钢-砼组合连续梁-V腿连续刚构桥施工阶段受力性能

2022-04-06曾勇李勇岐余滔

科学技术与工程 2022年9期

曾勇，李勇岐，余滔

(1.山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；3.山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心，重庆 400074)

钢-混组合连续梁-V腿连续刚构桥是主梁为钢-砼组合结构、由V形墩和组合连续梁墩梁固结形成的新型桥梁结构。它既有钢-混组合连续梁与V腿刚构桥的结构特点与受力特征。钢-混组合连续梁桥可以很多跨一联甚至全桥连续，这样既能保证行车的平顺性，又可以节约设置桥梁伸缩缝的费用。V腿(V形墩)墩顶支撑着主梁，对主梁有一定的减跨作用。采用钢-混组合连续梁-V腿连续刚构桥体系时，主梁跨径比桥梁的实际跨径小得多，使得主梁不需要太高的梁高就能让桥梁有较大的跨越能力，尤其适应钢-混凝土组合梁跨径发展的需要。

早在20世纪20年代，已经出现了钢-混组合梁，当时建筑师把钢梁用混凝土包裹以提高耐火能力，还没有剪力连接件的存在[1]。中国对组合梁的研究起步较晚。开始于20世纪70年代[2]。数十年来国内一些科研机构对简支组合梁进行了系统的试验研究，包括受弯承载力、刚度、滑移效应、纵向剪力、栓钉连接件的实际受剪承载力、混凝土板的纵向剪力计算等[4-5]，提出了结合梁变形计算的折减刚度法等一系列方法和理论[6]，为组合梁的设计提供了依据。

V腿桥在世界范围内已有较长的修建历史，1955年法国建成La Voulte-sur-Rhone桥，上部采用预应力结构，主跨56 m，桥梁总长300 m。1962年，英国建成Saint-Michel桥，主跨65.2 m，总长326 m。此后，荷兰、德国、日本等也相继修建了几座V腿梁桥[7]。2018年,郝勇[8]通过分析某主桥V腿施工阶段和各控制截面的应力，总结了V腿内的应力分布规律。2018年，秦双双等[9]以某V腿刚构桥为背景，通过讨论不同原理的杆系简化模型与实体模型计算结果的差异，提出了V腿桥梁用杆系模型时更准确的办法。2018年，梁胜蔚[10]对某V型腿预应力砼连续梁桥的空间效应展开了分析，并对其成桥多年以后的结构可靠性做出了预测。2019年，杨恺[11]以某三跨V腿连续梁为背景，对已服役桥梁在恶劣环境下的地震易损性展开了分析，发现该桥主体V腿几乎不发生地震损伤，结构体系具有较好的抗震性能。2020年，徐嘉煜[12]利用有限元分析对 V 腿刚构桥的设计优化进行探讨，提出了优化结构受力的施工措施。任乐平[13]采用理论分析、数值模拟相结合的方法对V腿连续梁桥地震易损性进行了评估。近年来，为了增大桥梁跨径和减轻结构自重，V腿桥梁逐渐不优先采用传统的预应力混凝土材料来修建，转而逐渐倾向于采用钢结构V腿桥梁。目前对于钢-混组合连续梁-V腿连续刚构桥施工阶段的受力性能的研究还尚有欠缺。

现以中外唯一的钢-混组合连续梁-V腿连续刚构桥为依托，对该桥施工过程进行模拟与分析，对其全桥在各个施工阶段的应力状态和挠度水平展开研究，探讨施工工艺对全桥纵向桥面板以及钢梁受力的影响，并提出合理建议。

1 工程概况

某钢-砼组合连续梁-V腿连续刚构桥，其跨度为20 m+24 m+34 m+56 m +34 m，主梁截面采用典型的开口π型(双主梁)钢-混组合截面。该桥是世界上唯一建成的钢-砼组合连续梁-V腿连续刚构桥，立面布置图如图1所示，实景照如图2所示。该桥主梁结构采用全桥(5跨)连续，主梁累计长度174 m，仅在桥台设置伸缩缝。P1、P2桥墩采用柱式墩，墩梁之间设置支座，P3、P4墩采用V形桥墩，并用高强螺栓与主梁固结。主梁采用耐候钢。

图1 立面布置图

图2 实桥照片

该桥桥面板采用钢筋混凝土结构，中心线位置板厚约为0.3 m，在与栓钉结合位置板厚为0.35 m。单块预制板横桥向为一块整板，横桥向长8.9 m，纵桥向宽3 m。通过将横向湿接缝连接各块预制板，通过剪力钉群与钢主梁形成组合体系。工字形钢主梁的标准梁高为1 m，V腿墩顶附近的主梁高度渐变到1.6 m，钢梁下翼缘宽度从0.6 m变宽到0.8 m。主梁典型断面图如图3所示。

