钢-混组合梁桥桥面板铺装顺序优化设计研究*

2022-12-13丁滨阳田仲初彭学军汤宇凌涛丛培

公路与汽运 2022年6期

丁滨阳，田仲初，彭学军，汤宇，凌涛，丛培

(1.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114；2.中铁五局集团第一工程有限公司，湖南长沙 410117)

钢-混凝土组合梁桥施工中，主梁结构应力和变形受施工方法的影响很大，特别是墩顶桥面板负弯矩区的应力状态和混凝土裂缝宽度。已有研究成果大多只是针对现浇桥面板进行施工工艺研究和结构受力分析，对预制桥面板的施工工艺对结构的影响鲜有研究。本文以宁夏镇罗黄河特大桥主桥为依托工程，采用单向连续铺装法、双向对称铺装法、墩顶对称铺装法、皮尔格铺装法4种施工方法，对比分析不同桥面板铺装顺序下负弯矩区桥面板应力、钢箱梁应力及裂缝宽度，研究钢-混组合梁桥负弯矩区桥面板受力状况的优化方法，为钢-混组合梁桥桥面板施工提供借鉴。

1 工程概况

宁夏镇罗黄河特大桥主桥跨径布置为55 m+6×90 m+55 m，桩号为LK5+999—LK6+649，为单箱单室组合梁连续梁桥，分幅布置，中心梁高4.5 m，顶板全宽12.75 m，底板宽6.7 m(见图1)。钢箱梁采用顶推施工方法。

图1 镇罗黄河特大桥主桥桥型布置示意图(单位：cm)

2 桥面板施工方法

钢-混组合梁桥的桥面板通常在主梁施工完成后架设，不同桥面板铺装顺序对钢箱梁和桥面板结构的受力有影响。为避免桥面板铺装过程中负弯矩区应力较大导致混凝土开裂，针对镇罗黄河特大桥预制桥面板的特点，结合施工实际情况，采用单向连续铺装法、双向对称铺装法、墩顶对称铺装法、皮尔格铺装法4种施工方法进行对比分析。

2.1 单向连续铺装法

单向连续铺装法将预制桥面板从主桥一端向另一端连续不断地铺设。待钢箱梁顶推就位后，安装架桥机，依次吊装首跨桥面板就位，同批次按顺序浇筑首跨桥面板内现浇混凝土(含湿接缝)，张拉本阶段预应力；继续上述步骤，完成所有桥面板铺装(见图2)。然后铺设二期恒载，全桥整体完工。这种施

图2 单向连续铺装法原理示意图

工方法在跨度较小的组合梁桥中应用较多，其优点是方便连续施工作业，但墩顶桥面板在后续预制桥面板自重作用下会产生较大拉应力。

2.2 双向对称铺装法

双向对称铺装法是指预制桥面板分别从主桥南岸和北岸两侧向中间同步铺装。同步吊装首跨和末跨桥面板，同时浇筑首跨和末跨内现浇混凝土、张拉本阶段预应力。重复上述步骤直至桥面板铺装完成(见图3)。

图3 双向对称铺装法原理示意图

2.3 墩顶对称铺装法

墩顶对称铺装法是首先在各墩墩顶将预制桥面板铺装到位，然后同步向跨中铺装桥面板。该方法要求制作多个作业平台，在各墩墩顶处均布置架桥吊机和运板小车，然后同步铺装直至桥面板施工完成(见图4)。

图4 墩顶对称铺装法原理示意图

2.4 皮尔格铺装法

皮尔格铺装法又称间断铺装法，先铺设所有跨径内的桥面板，然后铺设墩顶桥面板。从南岸向北岸依次吊装所有跨径内节段桥面板，然后按顺序浇筑所有跨径内现浇混凝土，同时张拉本阶段预应力。

最后从北岸向南岸依次吊装墩顶桥面板，并同步浇筑墩顶处现浇混凝土(见图5)。采用这种方法能避免墩顶桥面板在铺装过程中因受到跨径内桥面板自重作用而产生较大拉应力，减小混凝土裂缝宽度。

图5 皮尔格铺装法原理示意图

3 有限元模型建立

3.1 整体模型建立

利用有限元软件模拟主梁施工过程，针对镇罗黄河特大桥主桥顶推施工特点，将钢箱梁单元细分为1 m/单元，主梁共计727个梁单元、1 317个节点。由于桥面板采用预制铺装方法，建模分析时以顶推落梁后的模型为基础。

3.2 计算参数(见表1)

