施工过程配重对连续钢箱梁支点处桥面板受力改善的研究

严春明

(保利长大工程有限公司，广东 广州511431)

钢箱梁结构具有自重轻、施工时间短、承载能力大、跨度大等优点，已经广泛应用于我国及世界桥梁中。为提高钢箱梁结构桥面铺装的耐久性，往往在钢梁上先现浇混凝土桥面板，再进行桥面铺装，但对连续结构而言，活载作用会使得支点区域产生负弯矩，导致混凝土桥面板产生拉应力并开裂。

谢悦[1]通过有限元软件MIDAS/FEA，研究了不同梁高、上翼缘厚度和上翼缘宽度对负弯矩区混凝土桥面板受力和开裂问题的影响，并比较三种方案的经济性，得出效率最高的优化方案。张洪祥[2]通过建立 MIDAS/FEA 局部有限元模型，分析了负弯矩区 UHPC 与普通混凝土结合段的受力性能、传力机制；并采用全寿命经济分析的方法，对负弯矩区设置普通混凝土桥面板结合顶落梁施工和负弯矩区设置 UHPC 桥面板结合简支变连续施工的全寿命经济性进行对比分析。李剑鸾[3]以4×25 m钢混组合连续梁桥为研究对象,通过有限元软件ALGOR计算分析发现,结合应用支座桥面板滞后施工方法和支座顶升方法,能够较好地解决钢混组合连续梁负弯矩区桥面板的拉应力问题。刘少华[4]分析了影响组合梁负弯矩区受力性能的因素,改进了拉应力的技术措施及负弯矩的设计方法。陈林[5]比较了各种减小负弯矩区内混凝土桥面板的拉应力的方法，负弯矩区桥面板受力性能的改善可确保结构的耐久性和使用性能。曾德礼等[6]研究先简支后连续、中支点桥面板滞后结合并采用支点升降法的施工措施，监测结果表明,体系转换完成后、二期恒载铺设前各墩墩顶混凝土顶板压应力储备为3.01～4.70 MPa，在二期恒载铺装前桥面线形的实测值与设计值偏差普遍在3 cm以内，墩顶体系转换时应力和线形控制较好。

本文以香海大桥支线工程坦洲枢纽互通G匝道上跨西部沿海高速主跨跨径31 m的3跨连续钢箱梁桥为对象，研究施工过程中不同区域内施加配重并在成桥后卸载对支点处桥面板混凝土的受力改善。通过建立有限元模型，研究边跨区域配重、中跨区域配重以及边、中跨同时配重对桥面板受力的影响规律，并通过现场应力监测对其实施效果加以验证。

1 工程概况

香海大桥支线工程位于广东省珠海市，是东部城区西北部的主要门户道路，也是珠海市对外交通联系的重要高速公路通道。本文以香海大桥支线工程坦洲枢纽互通G匝道3×31 m连续钢箱梁桥为研究对象，其桥梁上部结构为钢箱梁，下部结构桥墩采用柱式墩，桩基为钻孔灌注桩基础，桥面板采用15 cm厚的C50现浇钢纤维混凝土并与钢箱梁之间采用剪力钉连接，桥面铺装采用10 cm厚的沥青混凝土。该桥的立面布置图和钢箱梁横断面图分别如图1和图2所示。

图1 3×31 m连续钢箱梁立面布置图(单位：cm)

图2 钢箱梁横断面图(单位：mm)

2 施工过程中配重对钢箱梁桥面板受力的影响分析

2.1 有限元模型建立

香海大桥支线工程坦洲枢纽互通G匝道的3×31 m连续钢箱梁桥主梁采用Q345钢材，桥面板采用C50钢纤维混凝土。采用Midas Civil有限元软件建立结构模型，通过组合截面模拟钢箱梁和桥面板，并通过定义施工过程联合截面来模拟钢箱梁和混凝土桥面板在不同施工过程中的结合；结构的边界按照连续梁桥结构施加。连续梁结构的Midas模型见图 3。

图3 坦洲枢纽互通G匝道3×31 m连续梁结构有限元模型

2.2 桥面板正负弯矩的区域划分

香海大桥支线工程坦洲枢纽互通G匝道在结构施工过程中先架设钢梁，再在已架设钢梁上进行混凝土桥面板的浇筑及组合，因此桥面板的恒载主要由钢箱梁承受。运营期间，桥面板主要受温度和活载的影响，有限元的计算结果表明温度对桥面板受力的影响较小，然而活载作用下桥面板尤其是中支点区域会产生较大的负弯矩，活载作用下桥面板的弯矩图见图4。

