架设方法对组合桥面板受力的影响分析

苏庆田 胡一鸣 王思哲 周伟翔 王 倩 陈 亮

（1.同济大学桥梁工程系，上海200092；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092）

0 引 言

在目前的实际工程中，组合桥面板作为结合混凝土与钢的材料优势的合理结构形式而被逐步推广，该结构为底部设置钢板、上部设置混凝土，并通过焊钉或开孔板等连接件进行连接而形成的桥面板结构。相对于正交异性钢桥面板，组合桥面板可以有效减缓钢桥面板焊接构造易疲劳破坏和桥面铺装易损坏的问题［1-3］。

对于钢板-混凝土组合桥面板，占玉林、杨勇等［4-5］对其静力受力性能与疲劳受力性能进行了试验研究；对于正交异性钢桥面板-混凝土组合桥面板，苏庆田等［6-8］对组合桥面板截面优化进行了理论研究，并对带不同形式加劲肋的正交异性组合桥面板力学性能试验与理论研究。在组合桥面板中除了普通混凝土的应用外，还有学者针对UHPC、RPC与钢材构成的组合桥面板进行了研究。邵旭东等［9-11］对正交异性钢板-UHPC轻型组合桥面结构进行大量研究，包括横纵桥向静力受力性能的试验研究以及疲劳性能研究等。赵秋等［12-13］提出了使用平板连接件连接的钢-RPC组合桥面板结构和以粘结剂连接钢桥面板与预制UHPC板的组合桥面板结构，并对它们的基本受力性能进行了研究。虽然针对组合桥面板合理构造形式以及受力性能的研究较多，但是目前针对组合桥面板通过施工方法来施加预应力的研究还相对缺乏，特别是针对宽桥面板在横桥向通过施工方法来对混凝土施加预应力的方法未见报道。本文结合使用组合桥面板的实际工程，提出一种采用合理施工工艺对组合桥面板施加横桥向预应力的施工方法，并采用数值分析的方法对该措施下组合桥面板施加的预应力的效果进行研究分析。

1 工程概况及架设方法介绍

1.1 工程概况

松浦大桥是1976年6月建成通车的一座公铁两用桥。主桥上部结构为两联96 m+112 m的连续铆接钢桁梁，全长419.6 m。桁高12.8 m，两片主桁中距6.018 m，主桁节间为8 m。主桥立面图如图1所示。由于近年来该桥的公路交通压力不断增大，道路容量超饱和，所以为提高该桥的交通运输能力，对现有松浦大桥进行拓宽改造。将主桥上层公路桥面由原来的12 m拓宽为24.5 m，将下层单线铁路桥面改造成非机动车道，并在主桁外侧设置悬挑人行道。新建上层桥面板通过高强螺栓与原上弦杆结合在一起，并通过外撑斜杆对悬臂端进行支承；新建下层桥面则通过下横梁上的支座支承。改造后的桥面横断面图如图2所示。

图1 主桥立面图（单位：mm）Fig.1 Elevation of main bridge（Unit：mm）

新建上层桥面板为节段预制的组合桥面板，预制节段纵桥向长度为8 m，横桥向宽度为24.5 m。组合桥面板预制节段顶部的混凝土为含粗骨料的活性粉末混凝土，纵桥向长度为7.4 m（预制组合桥面板节段顶部凝凝土两侧分别留有0.3 m的后浇带），横桥向宽度为24.5 m，厚度为80 mm。组合桥面板预制节段的钢结构采用Q345钢材，主要由顶板、加劲肋、横梁和纵梁组成，其顶面及底面分别如图3（a）、图3（b）所示。钢顶板厚度为12 mm；加劲肋采用280 mm×11 mm球扁钢加劲肋；横梁共两道，图3（a）、图3（b）中1-1截面和3-3截面位置为两道横梁中心线位置，横梁腹板厚度为20 mm，横梁下翼缘厚度为24 mm，其中3-3截面与外撑斜杆处小纵梁中心线交汇处为外撑斜杆支承点，钢结构1-1截面图、2-2截面图、3-3截面图如图4所示；纵梁共6道，如图4所示，在主桁中心线处有两道，腹板厚度为12 mm，下翼缘厚度为20 mm，在外撑斜杆位置有两道，腹板厚度为20 mm，下翼缘厚度为24 mm，桥面板最外侧有两道，腹板厚度为12 mm，下翼缘厚度为16 mm。

图2 主桥横断面图（单位：mm）Fig.2 Cross section of main bridge（Unit：mm）

图3 组合桥面板节段钢结构平面图（单位：mm）Fig.3 Plan of steel structure in composite bridge deck segments（Unit：mm）

