大跨钢－混组合连续梁桥负弯矩区落梁施工敏感性分析研究

嵇永军 张太磊 苏文明

摘要 针对目前钢-混组合连续梁桥负弯矩区混凝土极易开裂的问题，文章以潍坊至青岛公路及连接线工程潍河大桥55 m钢－混组合简支梁桥为背景，拓展研究同等跨径下的钢混组合连续梁，并基于Midas Civil有限元软件建立了仿真模型，分析不同落梁高度对负弯矩区混凝土桥面板抗裂性能敏感性影响。结果表明，落梁施工能有效地防止负弯矩区混凝土桥面板的开裂，同时随着落梁高度的增加，混凝土桥面板在支点处的预压应力呈明显增加趋势，通过分析，50 cm落梁高度为最优方案，可为类似工程提供借鉴。

关键词 钢－混组合连续梁桥；负弯矩；有限元分析；落梁施工敏感性分析

中图分类号 U445.47+2文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）14-0075-03

0 引言

随着现代社会经济的快速发展，钢－混凝土组合结构以其经济效益强、施工效率高等诸多优点正广泛应用到国内外连续梁桥的工程建设中。然而，由于钢混组合连续梁桥负弯矩区域混凝土桥面板处于受拉状态，钢箱梁处于受压状态等不利因素的存在，从而极易引起混凝土板的开裂[1-3]。目前工程上一般采用负弯矩区强迫位移法，即“落梁施工”，用以减少负弯矩区域混凝土产生的拉应力影响。然而，对于钢-混组合连续梁桥落梁施工的控制，较大的落梁高度会造成施工困难，落梁时也会出现局部应力集中，而较小的落梁高度则会导致支座位置处预压应力储备不足，恒载以及活载所引起的混凝土板拉应力过大而导致开裂[4-5]。因此，选择不同的落梁高度，对桥梁整体结构以及负弯矩区域的受力影响极为重要。

1 工程背景

潍坊至青岛公路及连接线工程潍河大桥跨径布置为[2×30+（55+30）+5×（3×30）+（30+55）+3×30]m，桥梁全长777 m，其中第三跨和第二十一跨采用窄幅钢箱组合梁桥进行设计，标准跨径为55 m。底板、腹板、中横梁及横隔梁均采用Q355D钢材。单幅桥采用3片窄幅钢箱主梁，钢主梁高2.45 m，窄幅钢箱梁纵梁间距6 m。混凝土桥面板均采用C50预制桥面板，桥面板高度25～35 cm，由预制桥面板、现浇桥面板及横纵向湿接缝等组成，桥梁结构如图1～2所示。

为有效研究大跨径钢混组合了弯矩区落梁施工敏感性，该文采用同等跨径相同断面的（55+55+55）m钢混组合连续梁进行研究。

2 有限元模型建立

2.1 模型参数

主梁桥面板采用C50的混凝土，钢主梁采用Q355D钢材，材料特性值如表1所示，材料本构关系采用Midas Civil软件中弹塑性本构模型。在施工阶段的整个过程中考虑了混凝土的时间依存材料（C和S），即混凝土的收缩、徐变以及强度伴随时间变化而变化，混凝土收缩徐变遵循规范（JTG3362—2018）中的设计函数，全桥整体模型不考虑普通构造钢筋以及其他预埋件对结构受力的影响，研究模型共有1 053个节点，636个梁单元所组成，如图3所示。

2.2 施工阶段划分

根据现场施工流程，建立Midas Civil全桥施工阶段模型，详细施工阶段如表2所示。

3 全桥落梁工况敏感性分析

对于钢－混组合连续梁桥，落梁高度是落梁施工技术最重要的控制指标，落梁高度的取值既要保证整个结构的稳定性，以及施工过程中主梁局部受力的合理性，又要使混凝土桥面板的预压应力储备足够大，防止桥梁成桥后出现大面积负弯矩区域混凝土的开裂[6-8]。根据该桥的实际跨度，在Midas Civil有限元模型中，通过节点强制位移来模拟落梁荷载工况。为选取合适的落梁高度施工，分别研究了不同落梁高度混凝土桥面板上缘的应力变化，不同落梁高度工况如表3所示，应力结果如图7所示。

由图7可知，钢－混组合连续梁桥的落梁对混凝土桥面板有较好的预压作用，且在支座位置的预压作用最大，可以更好地抵消混凝土桥面板在中间支座位置的负弯矩，从而达到防止混凝土桥面板在负弯矩区域开裂的目的。工况一中当落梁高度为30 cm时，混凝土桥面板上翼缘支座处的最大预压应力为4.65 MPa；工况二、三、四中落梁高度分别为50 cm、70 cm、80 cm，此时混凝土桥面上翼缘支座处的最大预压应力分别为6.15 MPa、8.55 MPa、9.79 MPa。工况一产生的预压应力是工况二的75.6%，工况三的54.3%，工况四的47.5%。由此可知，随着落梁高度的增加，跨中支座处混凝土桥面板的预压应力呈大幅增加趋势。

在实际工程中，为了确定最佳的落梁高度，需要提前分析混凝土桥面板在恒载以及活载作用下的应力。该文建立施加二期铺装荷载以及移动荷载的仿真模型，得到了全桥混凝土桥面板在恒载与活载作用下沿跨径长度方向的桥面最大应力为6.02 MPa，如图8所示。

4 结语

通过对钢－混组合连续梁桥不同落梁高度分析，可得出如下结论：

（1）对于钢－混组合连续梁桥随着落梁高度的增加，跨中支座处混凝土桥面板的预压应力呈大幅增加趋势，较大的落梁高度会造成施工困难，落梁时也会出现局部应力集中，而较小的落梁高度则会导致支座位置处预压应力储备不足，恒载以及活载所引起的混凝土板拉应力过大而导致开裂。

（2）在恒载与活载作用下，混凝土桥面板跨中支座上翼缘的最大拉应力约6.02 MPa。当落梁50 cm时，中间支座处的最大预压应力为6.15 MPa，更加接近于成桥状态，因此落梁50 cm为最优落梁施工高度。

（3）研究结果表明，该模拟方法能较好地模拟钢－混组合梁的落梁工况，且落梁工况能有效地防止大跨钢－混组合连续梁桥负弯矩区混凝土桥面开裂。

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