连续组合梁桥桥面板施工顺序影响研究*

2021-02-23王红良钱金巨王立超王栋威何余良

公路与汽运 2021年1期

王红良，钱金巨，王立超，王栋威，何余良

(1.华汇工程设计集团股份有限公司，浙江绍兴 312000；2.绍兴市越城区公路管理所，浙江绍兴 312000；3.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴 312000)

钢-混组合梁桥的现浇桥面板在其浇筑前后受力变化较复杂，尤其是对于钢-混组合连续梁桥结构，连续段负弯矩区的砼易出现早期裂缝，易受浇筑顺序的影响。现行设计规范对于现浇砼桥面板的施工顺序描述较少，仅对桥面板浇筑时机进行了简要阐述。为探索钢-混组合连续梁桥浇筑阶段受力变化情况，该文对某三跨连续的钢-混组合连续梁桥进行试验研究，利用有限元方法对现浇桥面板施工阶段进行受力分析，研究砼浇筑完成前后钢-混组合连续梁桥施工阶段受力变化，为钢-混组合连续梁桥现浇桥面板施工顺序确定提供参考。

1 静载试验

选取某三跨连续的钢-混组合连续梁桥中3×13 m跨径进行试验，桥面宽11.99 m，由6片间距为2.15 m、高0.65 m的工字型钢主梁及0.2 m厚现浇砼板组成，钢梁翼缘厚和宽分别为28、320 mm，腹板厚16 mm。在主梁间设置工字型钢横梁加强其横向连接性能及整体受力性能，在支点位置及每跨1/4L、1/2L处布置横梁结构。横梁结构均采用工字型钢，板厚均为16 mm，其中桥台位置端横梁上下翼缘宽0.55 m、高0.4 m，桥墩位置中横梁上下翼缘宽0.4 m、高0.45 m，桥跨内跨间横梁上下翼缘宽0.3 m、高0.3 m。采用C50砼、Q345钢材。钢-混组合连续梁桥横断面见图1，材料特性见表1。

图1 桥梁立面及标准横断面(单位：m)

表1 钢-混组合梁桥的材料特性

静载试验采用2辆总载重为380 kN的标准车辆进行加载，挠度测点布置于梁底，沿行车方向分别布置于Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ及Ⅲ-Ⅲ测试断面。试验现场车辆及测点布置见图2，标准车辆加载位置见图3。在标准车辆行至指定位置后，采用千分表测量钢

图2 试验现场车辆及挠度测点布置

-混组合连续梁桥跨中梁底竖向变位，并利用支座位置的竖向位移测试值进行修正。静载试验挠度测试值见图4。

图3 加载车及挠度测点布置(单位；cm)

图4 跨中挠度值

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

采用有限元软件ABAQUS对钢-混组合连续梁桥施工阶段进行仿真模拟，模型的边界条件完全按实际施工过程进行调整。钢梁、钢横梁及砼板采用三维壳单元(S4R)模拟，并将钢梁及钢横梁组成的钢结构合并，按照实际刚接情况进行设置。钢梁有限元模型见图5，砼桥面板与钢梁采用Tie连接。

图5 钢梁有限元模型

2.2 有限元验证

跨中挠度有限元分析结果见图4。由图4可知：静载试验挠度测试值与有限元模型分析值吻合良好，各梁挠度变化趋势相似，其中3#梁挠度误差最大，约为7.7%。采用有限元方法进行钢-混组合连续梁桥静载试验模拟，能较好地反映实际桥梁静载试验下的受力响应。

3 桥面板整体浇筑分析

3.1 整体浇筑施工工艺

该桥采用先架设钢梁再进行桥面板施工的方法，钢梁施工采用吊装拼接法，待钢梁和钢横梁组成的钢结构拼装刚接完成后，利用钢结构作为支撑和模板骨架进行砼桥面板浇筑，砼板凝结硬化且强度达到设计要求后形成钢-混组合连续梁，承受桥梁的自重荷载和活荷载。在钢梁和钢横梁组成的钢结构形成时，连续段并无负弯矩。桥墩处焊接后，钢主梁受力将从简支转为连续。组合梁形成后，桥梁结构所承受的恒载和活载都由连续梁承担，并在连续段产生负弯矩。

3.2 整体浇筑受力分析

在主梁刚接形成连续梁时，在其自身重力及临时荷载作用下，连续段并无负弯矩存在。图6为钢梁及钢横梁组成的钢结构形成时钢梁的纵向正应力分布。由图6可知：钢梁及钢横梁连接形成钢结构时，其结构形式从简支转为连续，钢梁刚接后的连续段并未在恒载作用下产生负弯矩，各跨跨中位置各钢梁的上翼缘纵向正应力为7.9～8.9 MPa，各梁正应力在横向的分布不均匀(最大相差约10.7%)。随着施工的推进，浇筑砼后未达到设计强度时，组合梁桥上部结构的材料恒载及临时荷载仍由下部钢结构承担，边跨跨中截面钢梁上翼缘压应力大于中跨跨中钢梁上翼缘压应力，与计算结果一致，内力计算中跨的跨中弯矩小于边跨。无论是边跨还是中跨，在浇筑砼后钢梁上翼缘正应力都在承载后更大，边跨跨中应力最大变化为15.5 MPa，中跨跨中应力最大变化为5.64 MPa。连续梁结构在砼自重及临时荷载作用下在连续段产生负弯矩，使钢梁上翼缘产生较大拉应力，最大变化为22.8 MPa。由于负弯矩区的迅速出现，墩顶刚浇筑的砼会产生早期裂缝。