组合桥面板除了通过高强螺栓与主桁上弦杆、主桁上横梁结合在一起，还通过外撑斜杆与主桥竖杆相连（图2），即在纵桥向外撑斜杆间距为8 m。外撑斜杆的角度为53.5°，中心线长度为7.338 m，截面为H形截面，截面高度、宽度均为420 mm，翼缘板厚度为20 mm，腹板厚度为16 mm，斜撑腹板与主桁竖杆腹板共面。

1.2 架设方法介绍

由组合桥面板构造可知本桥面板横桥向有很大的悬臂，悬臂宽度为8.85 m，大于桥面板宽度的1∕3。虽然组合桥面板悬臂端有外撑斜杆支承，但是在纵桥向外撑斜杆间距为8 m，即支承作用范围有限，且在横桥向外撑斜杆支承位置距离组合桥面板悬臂根部距离为5.881 m，因此在恒载与活载作用下组合桥面板悬臂根部位置（图4）会产生较大的横桥向负弯矩，该位置混凝土会产生较大的横桥向拉应力。因此为了避免该位置混凝土受到较大的拉应力而开裂，可以给组合桥面板混凝土施加横桥向预压应力，以抵消恒载与活载作用下混凝土产生的拉应力。所以本文提出了一种预制组合桥面板架设方法，并对组合桥面板因为本架设方法而产生的受力状态进行分析研究。

图4 组合桥面板节段钢结构断面图（单位：mm）Fig.4 Cross sectionof steel structure in composite bridge deck segments（Unit：mm）

桥面板架设方法总共包括三个过程：

过程一，将桥面板节段通过高强螺栓与主桁上弦杆、主桁上横梁相连，将桥面板节段固定在主桥桁架上，示意图如图5（a）所示。

过程二，设置桥面板拉起装置，在外撑斜杆小纵梁腹板、两道横梁腹板和顶板交界处设置拉索拉起点，在桥面板上主桁中心线之间设置门式框架（纵桥向每间距4 m设置一个），通过拉索将门式框架与桥面板相连（拉索和门式框架在同一平面内），对拉索施加拉力将组合桥面板拉起，则组合桥面板会产生弯曲，强迫组合桥面板混凝土产生横桥向预压应力，示意图如图5（b）所示。

过程三，安装外撑斜杆，拆除桥面板拉起装置，让组合桥面板自由落下，这样由于外撑斜杆的支承作用，组合桥面板混凝土内会保存一定的预压应力。

图5 架设方法Fig.5 Erection method

2 研究方法与研究过程

基于组合桥面板节段及桥面板弯起装置的构造建立杆系-板壳-实体有限元模型，包括模拟桥面板节段架设的局部有限元模型以及结构整体受力的全桥有限元模型。用杆系单元模拟主桥桁架杆件，用板壳单元模拟桥面板钢结构，用实体单元模拟桥面板混凝土。

对于模拟桥面板节段架设的局部有限元模型，该模型为计算不同数量桥面板节段架设时，组合桥面板钢结构与混凝土的受力以及外撑斜杆的受力情况，从而确定合理的架设方法。计算单块桥面板节段架设弯起的有限元模型如图6所示。

图6 模拟单块桥面板节段架设的有限元模型Fig.6 Finite element model for simulating erection of single bridge deck segment

对于全桥有限元模型，该模型为计算在二期恒载以及活载作用下外撑斜杆的最不利受力状况。全桥有限元模型如图7所示。

在模拟桥面板架设时，充分考虑了架设桥面板的施工步骤，详细模拟施工过程。计算分析中对施工过程分两个步骤进行模拟，步骤如下：

第一步，去除外撑斜杆单元，考虑桥面板钢结构单元、桥面板混凝土单元、主桁架单元；在桥面板节段弯起装置的拉索点对桥面板施加与拉索方向相同的荷载模拟拉索拉力。该步骤为模拟组合桥面板节段弯起，保证斜撑安装顺利。

图7 全桥有限元模型Fig.7 Finite element model of whole bridge

第二步，激活外撑斜杆单元，考虑桥面板钢结构单元、桥面板混凝土单元、主桁架单元、外撑斜杆单元；去除拉索拉力。该步骤为模拟斜撑安装完成后，解除拉索，释放组合桥面板。

3 合理架设方法的确定

为了尽量保证桥面板悬臂根部位置混凝土横桥向预压应力在纵桥向分布较为均匀，所以需对比分析不同数量组合桥面板节段一次架设时，桥面板悬臂根部位置混凝土的受力情况。因此针对1～5块桥面板节段一次架设，考虑拉索拉力均为100 kN进行计算。多块桥面板节段进行同时架设时，首先将桥面板节段在纵桥向进行连接，然后再通过拉索将多块桥面板节段同时拉起。

