钢- 混组合梁桥不同施工方法恒载作用效应分析

付 娆，庞 聪，郑泽宇，丁俊凯，陈梧烽

（1.深圳市路桥建设集团有限公司，广东 深圳；2.福州大学 土木工程学院，福建 福州）

钢- 混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。同钢筋混凝土结构相比，可以减轻自重，减小地震作用，减小构件截面尺寸，增加构件和结构的延性等[1]。

钢- 混组合结构的工作性能在施工阶段存在差异。根据临时支撑条件的有无，可分为活载组合梁和恒载组合梁两种形式。活载组合梁在施工阶段能有效降低负弯矩区混凝土桥面板的拉应力，改善开裂问题，并提升抗扭性能。2014 年，张通[2]利用有限元法研究了活载组合梁的受力性能和构造方法，发现其能有效改善极限承载力，提高抗扭刚度。2019 年，张鑫[3]通过模拟计算研究了组合梁桥施工阶段的力学行为，结果显示活载组合梁能有效改善负弯矩区开裂。2022年，杨永琛[4]采用有限元法研究了大跨度活载组合梁的受力性能，并发现其能提升抗扭承载力。恒载组合梁结构能保证施工阶段负弯矩区域混凝土在恒载作用下为无应力状态。此外，由于所需承受的荷载较小，钢梁刚度也较小，能减缓支点处混凝土的开裂。2015年，王力波[5]通过有限元和试验研究了恒载组合梁的受力性能，发现应力远小于钢材设计强度，使用恒载组合梁能提高钢主梁的承载能力。2017 年，刘鹏[6]通过有限元法研究了施工阶段下恒载组合梁混凝土顶板的受力性能，确定了施工阶段采用恒载组合梁能改进抗拉性能。2018 年，陈硕[7]利用Abaqus 有限元软件建立了组合连续梁桥整体杆系模型，并进行了参数化分析，结果显示施工阶段采用恒载组合梁会改变支点处混凝土板的受力状态，减缓混凝土的开裂时间。

为了研究上述两种结构形式对组合连续梁截面内力的影响，本文以某3×40 m 等截面钢- 混凝土组合连续梁桥为例，利用理论与有限元结合的方法研究了两种结构形式的力学性能和受力机理，并对其应力分布情况进行了详细地分析，从而为组合梁的设计方法提供理论支持。

1 工程概况与有限元模型

1.1 工程概况

以某3×40 m 等截面钢- 混凝土组合连续梁桥为例，中跨计算跨径为40 m，边跨计算跨径为39.5m。桥面全宽12.8 m，单向3 车道，主梁间距3.2 m，两侧桥面板悬挑1.6 m。组合梁全高为1.94 m，其中钢板梁梁高为1.6 m。钢板梁间的混凝土桥面板厚度为240 mm，悬臂板端部板厚也为240 mm，钢板梁上方包括承托的厚度为340 mm，承托过渡段高宽比为1:1。钢板梁的上翼缘板宽为600 mm，厚度为24 mm；下翼缘板宽为800 mm，厚度为36 mm；钢梁腹板厚度为18 mm。腹板仅设置横向加劲肋不设纵向加劲肋，加劲肋间距为2 000 mm，加劲肋宽200 mm，厚20 mm。有与横向联结系连接的横向加劲肋双侧布置，其他为单侧布置。梁间横向联结系顺桥向每4 m 设置一道。钢板梁与桥面混凝土通过焊钉连接件组合，钢板梁上翼缘共布置4 列焊钉，焊钉连接件直径为Φ22，焊钉熔后长度180 mm 。汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，见图1。

图1 连续组合梁布置及尺寸图（单位：mm）

1.2 有限元模型

选取中梁作为示例，混凝土板选用C3D8R 单元，钢梁采用选用S4R 单元，栓钉选用弹簧单元，如图2所示。依据弹性设计方法分析各种作用效应，将各模型梁相关材料弹性模量代入即可。约束、接触关系及边界条件依据连续梁约束原则，分别对支座耦合点进行设置。

图2 组合连续单梁有限元模型

2 活载组合梁分析

活载组合梁所采用的具体施工方法如下：①架设钢梁→②浇筑正弯矩混凝土板→③浇筑负弯矩混凝土板→④施加二期恒载。其中负弯矩区段取中支座范围0.15 L 长度即12 m，二期恒载包括桥面铺装与混凝土防撞护栏。

2.1 纵向应力理论解

通过建立3×40 m 活载组合梁模型，并基于结构的对称性，中跨跨中处以及支点处共2 个控制截面，依次命名为1、2 号截面。以中梁为例，通过施加自重以及均布荷载的方式，得到施工阶段不同步骤的累计弯矩值。

依据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）[8]中5.1.8 及11.2.1 第三条的要求，采用计算有效宽度的方法来考虑组合梁产生的剪力滞效应，并结合规范对抗弯计算的要求，对各阶段控制截面的钢梁以及混凝土板进行应力计算。得到对应控制截面在不同阶段的应力解即所需理论解，将其汇总于表1中。