图6 钢梁上翼缘纵向正应力分布

如图7所示，钢梁下翼缘纵向正应力变化与上翼缘类似。砼浇筑后，边跨及中跨跨中拉应力及连续段压应力都变化较大，这主要由下部钢结构承受荷载的增加及简支转连续结构后受力的变化所致。

图7 钢梁下翼缘纵向正应力分布

在材料自重荷载和临时荷载作用下，钢梁腹板的剪应力占比不等(见图8)。由图8可知：与正应力分布相似，3#梁在自重荷载及临时荷载作用下内力较大，其剪应力对于下部钢结构占比也较大，剪应力为1.695 MPa，占比约为17.3%。随着荷载的增加，2#、3#梁所占比重逐渐上升，且在中跨支座附近的占比增加较快。1#梁所有位置的剪应力占比下降较大，其相应承受的荷载比重减少，而由2#、3#梁承担；1#梁剪应力在中跨支座附近占比最小，仅为14%，减小约11.6%。各钢梁受力的不均匀反映了施工阶段结构体系变化中荷载的横向分布情况。

4 桥面板分段浇筑分析

4.1 分段浇筑施工工艺

在钢-混组合连续梁桥施工阶段，砼桥面板浇筑前后结构受力变化非常明显。现浇砼桥面板的过程中，由于砼用量大，同时出于负弯矩段板件受力等考虑，常采用间断浇筑法，先浇筑桥梁跨中位置的砼，再浇筑负弯矩区段的砼，以改善负弯矩区段砼板的应力情况。但在实际施工过程中，现浇砼桥面板的间断浇筑顺序有所不同，两种常用砼间断浇筑顺序见图9。

图8 桥梁截面各梁腹板剪应力比重

图9 砼间断浇筑顺序示意图(单位：cm)

4.2 分段浇筑受力分析

以3#钢梁为例，两种浇筑顺序下钢梁受力变化见图10、图11，其中腹板剪应力取3#钢梁边跨桥台附近、边跨连续段侧及中跨支座附近腹板剪应力情况进行分析。

图10 方法一间断浇筑期间钢梁应力情况

图11 方法二间断浇筑期间钢梁应力情况

由图10可知：1) 按方法一浇筑时，钢梁的应力情况随着浇筑顺序的变化而改变。钢梁边跨跨中及墩顶支座附近，上、下翼缘纵向正应力呈缓慢上升趋势，这主要是由浇筑期间砼桥面板自重不断加大造成的；而钢梁中跨跨中位置的上、下翼缘正应力在浇筑墩顶砼桥面板前一直呈下降趋势，间断浇筑使连续梁结构的受力发生变化。2) 以方法一间断浇筑施工，负弯矩区段的砼桥面板在浇筑时仅需考虑浇筑墩顶附近砼的重力造成的应力变化，浇筑顺序4主梁应力变化量仅占总应力变化量的29.2%，可有效改善现浇砼桥面板时负弯矩区段砼上部受拉的情况。因此，钢-混组合连续梁桥现浇砼桥面板施工宜采用间断浇筑法。3) 随着砼桥面板逐渐浇筑完成，桥台支座附近及墩顶支座附近的腹板剪应力都不同程度上升；浇筑边跨砼时，对中跨剪应力的影响不大；浇筑墩顶附近连续段砼时，对边跨桥台侧腹板剪应力的影响较小。

由图11可知：按方法二浇筑，浇筑1#墩顶附近砼时，浇筑顺序3主梁应力变化量仅占当时总应力变化量的15.3%，与方法一对称浇筑相比，对负弯矩区的影响较小。浇筑顺序5中，2#墩顶附近的主梁应力变化量占当时总应力变化量的22.7%，比方法一时稍好。但在间断浇筑顺序5时，对比有限元分析的现浇砼板应力，在浇筑第2个负弯矩区段时，第1个负弯矩区的现浇砼将增加0.02 MPa纵向拉应力，1#墩顶附近的砼会进一步产生应力，对于板内钢筋及剪力键连接效果不明显且未达到一定设计强度的砼桥面板极为不利。而实际钢-混组合连续梁桥现浇砼桥面板施工工期较短。因此，宜采用方法一这种对称浇筑的间断浇筑法。对于支架法现浇的连续组合梁桥，由于模板支架架设的限制，在采用方法二间断浇筑时，应充分考虑浇筑顺序5对1#墩顶负弯矩区砼桥面板的作用。

5 砼容重误差影响分析

桥梁砼浇筑时的容重常不同于设计容重，这对钢-混组合连续梁桥浇筑砼后的受力会产生影响。以砼浇筑后受力较大的3#梁为例，采用单因素分析法，将现浇砼的容重进行增加及减少(增加、减少10%)，分析现浇砼桥面板浇筑后砼容重误差对钢-混组合连续梁桥浇筑砼后受力的影响，结果见表2。

表2 容重误差影响下3#梁的应力值

砼容重的变化实质上是上部砼重力变化。由表2可知：砼浇筑时，10%的砼容重误差对钢-混组合连续梁桥受力的影响并不大。在砼容重误差影响下，3#梁的上翼缘纵向正应力最大变化幅度约为11.1%；墩顶附近下翼缘纵向正应力变化幅度比其他位置稍大，分别约为10.2%、11.7%；其他位置钢梁上、下翼缘纵向正应力变化幅度都小于10%；腹板剪应力的变化也不大，最大变化幅度约为10.3%。