当一次仅进行单块桥面板节段张拉时，得到架设完成后桥面板混凝土横桥向正应力云图如图8所示。混凝土在横桥向基本完全处于受压状态，但是桥面板悬臂根部位置混凝土横桥向正应力在纵桥向分布很不均匀，在靠近有外撑斜杆支承的横梁位置的混凝土横桥向压应力较大，而靠近无外撑斜杆支承的横梁位置的混凝土横桥向压应力较小。

图8 单块桥面板混凝土横桥向正应力云图（单位：kPa）Fig.8 Transverse normal stress distribution of concrete in single bridge deck segment（Unit：kPa）

当同时进行2块桥面板节段一次张拉时，得到架设完成后桥面板混凝土横桥向正应力云图如图9所示（注：图9中两部分混凝土之间空白处为湿接缝位置）。混凝土在横桥向基本完全处于受压状态，桥面板悬臂根部位置混凝土横桥向正应力在纵桥向分布基本均匀，桥面板悬臂根部位置混凝土横桥向正应力平均值为-0.459 MPa。

图9 2块桥面板混凝土横桥向正应力云图（单位：kPa）Fig.9 Transverse normal stress distribution of concrete in two bridge deck segments（Unit：kPa）

分别对3块、4块、5块桥面板进行一次性张拉计算，得到混凝土在横桥向基本完全处于受压状态，受力状态与2块桥面板节段一次进行架设时计算结果类似，桥面板悬臂根部位置混凝土横桥向正应力在纵桥向分布也基本均匀，对应桥面板悬臂根部位置混凝土横桥向正应力平均值分别为 -0.448 MPa、-0.441 MPa、-0.437 MPa。

所以通过对比1～5块桥面板节段一次架设，得到单块桥面板架设时，桥面板悬臂根部位置混凝土横桥向正应力在纵桥向分布无法保持均匀，而2～5块桥面板节段一次架设时，桥面板悬臂根部位置混凝土横桥向正应力在纵桥向分布基本均匀，且2～5块桥面板节段一次架设时，对应桥面板悬臂根部位置混凝土横桥向正应力平均值分别为-0.459 MPa、-0.448 MPa、-0.441 MPa、-0.437 MPa，相差不大。而在架设过程中，一次拉起的桥面板节段数量越少，施工越方便，因此2块组合桥面板节段一起架设为最合理的架设方法。

4 对桥面板混凝土施加最大预压应力计算分析

基于合理的架设方法，为了给桥面板混凝土施加最大的预压应力，需要考虑架设过程中桥面板混凝土和钢结构的受力和外撑斜杆的受力，避免桥面板混凝土横桥向正应力达到抗压设计强度、钢结构横桥向正应力达到设计强度或外撑斜杆失稳的发生，即这三个因素会限制桥面板混凝土中施加预应力的最大值。

因此在2块桥面板节段一次进行架设时，得到架设第一步桥面板混凝土横桥向正应力云图如图10所示（注：图10中两部分混凝土之间空白处为湿接缝位置，混凝土应力图中存在8个位置的应力集中点，主要是由于计算时模拟拉索集中力造成的，实际中采取增加板厚等措施可避免该情况的产生，因此可忽略该8个位置的应力集中点），架设第一步和完成时桥面板钢结构横桥向正应力云图如图11所示（注：图11（a）钢结构应力图中存在8个位置的应力集中点，主要是由于计算时模拟拉索集中力造成的，实际中采取增加板厚等措施可避免该情况的产生，因此可忽略该8个位置的应力集中点）。

图10 第一步桥面板混凝土横桥向正应力云图（单位：kPa）Fig.10 Transverse normal stress distribution of concrete in bridge deck segments in the first step（Unit：kPa）

第一步桥面板混凝土横桥向最大压应力为-2.015 MPa，钢结构横桥向最大压应力为-6.0 MPa，最大拉应力为14.2 MPa（位于有外撑斜杆支承的横梁悬臂根部下翼缘处）。预制完成时桥面板悬臂根部位置混凝土横桥向正应力平均值为-0.459 MPa；钢结构横桥向最大压应力为-2.2 MPa，最大拉应力为12.5 MPa（位于有外撑斜杆支承的横梁悬臂根部下翼缘处）；外撑斜杆受到的轴力为98.27 kN，面内弯矩为1.66 kN·m，面外弯矩为0.56 kN·m。