图3 主梁典型断面图

P1、P2墩为竖直墩，P3、P4墩为V形墩(V腿结构)，均主要采用带有外封板的工字形截面，V腿一般构造如图4所示。在跨中桥面板架设完成后，该桥负弯矩区混凝土桥面板采用压重法后浇施工，采用C40微膨胀混凝土。负弯矩区混凝土强度达到90%的设计强度后，再进行跨中区域压重卸载。

图4 大桥的V腿一般构造图

2 有限元建模

利用Midas Civil建立三维梁单元模型，这种方法简单易行，可以快速给出桥梁整体计算结果[14]。

2.1 施工阶段的划分

由于该桥跨数较多，为了便于描述，对主梁结构进行分区域编号。从A0台开始，沿桥梁纵向，将预压前与混凝土桥面板形成组合截面的梁段命名为k1，k2，…，k7,将负弯矩区后浇混凝土的梁段命名为d1，d2，…，d6。由于桥梁在桥台位置并没有结构连续，考虑桥台附近混凝土预压后现浇的意义不大，故分析时做合理简化如图5所示。

图5 主梁结构的梁段划分示意图

有限元建模时，主要考虑的施工阶段情况如表1所示。

表1 主要考虑的施工阶段

2.2 参数选取

钢主梁为Q345qDNH钢材，容重取值为76.98 kN/m3。桥面板为C40钢筋混凝土，容重取值为25 kN/m3。根据设计图纸，二期恒载取值为22.8 kN/m。混凝土收缩徐变，依据设计图纸，该桥预制桥面板采用放置至少6个月预制的混凝土板，因此考虑其收缩徐变作用，预制板混凝土的初始龄期按180 d计，环境相对湿度按70%计。现浇混凝土初始龄期按实际施工情况考虑，计算时现浇施工段工期计为14 d。

桥位地质条件良好，桥墩底部可不考虑基础变位影响。竖直墩顶按照桥梁实际支座设置约束，如图6所示。实桥V腿和钢主梁结合处用高强螺栓连接，建模时用刚性连接模拟[15]。使用施工阶段联合截面的方法，考虑桥面板横坡但不考虑其桥梁纵坡，全桥Midas杆系模型如图7所示。

图6 支座布置图

图7 Midas杆系简化模型

3 分阶段施工过程计算结果

施工方法对组合梁负弯矩段的受力有明显影响。为了行车的舒适性以及减少伸缩缝的经济性需求，钢-混组合连续梁-V腿连续刚构桥的主梁在纵桥向通常是全桥贯通的，这种桥梁在纵桥向往往有多个负弯矩段，且既有V腿刚构桥的受力特征，又有连续梁桥的结构特点与受力特征。因此，为了研究该桥施工阶段的受力性能，将基于有限元方法，对依托工程全桥分阶段施工过程中的关键施工阶段展开受力分析。

3.1 钢梁结构施工完成(CS1)阶段分析

3.1.1 内力

从图8可以看出，在钢梁结构施工完成时，此时V腿中有弯矩存在，主梁弯矩基本全桥连续，仅在V腿墩顶的跨中侧与主梁固结位置处的弯矩相对较大。其主要原因是V腿中存在的弯矩对主梁受弯造成了一定影响。该工况下，全桥单根钢主梁的最大弯矩为655.1 kN·m，位于d5位置附近。

图8 钢梁施工完成阶段主梁弯矩

3.1.2 应力

钢主梁在自重作用下整体受到的应力不大。从图9可以看出，在钢梁下翼缘与V腿处固结(d3、d4、d6、d6)存在应力峰值。其原因是：V腿弯矩引起钢主梁在墩梁固结的位置弯矩发生突变，产生了一部分因弯矩引起的应力，且V腿墩顶的主梁约束了V墩墩顶的纵向位移。图中钢梁下翼缘在d4-d5段的应力曲线并不连续，这是因为应力曲线突变位置，正是该桥主梁底板变宽的位置。该工况下，钢梁的最大压应力为12.7 MPa，最大拉应力为13.9 MPa。

图9 钢梁施工完成阶段主梁应力图

从图10可以看出，在不对称的桥跨布置时，V腿的受力也并不完全对称，本阶段钢V腿顶板(靠主梁一侧)应力控制截面在单肢1/2偏上位置，靠地面一侧的钢V腿底板的应力控制截面在V腿根部。从整个V腿来看，受力最不利的地方，是在靠近边跨侧的V腿根部，最大压应力为12.8 MPa。

