钢-混组合连续箱梁桥施工阶段计算分析

李林，卢珊珊

（1.中铁七局集团有限公司第二工程有限公司， 沈阳 110000；2.江西现代职业技术学院， 南昌 330095）

1 引言

钢-混组合结构桥梁通过2种材料的共同工作，充分发挥了混凝土抗压和钢材抗拉性能上的优势，避免了混凝土受拉开裂和钢材受压失稳的问题。同时，组合结构也具有结构自重轻、施工性能好等方面的优点，得到广泛运用[1～5]。目前，组合结构桥梁已逐步成为城市公路桥梁的主要结构形式。近年来，钢-混组合结构的研究已成为研究热点方向之一。安然等[6]建立考虑界面滑移效应的钢-混组合梁施工阶段计算模型，研究施工阶段界面滑移对组合梁刚度折减的影响，认为界面滑移会增大主梁挠度，对组合梁刚度造成不利影响；李立峰等[7]采用ABAQUS有限元软件建立组合梁试验梁非线性分析模型，认为考虑钢梁应变强化效应可以很好地预测完全剪力连接钢-混简支组合梁的抗弯承载力；王海军等[8]利用ANSYS的单元生死技术模拟钢混组合梁分阶段施工过程，对比分析一次落架和分阶段施工钢混组合梁剪力钉滑移效应；苏庆田等[9]提出一种整体预制钢-混组合梁桥结构，并认为该结构在全寿命周期的经济性能方面优于现有的预制结构。

钢-混组合梁桥结构新颖，其组合效应使受力特点不同于以往常用的混凝土结构或者钢结构，因此，该结构形式的施工过程及成桥后受力特点值得关注。本文基于以上热点问题，依托某钢-混组合梁四跨连续梁桥实际工程，建立全桥杆系有限元模型，分析该结构体系在施工过程中的应力变化及变形情况，并基于以上分析结果为工程施工提供借鉴。

2 钢-混组合梁桥整体设计

合肥某市政道路工程，全长6.4 km。该工程主线1号桥第37 联（113#墩～117#墩）采用 42 m+2×70 m+42 m钢-混组合梁结构跨越绕城高速桥梁（高速桥跨结构16 m+20 m+16 m简支箱梁），与绕城高速斜交59.56°，中心桩号为K5+040.32（对应绕城高速中心桩号K18+547）。下部结构采用双柱式矩形桥墩，基础采用现浇承台接群桩基础，桩基采用钻孔灌注桩，桩径分别为1.5 m和2.0 m。上部结构为现浇预应力混凝土桥面板，混凝土强度标号为C50，钢主梁采用Q345D型钢梁，混凝土桥面板和钢主梁通过剪力钉连接。

3 钢-混组合梁桥整体受力性能分析

3.1 有限元模型建立

该桥为42 m+2×70 m+42 m钢-混组合梁连续梁桥。根据设计图纸提供的结构布置，采用有限元分析模型MIDAS/CIVIL建立结构有限元分析模型。建模过程中，考虑结构自重、二期恒载以及混凝土收缩徐变作用。主梁以梁单元模拟，主梁自重采用主梁截面模拟，混凝土密度采用26 kN/m3，钢绞线及钢材容重为78.5 kN/m3，桥面铺装与防撞栏混视为二期恒载，换算成节点荷载形式施加；钢-混组合梁截面采用施工阶段联合截面，定义混凝土为时间依存性材料，混凝土收缩徐变算法采用JTG D62—2012《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》算法，混凝土加载龄期按7 d计算，构件的理论厚度算法按公路桥梁规范执行，收缩徐变计算至主桥竣工后10 a。横隔板、墩顶混凝土以节点荷载形式施加，考虑桥梁体外纵向预应力束。

混凝土等级C50，主桥系杆拱桥钢结构上部结构采用Q345qD，预应力钢绞线采用φ15.20 mm高强度低松弛钢绞线。全桥共分为155个节点，112个单元。如未特别说明，本文采用如下符号约定：竖向位移及变形向上为正，向下为负；压应力为负、拉应力为正。

3.2 施工阶段模拟

根据施工图纸设计的施工步骤划分施工阶段，将（1～2）合并为第一、二阶段，将（3～4）合并为第三、四阶段，将（5）划分为第五阶段-中跨混凝土与第五阶段-支座混凝土2个阶段，将（6）定义为体外预应力束张拉后阶段，最后考虑二期及10年徐变2个阶段。对该钢-混组合梁结构进行施工过程仿真计算分析，设置与实际情况相一致的约束边界条件，临时墩梁之间受压弹性连接，永久墩梁之间采用固结，墩底按四跨连续梁布置边界约束，得到施工阶段各个构件的内力及位移分布情况。

3.3 施工阶段组合梁钢结构应力分析

从不同施工阶段组合梁钢结构部分应力结果可以得到，在混凝土桥面板浇筑前，钢结构应力最大值出现在上跨绕城高速段70 m跨跨中临时墩位置，第一、二、三、四阶段该位置处钢结构最大应力值为21.56 MPa；在第五阶段中跨混凝土浇筑开始后，钢结构应力最大值一直出现在115#永久墩位置处，施工过程中该位置处钢结构应力最大值在表1中列出。从表1可以看出：支座混凝土浇筑完成时，钢结构最大应力值出现最大值，为169.6 MPa，按照JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》中3.2.1条规定，主梁钢材厚度属16～40 mm范围内，取Q345qD抗压强度270 MPa。由此可得，施工阶段组合梁应力情况满足规范要求；体外预应力束张拉能够缓解组合梁钢结构受力状态，使组合梁钢结构整体应力水平降低；考虑混凝土桥面板徐变情况，组合梁钢结构应力水平随时间缓慢减小。

表1 施工阶段钢结构应力最大值情况

3.4 施工阶段组合梁混凝土桥面板应力分析

从不同施工阶段组合梁混凝土桥面板部分应力分布可以得到，中跨混凝土桥面板浇筑时，混凝土桥面板全截面受压，处于理想受压安全状态；支座混凝土桥面板浇筑后，混凝土桥面板应力最大值一直出现在115#永久墩位置处，施工过程中该位置处混凝土桥面板应力最大值在表2列出。表2可看出：10年徐变时，混凝土桥面板最大应力值出现最大值，为3.13 MPa，存在开裂风险；按JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定，C50抗拉强度标准值为ftk=2.6 MPa，可得施工过程中及成桥时组合梁混凝土桥面板应力情况满足规范要求；体外预应力束张拉能够缓解组合梁混凝土桥面板受力状态。

表2 施工阶段混凝土桥面板应力最大值情况

3.5 施工阶段组合梁竖向变形分析

从不同施工阶段组合梁竖向变形结果可得到，中跨混凝土桥面板浇筑前，由于设置临时支墩，组合梁竖向挠度非常小；支座混凝土桥面板浇筑后，组合梁竖向变形最大值出现在中间两跨跨中位置处，由于模型对称数值相等，施工过程中组合梁竖向变形最大值在表3中列出。从表3可看出：施工过程中钢-混组合梁变形较大，应考虑设置施工预拱度；混凝土徐变对该钢-混组合梁变形影响不大；体外预应力束张拉能够缓解组合梁变形状态。

表3 施工阶段组合梁竖向变形最大值情况

4 结论

该钢-混组合梁在施工过程中钢结构与混凝土桥面板应力及变形状态合理，考虑混凝土徐变过程，钢-混组合梁钢结构部分应力随时间增长而降低，混凝土桥面板应力随时间增长而增高，混凝土徐变对组合梁变形影响不大。