图11 桥面板钢结构横桥向正应力云图（单位：kPa）Fig.11 Transverse normal stress distribution of steel structure in bridge deck segments（Unit：kPa）

由于钢结构的设计强度为275 MPa，当拉索拉力为100 kN时，架设过程中钢结构横桥向最大应力为14.2 MPa，计算得到钢结构横桥向正应力达到其设计强度时拉索拉力为1 936 kN；混凝土轴心抗压强度设计值为-34.6 MPa，架设过程中混凝土横桥向最大压应力为-2.015 MPa，计算得到混凝土横桥向正应力达到轴心抗压设计强度时拉索拉力为1 717 kN。

对于外撑斜杆的稳定问题，除了考虑架设过程中因为架设方法而导致外撑斜杆内产生的内力外，还要考虑架设过程中一期恒载和成桥后二期恒载及活载的影响。基于局部有限元模型，在一期恒载作用下，外撑斜杆受到的轴力为102.77 kN，面内弯矩为3.36 kN·m，面外弯矩为3.31 kN·m。基于全桥模型，在二期恒载作用下，外撑斜杆受到的轴力为174.66 kN，面内弯矩为0.92 kN·m，面外弯矩为2.25 kN·m；在活载作用下，外撑斜杆受到的轴力为207.86 kN，面内弯矩为1.30 kN·m，面外弯矩为0.25 kN·m。所以外撑斜杆为双向受弯的的压弯构件，参考《钢结构设计标准》（GB 50017—2003）5.2.5条规范对外撑斜杆的稳定性进行验算：

式（1）、式（2）中N、Mx、My分别为轴力、面内弯矩、面外弯矩；A、Mx、My分别为截面面积、对强轴毛截面惯性矩、对弱轴毛截面惯性矩；φx、φy为对强轴和弱轴的轴心受压构件稳定系数，由于外撑斜杆两端非完全固结，所以将其假设两端铰接来进行面类外计算长度（按此假设计算钢斜撑承载力偏小，结果偏安全），通过计算得到φx=0.861、φy=0.654；φbx、φby为均匀弯矩的受弯构件整体稳定系数，通过计算得到φbx=0.905 5、φby=1.0；βmx、βmy、为等效弯矩系数，取 βmx=βmy=1.0；βtx、βty为等效弯矩系数，取 βtx=βty=1.0；γx=1.0，γy=1.0；参数 N'Ex=25 910 kN，N'Ex=8 581 kN；fd为钢结构设计强度275 MPa。

所以依据式（1）、式（2），并结合外撑斜杆在架设时拉索拉力为100 kN时所产生的内力以及一期恒载、二期恒载、活载作用下产生的内力值，计算得到当拉索拉力为3 298 kN时外撑斜杆稳定不满足要求。

综上所述，在合理的架设方法下，桥面板混凝土横桥向正应力达到抗压设计强度、桥面板钢结构横桥向正应力达到设计强度、外撑斜杆达到稳定控制条件对应的拉索施加的拉力分别为1 717 kN、1 936 kN、3 298 kN，所以在架设桥面板节段时，控制拉索最大拉力为1 717 kN，此时桥面板预制完成后桥面板悬臂根部位置混凝土横桥向正应力平均值为-7.881 MPa。

5 结论

为解决组合桥面板大悬臂根部位置混凝土因荷载作用下拉应力过大而开裂的问题，本文提出了通过采用合理的架设方法对组合桥面板混凝土施加预应力，并通过数值分析对该方法对组合桥面板受力的影响进行了研究，得到如下结论：

（1）对比不同数量的组合桥面板节段进行一次架设时组合桥面板的受力状态，单块桥面板节段一次架设无法保证组合桥面板节段悬臂根部混凝土横桥向正应力在纵桥向分布的均匀性，而2～5块桥面板节段一次架设可以保证，且悬臂根部混凝土横桥向正应力的平均值基本相同。而2块桥面板节段一次架设时施工更加方便，所以2块桥面板节段一次架设为合理的架设方法。

（2）根据钢横梁的强度限值、混凝土的强度限值和斜撑的稳定限值，得到拉索的最大张拉力和组合桥面板中混凝土可施加的横桥向预应力最大值，该数值对于限制混凝土开裂是十分可观的，因此本文所述的架设施工方法对实际工程具有借鉴参考价值。