由G匝道3×31 m连续钢箱梁结构的活载弯矩分布可知，在中支点顺桥向前后10 m范围的区域会出现较大的负弯矩，因此需要采取一定的措施，否则运营阶段将会出现较大拉应力，导致混凝土桥面板开裂。本文以中支点顺桥向前后10 m范围作为结构正负弯矩的划分区域，如图5所示，其中中支点顺桥向前后10 m范围内的②、④区域均为控制的负弯矩区，需要对其进行处理。

图4 3×31 m连续钢箱梁桥结构的活载弯矩图

图5 连续梁结构正负弯矩区划分平面示意图(单位：cm)

2.3 施工过程中配重施加对中支点桥面板压应力的影响

基于正负弯矩区域的划分，在施工过程中，先浇筑正弯矩区混凝土并与钢梁结合，等到其混凝土达到设计强度后，在正弯矩区施加配重；再浇筑负弯矩区混凝土并与钢梁结合，之后对配重进行卸载。本文研究施工时配重的加、卸载过程中桥面板受力，尤其是中支点区域的改善情况。

根据实际情况并考虑配重的施工空间，将配重在正弯矩区①、③、⑤内的施加范围确定为顺桥向17 m+9 m+17 m，配重区域分布见图6。

首先研究边跨配重对桥面板受力的影响，先对边跨正弯矩①、⑤区域桥面板浇筑完成后进行配重，负弯矩②、④区域桥面板浇筑完成后再卸载。通过有限元软件Midas Civil分别计算得到边跨①、⑤区域配重为10,20,30,40,50,60,70,80,90,100 kN/m时桥面板卸载后的应力情况，其中边跨配重为10 kN/m时卸载后的桥面板应力图如图7所示。由结果可见，对边跨①、⑤区域进行配重再卸载后对桥面板的压应力影响范围主要在中跨位置。

进一步研究中跨配重对桥面板受力的影响，先对中跨③区域桥面板浇筑完成后进行配重，②、④区域浇筑完成后再卸载。通过有限元软件Midas Civil分别计算得到中跨③区域配重为10,20,30,40,50,60,70,80,90,100 kN/m时桥面板卸载后的应力情况，其中中跨配重为10 kN/m时卸载后的桥面板应力图见图8。由结果可见，对中跨③区域进行配重再卸载后对桥面板的压应力影响范围主要在边跨位置。

图6 配重区域分布图(单位：cm)

图7 边跨配重为10 kN/m时卸载后桥面板的应力图(单位：MPa)

图8 中跨配重为10 kN/m时卸载后桥面板的应力图(单位：MPa)

通过对以上两种情况的分析，对边跨①、⑤区域和中跨③区域分别进行配重再卸载，只对部分桥面板产生压应力储备，因此在实际中需要对边中跨①、③、⑤区域同时进行配重再卸载，可得边中跨①、③、⑤区域分别均配重10,20,30,40,50,60,70,80,90,100 kN/m时中支点处桥面板压应力。对不同区域进行配重再卸载，得到不同配重下在中支点处桥面板压应力图如图9所示。

由图9可知，边跨①、⑤区域进行配重再卸载时，配重越大，中支点压应力储备越大，当配重施加到100 kN/m时，桥面板中支点处的压应力储备达到3.1 MPa。对中跨③区域进行配重再卸载时，配重越大，中支点压应力储备越大；当配重施加到100 kN/m时，桥面板中支点处的压应力储备达到2.1 MPa。同时对边中跨①、③、⑤区域进行配重再卸载，可以有效增大中支点桥面板的压应力值及其范围。当配重均为100 kN/m时，桥面板中支点处的压应力为-5.2 MPa。

图9 不同区域配重下的配重大小与中支点桥面板压应力关系图

根据综合因素考虑，在桥面板浇筑过程中均选择100 kN/m进行压重，进一步得到对边中跨①、③、⑤区域均施加100 kN/m的配重后桥面板的恒载受力及其与活载组合下的最大拉应力，如图10所示。最大压应力如图11所示。

图10 配重作用及活载组合下桥面板最大拉应力图(单位：MPa)

图11 配重作用及活载组合下桥面板最大压应力图(单位：MPa)