图10 V腿应力

3.2 预制板铺装完成(CS2)阶段分析

3.2.1 内力

在本阶段，钢主梁所受内力的特征与上一个阶段一致(图11)，由于桥面板自重对钢梁的弯矩有很大贡献，因此钢梁的弯矩控制截面仍然位于纵桥向d5位置处。该工况下，单根钢主梁的最大弯矩为3.710×103kN·m。

图11 钢主梁弯矩的分布图

3.2.2 应力

在本阶段，钢主梁上下翼缘的应力特征与上一个阶段基本一致(图12)。桥面板的重量导致钢梁应力增大，应力控制截面仍然是在d5梁段，钢梁最大拉应力为77.6 MPa，最大压应力为72.7 MPa。

图12 CS2阶段钢主梁应力图

在预制板架设完成阶段，此时混凝土板内最大拉压应力均不超过0.1 MPa，可视为此时的混凝土桥面板不受力(图13)。压重法在铺设跨中预制桥面板时，由于纵向有钢梁的支撑，同时剪力钉群孔采取的是后浇混凝土的方法，所以此时桥面板不产生纵向应力。换言之，混凝土板是在钢梁发生了因为承担混凝土板的自重而导致主梁弹性下挠之后才与钢梁结合成整体的。从本阶段的混凝土板的应力状况可知，在对施工阶段进行建模时，对截面刚度的变化过程的模拟正确，减小了计算误差。

图13 CS2阶段桥面板应力图

应力控制截面仍然位于靠近边跨侧V腿底板根部，最大压应力33.2 MPa。此时V腿上翼缘板应力最不利位置变化到了V腿根部，V腿自身应力呈现出极为明显的不对称状态(图14)。总体来看，在本阶段，桥面板对钢主梁的影响仅仅相当于施加了恒载，并不参与结构受力，此阶段结束时形成的截面才是正弯矩区组合截面的初始状态。

图14 V腿应力

3.3 成桥阶段分析

3.3.1 弯矩

主梁成桥阶段已经计入二期的铺装质量，分析钢主梁弯矩(图15)，钢主梁在d4和d5梁段的负弯矩大小有了显著的提高，单根钢主梁的最大负弯矩为4.991×103kN·m。

图15 成桥阶段钢主梁弯矩

3.3.2 应力

钢主梁上翼缘应力曲线不再如CS1和CS2阶段一样连续(图16)。在每个负弯矩段都发生了应力突然增大的现象，分析其原因，是因为此时负弯矩段已经施工完成，且跨中压重已经卸载，但由于栓钉受到混凝土的约束，钢梁上翼缘板的弹性变形难以恢复，钢梁内拉应力水平在一定程度上得到了保持。分析钢梁下翼缘应力曲线，发现其线形特征并无改变，应力曲线无突变，说明压重法对主梁下翼缘的受力特性并无太大影响。恒载作用下，成桥阶段钢主梁的最大拉应力为110 MPa，最大压应力为95.1 MPa。

图16 成桥阶段钢主梁应力图

成桥状态下，P1和P2竖直墩顶的负弯矩区混凝土桥面板上缘均处于受压状态(图17)。P3和P4墩V腿顶部的负弯矩区混凝土桥面板上缘却存在拉应力，最大值为0.52 MPa。主梁各跨跨度差别不大，且按照施工方案，对于不同跨度的压重配重也有相应的调整，大跨跨中的压重配重稍重，小跨跨中的压重配重稍轻。可从实际计算来看，竖直墩墩顶采用压重法的效果明显好于V腿墩的墩顶。

V腿控制截面仍然在靠近边跨侧V腿底板根部，本阶段受到的最大压应力为46.519 MPa，此时V腿应力继续保持明显的不对称状态。在成桥状态下，相较于所使用的材料强度，V腿根部由结构自身恒载引起的应力水平不大(图18)。

建立的有限元模型对该桥分阶段施工的过程模拟较为准确，对施工过程中的截面刚度变化模拟较为准确。在成桥状态下，该桥始终处于弹性变化阶段，且混凝土仅在V腿墩顶部受到很小的拉应力作用，由于暂未计入混凝土中钢筋对混凝土板刚度的贡献，故实际算得的拉应力仍然是偏大的。

3.4 各阶段对比分析

对全桥钢梁上翼缘、钢梁下翼缘、混凝土板上缘、混凝土板下缘、全桥挠度这5个方面，在不同施工阶段的情况进行对比分析。

(1)钢梁上翼缘应力。各关键施工过程的钢梁上翼缘计算结果见图19，可以发现：在负弯矩施工完成以前，钢梁上翼缘拉应力曲线在纵桥向是连续无突变的。应力随着施工工程而均匀增加。负弯矩施工完成以后，钢梁上翼缘应力曲线有了明显的突变，其原因是跨中压重卸载后，因压重钢梁上翼缘板产生的弹性变形没有恢复，钢梁内拉应力水平在一定程度上得到了保持。二期铺装对钢梁上翼缘的影响并不明显，就本文依托工程计算结果来看，二期前后钢梁上翼缘板的应力曲线几乎完全一致。

