鋼-混凝土組合梁橋橋面板施工方式影響研究

劉開源，楊華平

(1.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017；2.成都大學(xué)建筑與土木學(xué)院，四川 成都 610106)

0 前 言

新中國成立以來，經(jīng)過多代建設(shè)者艱苦奮斗和不懈努力，我國交通橋梁事業(yè)的建設(shè)取得了舉世矚目的成就，在橋梁規(guī)模、跨度等多個(gè)領(lǐng)域已位列世界前列。據(jù)《2019年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示：2019年末全國共有公路橋梁87.83萬座、6 063.46萬m。但受制于前期工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，已建成橋梁絕大多數(shù)為圬工和鋼筋混凝土橋梁，鋼結(jié)構(gòu)橋梁主要用于特大跨徑橋梁，鋼橋占比僅為歐美發(fā)達(dá)國家的幾十分之一[1]。相比較為廉價(jià)的但難以循環(huán)利用的混凝土橋梁，鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有自重輕、跨度大、材料可循環(huán)利用，符合可持續(xù)發(fā)展理念，利于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前我國已經(jīng)成為世界第一大鋼鐵產(chǎn)能國和世界第一制造業(yè)大國，已具備推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件。發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)橋梁受到了相關(guān)交通主管部門的大力提倡和推動(dòng)[3]。推廣應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)橋梁,即是我國提升橋梁品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)從橋梁大國到橋梁強(qiáng)國的重要途徑之一[2]，也可有效消解國內(nèi)相對過剩的鋼鐵產(chǎn)能。

鋼-混凝土組合梁是以剪力件形式將鋼筋混凝土橋面板和槽型鋼梁、剛板梁結(jié)合起來共同受力的一種新型鋼結(jié)構(gòu)橋梁。鋼-混凝土組合梁設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮由混凝土構(gòu)件受壓，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受壓，以充分發(fā)揮材料性能。為實(shí)現(xiàn)此目的，通常需要綜合考慮設(shè)計(jì)與施工各個(gè)環(huán)節(jié)以確定鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)尺寸與施工方法[3-4]，其過程較為復(fù)雜。本文以一座50m的大跨度簡支鋼-混凝土組合梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃治鰧Ρ攘藰蛎姘鍧仓尚头绞綄蛄焊鳂?gòu)件受力狀態(tài)的影響，以期為大跨度簡支鋼-混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)施工提供有益的參考。

1 工程背景

某互通區(qū)匝道橋梁需上跨既有高速公路，設(shè)計(jì)跨度50 m，橋?qū)?0.5 m，設(shè)計(jì)荷載為三車道公路一級(jí)荷載。根據(jù)四川省交通運(yùn)輸廳關(guān)于上跨既有高速應(yīng)采用鋼結(jié)構(gòu)橋梁的相關(guān)規(guī)定，橋梁結(jié)構(gòu)形式采用梁高為2.5 m的等高鋼-混凝土組合梁橋。

鋼-混凝土組合梁橋面板采用20 cm厚C40微膨脹鋼纖維混凝土，鋼結(jié)構(gòu)部分采用Q355C槽型鋼梁。槽型鋼梁腹板厚度為12 mm，頂板承托寬700 mm厚36 m，底板由端部向跨中部變厚，厚度分別為20 mm(兩側(cè)各8 m)-26 mm(兩側(cè)各9 m)-32 mm(跨中共16 m)。鋼-混凝土組合梁橋典型斷面如圖1所示。

圖1 鋼-混凝土組合梁橋典型斷面圖

2 有限元模型及分析工況

采用有限元分析軟件MIDAS CIVIL按盡可能接近結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)的原則建立空間梁單元有限元分析模型如圖2所示。橋梁全截面分為左右兩幅疊合箱梁建模，中間以橫梁和虛擬橫梁構(gòu)成的橫向連接系連接，應(yīng)用施工階段聯(lián)合截面功能模擬實(shí)際施工加載狀態(tài)。計(jì)算分析的工況共四種：①吊裝槽型鋼梁于滿堂支架之上，再澆筑橋面板混凝土。橋面板成型后拆除支架，施工橋面鋪裝，二期等；②在跨中位置設(shè)置臨時(shí)支撐墩，吊裝鋼梁支撐于永久支座和臨時(shí)支撐墩上，澆筑橋面板混凝土。橋面板成型后拆除跨中臨時(shí)支撐墩，施工橋面鋪裝，二期等；③吊裝鋼梁支撐于永久支座后，橋面板混凝土一次澆筑成型，橋面板形成強(qiáng)度后，施工橋面鋪裝，二期等；④吊裝鋼梁支撐于永久支座上，先澆筑跨中15 m范圍內(nèi)的橋面板，跨中橋面板形成強(qiáng)度后再澆筑兩側(cè)各9 m范圍內(nèi)的橋面板并養(yǎng)護(hù)成型，最后澆筑梁端8.5 m范圍內(nèi)橋面板。待全部橋面板成型后，施工橋面鋪裝，二期等。