由计算结果可知，在边中跨均设置100 kN/m配重并卸载后，桥面板具有足够的压应力储备。在活载的组合下，桥面板最大拉应力为0.6 MPa，中支点处桥面板最大压应力为-6.6 MPa，桥面板受力均满足要求，且具有充足的压应力储备。

2.4 实桥应力监测及效果验证

基于上述理论分析结果，在正弯矩的边中跨区域桥面板均设置100 kN/m配重荷载，待中支点负弯矩区域的桥面板浇筑并组合后进行卸载，可使负弯矩区有足够的压应力储备。为验证理论分析结果的可靠性，进一步在实桥中对桥面板实施应力监测。

香海大桥支线工程坦洲枢纽互通G匝道的3×31 m连续钢箱梁桥实桥施工工序为：

(1)相关桥墩完工后，安装支座，设置临时墩。

(2)根据施工组织安排，将各片预制钢箱梁的加工单元运至施工现场，随即吊装至临时墩墩顶上，并做临时固定。重复上述工作程序，将所有预制钢箱梁单元吊装完毕。

(3)钢箱梁节段吊装完成后，将第一片钢箱梁拼接接头调整到设计要求位置，按工艺要求完成拼接接头施焊，余量修正段在最后施焊。重复上述工作程序，完成其余梁片的拼接接头的施焊。

(4)撤除临时支墩。

(5)在钢箱梁顶板上焊接剪力钉：首先清除钢板表面杂物，焊点处需露金属光泽；然后从轴号中心起向跨中布置，零数在跨中调整，剪力钉纵向间距为结构中线处的距离，剪力钉纵向顺结构中线布置、横向沿曲线径向布置；依次逐根焊接剪力钉，采用交错焊接法，边布料，边焊接，专人操作焊枪；待剪力钉焊接、桥面板钢筋等安装完成后浇筑①、③、⑤区域钢纤维混凝土。

(6)待①、③、⑤区域混凝土达到设计强度后，按上述100 kN/m施加配重荷载；待压重完成后，再浇筑②、④区钢纤维混凝土；待②、④区混凝土达到设计强度后，撤除压重。

(7)浇筑防撞栏、沥青混凝土铺装面层及完成桥面系余下工作。

在中支点②、④区钢纤维混凝土浇筑过程中，采用预埋应力应变传感器的方式对支点处墩顶桥面板的应力进行监测，同时为验证应力沿桥面板横向的均匀性，在墩顶桥面板的横向共布置6个应力测点，如图12所示。卸载后的墩顶桥面板的应力监测结果如表1所示。由配重卸载后中支点墩顶桥面板的应力监测结果可见，桥面板横向6个测点的实测应力均比较均匀，其实测平均值为-5.4 MPa，和理论值-5.2 MPa相差4%，验证了该施工工艺的实施效果。

图12 墩顶桥面板应力测点布置图(单位：mm)

表1 坦洲枢纽互通G匝道3×31 m连续钢箱梁配重卸载后墩顶桥面板应力监测结果(单位：MPa)

3 结论

本文研究了施工过程中不同区域内施加配重并在成桥后卸载对支点处桥面板的受力改善情况，结论如下：

(1)连续钢箱梁结构基于正负弯矩区的划分，在施工过程中，先浇筑正弯矩区混凝土并与钢梁结合，等到其混凝土达到设计强度后，在正弯矩区施加配重；再浇筑负弯矩区混凝土并与钢梁结合，之后对配重进行卸载，配重的加、卸载过程可有效改善桥面板，尤其是中支点负弯矩区域的受力。

(2)以坦洲枢纽互通G匝道3×31 m连续钢箱梁桥为对象，建立有限元模型，对比边跨区域配重、中跨区域配重以及边中跨同时配重对桥面板受力的影响规律。结果表明，单独对边跨区域进行配重再卸载，压应力影响范围主要在中跨桥面板混凝土；单独对中跨区域进行配重再卸载，压应力影响范围主要在边跨桥面板混凝土；同时对边中跨区域进行100 kN/m配重再卸载，可有效改善桥面板混凝土受力状态，中支点桥面板混凝土压应力储备可达-5.2 MPa。

(3)根据坦洲枢纽互通G匝道实桥结构配重卸载后中支点墩顶桥面板的应力监测结果可知，桥面板横向6个测点的实测应力均比较均匀，其实测平均值为-5.4 MPa，和理论值-5.2 MPa相差4%，进一步验证了该施工工艺的实施效果，值得在同类型桥梁施工领域中广泛推广应用。