图19 钢梁上翼缘施工过程计算结果

(2)钢梁下翼缘应力。各关键施工过程的钢梁下翼缘计算结果见图20，钢主梁下翼缘的应力变化基本随施工过程而均匀变化。成桥状态下，钢主梁下翼缘最大压应力位于d5墩顶，为94.8 MPa，最大拉应力位于边跨k7，为57.4 MPa。V腿墩顶两侧主梁下翼缘应力存在突变现象，V腿结构使钢梁下翼缘额外产生了拉应力。

图20 钢梁下翼缘施工过程计算结果

(3)混凝土板上缘应力。桥面板上缘施工过程计算结果见图21，可见在跨中桥面板刚铺设时，此时桥面板纵向不受力；二期铺装前，即各负弯矩区现浇混凝土板刚施工结束的一个阶段，负弯矩区的压应力储备达到最大，此时全桥混凝土桥面板上翼缘均处于受压状态；二期铺装以后，V墩墩顶出现较小拉应力，而竖直墩墩顶虽然压应力储备减小了，但仍然保持混凝土上缘不受拉状态。可见，同采用压重法施工时，对竖直墩墩顶的负弯矩区施加压应力储备的效果比V腿墩顶的负弯矩区的效果好，这里初步认为是V腿的竖向刚度导致的。

图21 桥面板上缘施工过程计算结果

(4)混凝土板下缘应力。各主要施工过程的桥面板下缘计应力算结果见图22。压重配重施加后，混凝土板下缘的应力值均较小。V墩顶部主梁(k4、k5跨)下翼缘出现了全桥混凝土板下缘的最大拉应力，二期施工前为0.15 MPa，二期施工后为0.36 MPa。与混凝土板上翼缘截然相反的是，用压重法施工时，V腿墩顶负弯矩区混凝土板下翼缘的预压力储备效果比竖直墩效果显著。

图22 桥面板下缘施工过程计算结果

(5)施工过程的全桥挠度变化。施工过程的全桥挠度变化见图23。在V腿墩顶负弯矩区，主梁会随着施工过程的推进出现较小的下挠，直至成桥阶段，最大可在d6位置产生8.5 mm的下挠。分析纵桥向，d5、d6这两处负弯矩区主梁的下挠，可见有明显的差异：d5几乎没有下挠，d6出现最大的墩顶下挠。其主要原因是，主梁在纵桥向全桥连续，桥跨布置不对称，主梁的主跨跨中和边跨下挠不一致，造成同一V腿的两处墩顶不均匀下挠。

图23 施工过程的全桥挠度变化

4 组合截面一次形成与分阶段形成模型的计算对比

建立组合截面一次形成的有限元模型，单元龄期均为180 d，与组合截面分阶段形成的成桥计算结果对比。这种模型在实际连续梁桥建设中并不存在，此处仅用该模型来对比与分阶段施工成桥之间的差异，以突出组合梁桥最终成桥态与施工过程准确模拟之间的重要关系。

4.1 成桥挠度的差异

分阶段施工法对全桥成桥下挠的影响很大。不考虑分阶段施工时，主梁的组合截面是一次形成的，在承受自重荷载时，主梁的最大跨中竖向下挠仅为15.89 mm。在主梁没有形成组合截面前，铺设的或者现浇的桥面板的重量仅由钢梁承担，钢梁与混凝土形成组合截面后，二者才共同受力。多个阶段钢梁下挠的差值累加，最终会造成两种分析方法之间的巨大差异，见图24。

图24 不同成桥计算方法下的最终成桥挠度对比

4.2 成桥应力的差异

组合截面一次形成的模型，其主梁在自重以前就已经形成组合截面，此时钢梁上翼缘恰好位于组合截面的中性轴附近[图25(a)]。可以看出，在成桥状态，一次形成组合截面的钢梁上翼缘受到的拉压应力均很小。对比分阶段施工的钢主梁上翼缘，分阶段施工使得钢主梁上翼缘应力与一次成桥相差巨大。对于本桥，计入分阶段施工时，d5梁段的钢主梁上翼缘最大拉应力增大了84.0 MPa，k5梁段的钢主梁上翼缘最大压应力增大了46.1 MPa。如果采用一次成桥的分析模型计算钢梁上翼缘应力时，会存在较大的误差。

若采用组合截面一次形成的计算模型分析钢梁下翼缘应力，会严重低估成桥状态下主梁下翼缘的跨中拉应力和墩顶附近的压应力，如图25(b)所示。