度结果与之对比，如图4所示。

由图4可知，随着顶推距离的增加，竖向位移逐渐增大，当顶推距离达到50 m时，导梁前端处于最大悬臂状态，最大挠度为224 mm；当顶推距离大于50 m时，随着顶推距离增加，导梁前端会出现短暂的向上翘曲，最大位移达到41 mm；随着导梁悬臂部分增加，导梁前端位移会再次呈负值，循环往复直至顶推完毕；而在未采用拉索加固的常规顶推模型中，当顶推距离达到50 m时，导梁前端处于最大悬臂状态，最大挠度为258 mm，已接近挠度允许的极限值。

不同施工阶段的荷载差异性较大[7]。针对不同的施工工况，可采用拉索加固法对临时拉索的索力进行同步调整，动态控制各施工阶段下的挠度变化值，以确保高速公路桥梁结构的安全稳定性。采用常规的顶推方法时，应在设计阶段更为准确地模拟各施工阶段的施工荷载[8]，以确保结构的材料强度及截面尺寸满足不同施工阶段下的挠度变化。

由于实际施工时，最大悬臂状态下的导梁前端挠度直接影响主梁能否在墩台支座中心线处成功落架，因此通过对挠度变化趋势的深入分析和监测，可以更好地指导顶推施工过程中的操作，并及时采取必要的措施应对挠度变化带来的潜在影响。

2.4 顶推施工阶段主梁弯矩变化分析

随着顶推距离的变化，主梁各截面的最大正弯矩及最大负弯矩均处于循环变化的状态。顶推施工模拟中，各主梁断面的最大正弯矩均在2 000 kN·m上下浮动。通过对各施工阶段下的弯矩包络图对比分析发现，在第一孔导梁前端就位时主梁出现最大正负弯矩极值。该状态下的主梁弯矩包络图如图5所示，主梁的正负弯矩在24 m处达到最大值，分别为2 858.7 kN·m和-6 846.2 kN·m。正负弯矩值的变化能有效反映结构的受力状态。

2.5 顶推施工阶段主梁应力变化分析

由顶推施工阶段主梁挠度及弯矩变化分析可知，导梁前端位于最大悬臂时，结构处于最不利受力状态。对比各顶推施工阶段的主梁关键截面应力，发现其变化趋势基本与之相符。在应力变化过程中，由于极值出现在不同截面，该工程中的主梁采用同材料、等高度的工字钢，因此单独对各截面顶底板的应力变化过程进行罗列的意义不大，仅需对施工阶段中应力的极值变化情况进行统计分析，施工阶段主梁应力变化曲线如图6所示。研究发现，在顶推施工过程中，应力极值始终处于较低水平。

2.6 顶推施工阶段顶推部位应力优化

顶推施工阶段除对主梁挠度、弯矩、应力进行分析外，还应注意对集中受荷部位的优化和补强。工字钢截面相比箱形截面，截面面积较小，顶推过程受荷部位相对集中。在应力云图中能明显观察到端部的应力异常，在未采取补强措施时，局部应力高达245 MPa。在施工前，应对端部采取橡胶垫块等措施，以增大受荷面积，分散局部应力。必要时可采用垫板加倒角的方式，减小应力突变，使荷载平稳过渡到腹板及顶底板。

3 结论

该文以钢-混组合梁顶推施工为研究对象，结合某在建高速公路3×50 m钢混组合梁桥案例，建立了Midas Civil模型，以模拟顶推施工过程，通过对其关键截面进行受力分析，得出以下结论：

（1）在钢混组合梁设计阶段，除对成桥状态下主梁的受力验算外，还应充分考虑施工期荷载及体系转换的影响，材料强度及截面尺寸的选定应能满足整个施工过程的要求。

（2）顶推施工采用拉索加固法能有效降低导梁及主梁挠度。当顶推距离达到50 m，导梁前端在最大悬臂状态下的挠度为224 mm；对比常规顶推方法，导梁前端在最大悬臂状态下的挠度为258 mm，降低了约15%。对于大跨径钢梁的顶推，可综合采用拉索加固及临时支墩以优化主梁受力，拉索加固可对主梁提供多点弹性支撑，通过灵活调整索力，可动态控制不同荷载状态下的主梁应力及挠度。

（3）在顶推施工模拟中，各主梁断面的最大正弯矩均在2 000 kN·m上下浮动，主梁的正负弯矩在24 m处达到最大值，分别为2 858.7 kN·m和-6 846.2 kN·m。正负弯矩值的变化能有效反映结构的受力状态在顶推过程中的变化情况，帮助合理判断主梁的承载能力，优化主梁截面设计，确保装配式组合梁在顶推过程中的安全可靠。

参考文献

[1]季自刚，王东营，凌振国，等.跨径超长曲线钢箱组合梁顶推施工控制研究[J].施工技术（中英文），2023（6）：53-58+68.

[2]赵人达，张双洋.桥梁顶推法施工研究现状及发展趋势[J].中国公路学报，2016（2）：32-43.

[3]施军，兰小钧，高亚民，等.大跨钢箱梁顶推施工中临时扣索塔架作用分析[J].重庆建筑，2023（5）：41-44.

[4]章建成.钢-混组合梁桥车桥耦合振动分析及局部疲劳研究[D].兰州：兰州理工大学，2024.

[5]廖品博.钢混组合连续梁桥顶推施工受力特性分析[D].南京：东南大学，2018.

[6]邱小航.顶推施工的钢-混组合梁桥计算方法及受力特性研究[D].成都：西南交通大学，2021.

[7]彭卫兵，黄晨露，全柳萌，等.三角形钢横隔梁装配式梁桥静动力特性研究[J/OL].工程力学，2023-09-14/2024-03-03.

[8]彭卫兵，张宇涛，范大军，等.装配式小半径曲线梁桥力学性能及施工技术研究[J].土木工程学报，2023（5）：69-78.