钢- 混组合连续梁桥中支点顶升施工过程受力分析

2022-03-19刘晓銮顾民杰

城市道桥与防洪 2022年2期

刘晓銮，顾民杰

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

0 引言

钢- 混组合梁桥是钢梁通过剪力连接件与混凝土桥面板组合而成的梁式桥。它能充分发挥钢材和混凝土两种材料的优势，在现代桥梁中获得越来越广泛的应用[1-3]。但是，组合连续梁桥中支点附近受负弯矩作用，上缘混凝土桥面板很容易因承受拉应力而开裂，造成截面刚度和承载能力降低。同时，还可能造成钢梁和钢筋发生锈蚀。这是影响组合连续梁桥使用寿命的关键问题[4-6]。

对组合连续梁桥面板施加预应力的方式有多种，比较常见的有预加配重法、预应力钢束法、支点顶升法等。这些方式可以单独使用，也可以综合使用[7-9]。上海长江大桥对不同支点顶升施工方案分析表明，合理确定支点顶升量和安排梁落顺序对组合梁桥的结构体系受力性能具有一定影响，施工难易程度也有差异[4]。

为分析支点顶升量对钢- 混组合连续梁桥受力性能的影响，本文以嘉兴市市区快速路环线工程中3 联钢- 混组合连续梁为研究对象，计算了支点顶升量对组合梁桥主要应力指标的影响，并分析了最优支点顶升量，可以为类似桥梁设计和施工提供参考。

1 钢-混组合连续梁结构设计

1.1 结构设计

嘉兴市市区快速路环线工程（一期），快速路主线采用“高架+短地道”组合建设形式，总长约15.2 km。主线高架在跨越横向道路和河道时，部分区段采用组合连续梁结构。

本文选取其中3 联钢- 混组合连续梁桥，跨径布置分别为50 m+70 m+50 m、40 m+60 m+40 m 和35 m+45 m+35 m。标准桥面宽度25 m，四箱单室布置，钢梁采用槽形断面，梁距6.0 m，箱间采用12.5 m间距的横梁连接。混凝土桥面板采用C50 低收缩混凝土，桥面板厚0.25～0.35 m。钢梁上翼缘和横梁顶面设置剪力键与混凝土桥面板连为整体。50 m+70 m+50 m 组合梁中支点梁高3.8 m，跨中梁高2.5 m；40 m+60 m+40 m 组合梁中支点梁高3.4 m，跨中梁高2.0 m；35 m+45 m+35 m 组合梁等高度2.3 m。

50 m+70 m+50 m 组合连续梁桥结构立面、平面及断面如图1～图3 所示。

图1 立面布置图（单位：mm）

图2 平面布置图（单位：mm）

图3 断面布置图（单位：mm）

1.2 支点顶升法

本桥采用支点顶升法对混凝土桥面板施加预压应力。先将中支点处钢箱梁顶升一定高度，浇筑主梁正弯矩区混凝土。待混凝土达到设计强度后，再浇筑负弯矩区混凝土。达到设计强度和龄期后，分4～5 级均匀同步落梁，给负弯矩区混凝土桥面板施加一定的预压应力。施工顺序如图4 所示。

图4 支点顶升法施工示意图

2 组合连续梁结构计算

2.1 计算模型

本文采用Midas Civil 建立组合连续梁桥的空间有限元模型，钢主梁、横梁均采用梁单元模拟，混凝土桥面板采用施工阶段联合截面模拟。其中，50 m+70 m+50 m 有限元模型如图5 所示。