表1 活载组合梁控制截面应力值汇总（单位：MPa）

2.2 纵向应力数值解

为验证数值解与理论解的拟合情况，在ABAQUS中对沿跨径方向的关键截面进行应力提取，即选取纵向应力S11，分别对钢梁及混凝土板取最大值作为数值解，将其汇总于表1 中。

2.3 纵向应力对比分析

将上述阶段所得理论解与数值解的累加值汇总于表1 中。

由表1 对比分析可知，有限元模型模拟的弯曲正应力沿跨径方向的分布曲线与理论曲线分布规律基本相同，且两者数值吻合程度较高，钢梁应力值误差在5%以内，混凝土板应力值误差在10%以内。但上述造成的误差在合理范围内且混凝土板基数较小，故可以认为该结果可以较好地反映组合连续梁的应力分布情况。可以看出，钢梁与混凝土板应力均处于容许应力范围内。

3 恒载组合梁分析

恒载组合梁所采用的具体施工方法如下：①架设钢梁→②浇筑正弯矩混凝土板→③拆除临时支撑→④浇筑负弯矩混凝土板→⑤施加二期恒载。其中负弯矩区段同样取中支座范围0.15 L 长度即12 m，二期恒载同活载组合梁。

3.1 纵向应力理论解

建立3×40 m 恒载组合梁模型，相比活载组合梁，每跨间等间距增加了2 个临时支撑。同时，对于控制截面的选取，与活载组合梁设置点位保持一致。得到对应控制截面在不同阶段的应力解即所需理论解，将其汇总于表2 中，计算方法与上述公式相同，不再赘述。

3.2 纵向应力数值解

同样对沿跨径方向的关键截面进行应力提取，即选取纵向应力S11，分别对钢梁及混凝土板取最大值作为数值解，将其汇总于表2 中，各阶段实现方法参照活载组合梁即可。

3.3 纵向应力对比分析

将上述阶段所得理论解与数值解的累加值汇于表2 中，如下所示。

由表2 的对比分析可知，有限元模型模拟沿跨径方向的分布曲线与理论曲线分布规律基本相同，且两者数值吻合程度较高，钢梁应力值误差在5%以内，混凝土板应力值误差在10%以内，误差原因在活载组合梁中提及，这里不再赘述，故认为该结果处于可接受范围内。

可以看出，钢梁与混凝土板应力均处于容许应力范围内。同时，虽然设置临时支撑对混凝土板表面产生了较大的压应力，但拉应力的控制与不设置基本相同。

4 两种不同施工方法组合梁对比

为了更直观看到不同施工方法对应力影响的水平，将两者施工阶段应力累加值放入图3 中对比分析。

图3 两种施工方法纵向弯曲正应力分布比对图（施工阶段应力累加）

图3 中，整个施工阶段，恒载组合梁相较于活载组合梁，钢梁上翼缘最大压应力可从37.5%降低至1.3%，最大拉应力可从44.4%降低至31.6%；下翼缘最大拉应力可从32.4%降低至26.5%，最大压应力从35.7%减小至28.0%。而混凝土板上表面最大压应力从4.5%增至20.5%，拉应力基本保持不变在54.6%左右；下翼缘最大压应力从1.8%增至9.8%，拉应力也维持同一水平28.4%。可以看出，对于上翼缘边跨最大弯矩处改善效果明显，钢梁整体应力幅的降低也能够使得钢梁更好地满足弹性设计要求。而对于混凝土板来说，该施工方法虽然增大了翼缘的压应力水平，但拉应力控制效果与活载组合梁相同。

综上，恒载组合梁能够把梁体承担的一期恒载转由临时支撑承担，很好地改善钢梁的受力状态，特别是对钢梁上翼缘边跨最大压应力的限制，从而减小施工阶段钢梁截面的应力值，以达到降低钢梁应力水平的效果。

5 结论

（1） 有限元模型模拟的弯曲正应力沿跨径方向的分布曲线与理论曲线分布规律基本相同，且两者数值吻合程度较高，钢梁应力值误差在5%以内，混凝土板应力值误差在10%以内。但上述造成的误差在合理范围内且混凝土板基数较小，故认为该结果可以较好地反映组合连续梁的应力分布情况。

（2） 施工阶段中采用临时支撑相较于不采用临时支撑，钢梁上翼缘最大压、拉应力分别降低了36.2%和12.8%，钢梁下翼缘最大拉、压应力分别降低了5.9%和7.7%。采用临时支撑对钢梁应力改善程度较大，且对钢梁上翼缘的影响要大于下翼缘。

（3） 施工阶段中采用临时支撑相较于不采用临时支撑，混凝土板上表面最大压应力增加了16.0 %，拉应力基本保持54.6%左右不变，混凝土板下表面最大压应力增加了8.0%，拉应力基本保持28.4%左右不变。采用临时支撑并不会增加混凝土板开裂的风险，同时在一定程度上能够更好地利用混凝土板的抗压性能。