表1 主桥构件材料计算参数

3.3 荷载施加

钢箱梁的横隔板有多种形式，其质量各不相同，分布位置也不同。建立有限元模型时通过添加节点荷载的形式将不同种类横隔板分布在主梁的不同位置，桥面剪力钉则通过均布荷载的形式分布在整个主梁上。

3.4 主梁与桥面板的连接

依托顶推落梁后的有限元模型，利用施工联合截面来模拟桥面板与钢箱梁的耦合作用(见图6)。当现浇混凝土和剪力槽还没浇筑时，通过施加均布荷载模拟桥面板和湿接缝作用在钢箱梁上的力。为确保有限元模拟准确，设置多个分析步长来模拟预制桥面板的分段铺装，研究4种施工方法对结构受力的影响。

图6 皮尔格铺装法有限元模型示意图

4 不同桥面板施工方法下钢-混组合梁应力分析

4.1 各墩墩顶桥面板应力分析

不同桥面板施工方法下墩顶桥面板的最大应力见表2。

由表2可知：采用皮尔格铺装法施工时，N+1#～N+4#和N+7#墩墩顶处桥面板应力为-0.1 MPa，桥面板处于受压状态，结构受力状况良好；N+5#和N+6#墩墩顶处桥面板出现很小的拉应力，说明采用皮尔格法进行桥面板铺装能在一定程度上减小墩顶处拉应力。采用双向连续铺装法施工时，各墩墩顶处桥面板产生部分拉应力，但远小于桥面板混凝土抗拉强度设计值，不影响结构的受力状态。采用单向连续铺装法和墩顶对称铺装法施工时，N+2#～N+6#墩墩顶处混凝土桥面板出现较大拉应力，最大拉应力达2.0 MPa，对结构受力状态有所影响。

表2 不同桥面板施工方法下各墩墩顶桥面板最大应力 MPa

4.2 成桥阶段钢箱梁应力分析

不同桥面板施工方法下成桥阶段钢箱梁应力分布见图7～10和表3。

图7 采用单向连续铺装法施工时成桥阶段钢箱梁应力云图(单位：MPa)

图8 采用双向对称铺装法施工时成桥阶段钢箱梁应力云图(单位：MPa)

图9 采用墩顶对称铺装法施工时成桥阶段钢箱梁应力云图(单位：MPa)

图10 采用皮尔格铺装法施工时成桥阶段钢箱梁应力云图(单位：MPa)

表3 不同桥面板施工方法下成桥阶段钢箱梁最大应力 MPa

由图7～10和表3可知：4种桥面板施工方法对成桥阶段钢箱梁应力的影响不大，且应力均在规范容许范围内。

5 桥面板裂缝宽度计算

5.1 裂缝宽度计算理论

一般情况下混凝土构件的抗拉性能较差，在正常使用状态下会导致混凝土裂缝，为保证混凝土结构的正常使用，结构设计时需将裂缝宽度控制在规范允许范围内。国内外许多学者对裂缝产生原理进行了研究，但由于混凝土材料本身及裂缝产生的随机性和不确定性，研究分析裂缝的难度增大。目前形成了多种裂缝计算理论，主要包括黏结-滑移理论、无滑移理论及黏结-滑移理论和无滑移理论相结合的综合分析理论。本文不考虑黏结、滑移的影响，选择无滑移理论计算裂缝宽度。两条裂缝之间混凝土应力与应变分布按弹性力学的方法计算得到。裂缝的最大宽度与混凝土保护层厚度c、裂缝间平均应变成正比，即：

式中：C1为钢筋表面形状系数，该桥采用带肋钢筋，C1=1.00；C2为作用长期效应影响系数，C2=1+0.5(Ml/Ms)；Ml、Ms分别为作用准永久组合和作用频遇组合计算的弯矩设计值；C3为与构件受力性质有关的系数，本文分析轴心受拉构件，C3=1.2；σss为钢筋应力；c为最外排纵向受拉钢筋的混凝土保护层厚度；d为纵向受拉钢筋的直径；ρte为纵向受拉钢筋的有效配筋率。

5.2 最大裂缝宽度计算

根据作用准永久组合和频遇组合算出的墩顶最大负弯矩值，得出墩顶负弯矩区最大裂缝宽度(见表4)。由表4可知：采用单向连续铺装法施工时墩顶混凝土桥面板裂缝宽度最大，达0.21 mm；采用皮尔格铺装法施工时，混凝土桥面板的裂缝宽度最小，为0.07 mm；采用双向对称铺装法和墩顶对称铺装法施工时，裂缝宽度分别为0.11 mm、0.16mm。采用单向连续铺装法施工时桥面板最大裂缝宽度大于规范容许值0.20 mm，其他3种方法均满足规范要求。