图5 组合连续梁桥空间有限元模型（50 m+70 m+50 m）

2.2 主要施工阶段划分

（1）CS1：架设钢梁，加载钢梁和横梁自重。

（2）CS2：顶升中支点。

（3）CS3：现浇混凝土桥面板。在钢梁单元上加载混凝土桥面板自重。

（4）CS4：激活桥面板，形成组合截面。

（5）CS5：下降中支点。

（6）CS6：附属设施施工。在模型上加载二期铺装和防撞护栏自重。

（7）CS7：收缩徐变。考虑成桥后10 a 的收缩徐变。

3 计算结果

3.1 50 m+70 m+50 m 施工阶段应力图

图6～图9 列出了50 m+70 m+50 m 跨组合梁钢梁和桥面板在施工阶段和成桥后的应力随支点顶升量的变化，正值为拉应力，负值为压应力。

图6 中支点钢梁应力变化图（50 m+70 m+50 m）

图9 跨中桥面板应力变化图（50 m+70 m+50 m）

从图6 可以看出，在CS2 中支点顶升后，中支点钢梁上下翼缘的拉应力和压应力均有增加。支点顶升量每增加10 cm，上缘拉应力增加6～8 MPa，下缘压应力增加6～8 MPa。在CS3 桥面板湿重阶段，在支点顶升量70 cm 时，中支点钢梁上缘最大拉应力173.1 MPa，下缘最大压应力-136.7 MPa。

从图7 可以看出，在CS2 中支点顶升阶段，随着支点顶升量增加，跨中钢梁上翼缘由受压逐渐变为受拉，支点顶升量每增加10 cm，上缘拉应力增加15 MPa 左右，下缘压应力增加13 MPa 左右。

图7 跨中钢梁应力变化图（50 m+70 m+50 m）

从图8、图9 可以看出，在CS5 落梁后，混凝土桥面板在中支点和跨中截面均产生了压应力，支点顶升量每增加10 cm，中支点桥面板压应力增加0.6 MPa左右，跨中桥面板压应力增加1.0 MPa 左右。

图8 中支点桥面板应力变化图（50 m+70 m+50 m）

在CS6 成桥阶段，在支点顶升量60～70 cm 时，中支点桥面板可以形成2.0～2.8 MPa 的压应力储备，跨中桥面板可以形成4.7～8.5 MPa 的压应力储备。这说明采用支点顶升法向支点桥面板施加预压应力是非常有效的。

在CS7 成桥10 a 后，由于混凝土收缩徐变的作用，桥面板施加的压应力有较大损失，在60～70 cm顶升量时收缩徐变后中支点桥面板已由受压变为受拉，拉应力约1.4～2.0 MPa。因此，设计须考虑混凝土收缩徐变对支点顶升有利影响的抵消作用。通过配置钢筋将桥面板的裂缝宽度限制在容许值以内，可满足结构耐久性要求。

综上分析，为使组合连续梁在成桥阶段有适当的压应力储备，收缩徐变后裂缝宽度满足使用要求，50 m+70 m+50 m 跨组合梁的最优支点顶升量可以取为60～70 cm。

3.2 40 m+60 m+40 m 施工阶段应力图

限于篇幅，40 m+60 m+40 m 跨仅列出中支点钢梁和桥面板在施工阶段和成桥后的应力随支点顶升量的变化，如图10、图11 所示。

从图10、图11 中可以看出，40 m+60 m+40 m 跨径组合连续梁，在支点顶升量50～60 cm 时，成桥时中支点桥面板压应力储备约1.6～3.1 MPa。10 a 收缩徐变后，支点拉应力约1.3～2.1 MPa。通过配筋可满足结构耐久性要求。40 m+60 m+40 m 跨组合连续梁的最优支点顶升量取为50～60 cm。

图10 中支点钢梁应力变化图（40 m+60 m+40 m）

图11 中支点桥面板应力变化图（40 m+60 m+40 m）

3.3 35 m+45 m+35 m 施工阶段应力图

35 m+45 m+35 m 跨列出中支点钢梁和桥面板在施工阶段的应力随支点顶升量的变化，如图12、图13 所示。正值为拉应力，负值为压应力。

图12 中支点钢梁应力变化图（35 m+45 m+35 m）

图13 中支点桥面板应力变化图（35 m+45 m+35 m）

从图12、图13 中可以看出，35 m+45 m+35 m 跨径组合连续梁，在支点顶升量50～60 cm 时，成桥时中支点桥面板压应力储备约1.6～3.8 MPa。10 a 收缩徐变后，拉应力约为0.7～1.8 MPa，可以通过配筋控制桥面板裂缝宽度，35 m+45 m+35 m 跨组合连续梁的最优支点顶升量取为30～40 cm。