圖2 鋼-混凝土組合梁有限元模型圖

3 橋面板施工成型方式影響研究

按照現(xiàn)行規(guī)范[5-6]考慮恒載，移動(dòng)荷載，整體溫度效應(yīng)，截面日照梯度溫差效應(yīng)、收縮徐變效應(yīng)等作用，在承載能力基本組合下，四種橋面板施工成型方式對橋梁各構(gòu)件受力狀態(tài)的影響的如下所示。

3.1 橋面板應(yīng)力對比

四種橋面板施工成型方式橋面板最大壓應(yīng)力如圖3所示。由圖3可見，兩種有支架方式橋面板應(yīng)力相較無支撐方式偏高，設(shè)置中間支墩施工方式的橋面板應(yīng)力相對最高為15.0 MPa，滿堂支架方式略小于中間支墩方式，為14.2 MPa。無支撐方式橋面板應(yīng)力明顯低于有支撐方式，其中橋面板一次澆筑成型時(shí)壓應(yīng)力峰值最小為9.4 MPa，分階段澆筑橋面板方式為11.4 MPa。

圖3 不同成型方式橋面板最大壓應(yīng)力圖

3.2 鋼梁頂面應(yīng)力對比

四種橋面板施工成型方式基本組合下槽型鋼梁各位置處頂緣最大壓應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 基本組合下槽型鋼梁頂緣壓應(yīng)力分布圖

由圖4可見，與橋面板壓應(yīng)力有支撐方式大于有支撐方式相反，無支撐方式槽型鋼梁頂緣應(yīng)力明顯大于有支撐方式，橋面板一次澆筑成型時(shí)最大壓應(yīng)力為253 MPa，橋面板分階段成型時(shí)最大壓應(yīng)力較一次成型降低近30 MPa為224 MPa，而兩種有支撐方式鋼梁頂緣應(yīng)力均在180 MPa左右，差異不大。

3.3 鋼梁底面應(yīng)力對比

四種橋面板施工成型方式基本組合下槽型鋼梁各位置處底緣最大拉應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 基本組合下槽型鋼梁底緣壓應(yīng)力分布圖

由圖5可見，無支撐方式底緣應(yīng)力略大于有支撐方式，無支撐方式中一次澆筑大于分階段澆筑，而有支撐方式中滿堂支架與中間支墩方式峰值應(yīng)力分布幾乎重合，且四種施工方式底緣峰值拉應(yīng)力最大的為一次澆筑216 MPa，最小的為滿堂支架207 MPa，差異不大。

4 結(jié) 論

1)截面特性相同時(shí)，橋面板有支撐成型方式相對無支撐方式其混凝土橋面板應(yīng)力較高而槽型鋼頂緣壓應(yīng)力和底緣拉應(yīng)力均較低，可更好的發(fā)揮混凝土材料抗壓性能好和鋼材抗拉性能好的優(yōu)點(diǎn)。

2)下設(shè)滿堂支架或跨中設(shè)置臨時(shí)支墩兩種施工方式對橋梁各構(gòu)件受力影響不大，考慮到施工成本和橋下通車行洪等因素，更推薦應(yīng)用跨中設(shè)置臨時(shí)支墩的施工方式。

3)相較直接在鋼梁上一次澆筑橋面板的施工方式，橋面板分階段澆筑時(shí)混凝土橋面板壓應(yīng)力略有增加且槽型鋼梁頂緣壓應(yīng)力將會(huì)有較大幅度的降低，當(dāng)存在地形陡峭險(xiǎn)峻等無設(shè)置臨時(shí)支撐的情況時(shí)，可優(yōu)先考慮使用橋面板分階段澆筑的施工方式。

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