吳平平

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽合肥 210088）

1 概述

濟祁高速合肥段淮河特大橋引橋工程長11 km，上部結(jié)構(gòu)采用新型鋼板組合梁橋形式，標準跨分別為30 m和35 m，采用三跨或四跨一聯(lián)的方式，橋面全寬26.5 m，基于雙向4車道的標準設(shè)計，并采用分幅方式。圖1是35 m鋼板組合梁橋的立面布置圖，包含了鋼梁、鋼梁加勁板、橫梁、混凝土橋面板等構(gòu)件。

鋼板梁橋主梁斷面采用直腹式雙工字鋼板組合梁，梁橋最長跨為35 m，雙主梁間距7.225 m，中心線處的梁高均為1.75 m。混凝土橋面板和鋼主梁通過栓釘連接，雙主梁之間采用中橫梁加強橫向聯(lián)系，中橫梁的標準間距5 m，橋梁的跨中標準斷面和橫梁處斷面如圖2所示。

組合鋼板梁橋橋面板由預(yù)制板和縱橫向濕接縫構(gòu)成，鋼板梁橋采用滿堂支架吊裝到位后，吊裝預(yù)制橋面板并澆筑濕接縫混凝土完成共同受力，考慮到鋼板組合連續(xù)梁橋的受力特點，正彎矩區(qū)域采用C40混凝土，負彎矩區(qū)域采用PVA纖維混凝土橋面板。

2 有限元模型

桿系模型對于結(jié)構(gòu)整體受力性能的描述具有簡便直接的優(yōu)點，根據(jù)鋼板組合梁橋的結(jié)構(gòu)形式，采用桿系有限元模型分析方法，計算鋼板組合梁橋在施工及使用階段各種不利荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全性。采用橋梁博士3.0軟件建立結(jié)構(gòu)全橋模型如圖3，共256個單元，257個節(jié)點。

通過將混凝土橋面板作為附加截面與工字鋼主梁作為組合截面，形成鋼板組合梁橋，考慮鋼板組合梁橋鋼梁吊裝、安裝、橋面板吊裝、成橋等施工全過程，根據(jù)使用階段結(jié)構(gòu)面臨的各種荷載組合作用，分析施工階段結(jié)構(gòu)受力的安全性和使用階段結(jié)構(gòu)的使用性能、承載性能，在對結(jié)構(gòu)進行全面驗算的前提下研究結(jié)構(gòu)的受力特征。

3 施工全過程結(jié)構(gòu)安全分析

3.1 施工過程結(jié)構(gòu)安全分析

鋼梁吊裝完成之后，吊裝預(yù)制混凝土橋面板，然后澆筑濕接縫混凝土，完成二期鋪裝，在此過程中，分以下6個階段考慮：

（1）鋼梁架設(shè)到位；

（2）吊裝預(yù)制混凝土橋面板；

（3）澆筑濕接縫；

（4）澆筑的濕接縫與橋面板連成整體，通過剪力件與鋼梁共同受力；

（5）施加二期鋪裝，完成成橋；

（6）完成結(jié)構(gòu)的收縮徐變，設(shè)定時間為成橋10 a。

對于上述6個典型施工階段，分析每個施工階段特定位置的橋面板和鋼梁受力狀況、整體結(jié)構(gòu)的位移，結(jié)果如表1。

通過表1的縱向施工階段與橫向構(gòu)件受力可知：

（1）鋼梁自身重力作用下，鋼梁的應(yīng)力水平很低，普遍低于30 MPa，位移也僅僅有8 mm，吊裝完預(yù)制橋面板和澆筑完濕接縫后，鋼梁的應(yīng)力水平也普遍低于115 MPa，說明鋼梁本身應(yīng)力水平很低，作為支架施工混凝土能夠滿足要求。

（2）鋼梁在整個橋面板吊裝過程中，應(yīng)力水平最大為156 MPa，出現(xiàn)在成橋后徐變收縮10 a，邊跨支座處下緣。應(yīng)力水平遠低于鋼梁工作應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全可靠，且鋼梁應(yīng)力水平較為均勻。

圖1 鋼板組合梁橋的立面布置圖（單位：cm）

圖2 鋼板組合梁橋的橫斷面布置圖（單位：cm）

圖3 鋼板組合梁橋桿系模型

表1 橋面板安裝過程鋼主梁和混凝土橋面板應(yīng)力狀態(tài)

（3）階段4橋面板開始參與受力，此時橋面板主要承擔自身重力荷載作用，應(yīng)力水平很低，拉壓應(yīng)力均在1 MPa以內(nèi)；當二期鋪裝完成后，橋面板真正與鋼梁參與受力，應(yīng)力水平增加，且應(yīng)力的分布趨勢逐漸和鋼梁的受力保持一致；到了成橋階段，最大拉應(yīng)力達到2.14 MPa（邊跨支座處），考慮到拉應(yīng)力區(qū)域使用了C40纖維混凝土（抗拉強度比同等級混凝土一般提高40%～80%，抗拉強度設(shè)計值約為2.31～2.97 MPa）,因此可以認為混凝土板的拉應(yīng)力性能儲備足夠，安全性有保障。

（4）整體結(jié)構(gòu)的位移在成橋時為56 mm，成橋后十年達到了63 mm，增加了7 mm，因此需要根據(jù)鋼梁的受力變形和長期變形性能，設(shè)置預(yù)拱度。

3.2 局部橋面板吊裝安全分析

在組合鋼板梁橋的施工過程中，橋面板是分塊吊裝的。由于橋面板的中心不通過工字鋼梁截面的剪力中心，所以除了豎向力外，工字鋼梁還會承受一定的扭矩。此時鋼梁不僅會發(fā)生彎曲，而且還會繞剪心發(fā)生扭轉(zhuǎn)。由于鋼梁的兩側(cè)和中間分別受到支座和橫梁不同程度的約束，因此實際上產(chǎn)生的是約束扭轉(zhuǎn)，如圖4所示。

圖4 工字梁的翹曲扭轉(zhuǎn)

在約束扭轉(zhuǎn)的情況下，構(gòu)件截面縱向位移（翹曲位移）受到約束，工字鋼梁的翼緣板會產(chǎn)生相應(yīng)的翹曲應(yīng)力σw，其分布如圖5所示。翹曲應(yīng)力會與由彎曲作用產(chǎn)生的正應(yīng)力相互耦合疊加，因此工字鋼梁部分區(qū)域的實際應(yīng)力會大于僅按照彎曲效應(yīng)計算的應(yīng)力大小。為了保證施工過程中的安全，有必要對這一特殊的工況加以考慮和分析[1-3]。

圖5 工字梁翹曲應(yīng)力分布

工字梁的翹曲應(yīng)力的大小與梁的具體約束方式和所受的扭矩大小有關(guān)，考慮到鋼板梁的實際構(gòu)造情況，忽略小橫梁對雙主梁抗扭的作用，同時將支座位置處的大橫梁看作鋼主梁的完全抗扭連接，即將工字鋼梁的無轉(zhuǎn)動約束長度取為一跨35 m，兩端視為固接。在施工吊裝的過程中，考慮到邊板偏載產(chǎn)生的不利效應(yīng)和邊板與中板一起產(chǎn)生的彎扭耦合效應(yīng)，兩個可能的最不利工況如下。

工況1：在全跨長范圍內(nèi)，吊裝邊板B1～B4。

工況2：在全跨長范圍內(nèi)，吊裝邊板B1～B4和中板Z1～Z4。

相應(yīng)的計算結(jié)果如表2所示。

表2 鋼梁約束扭轉(zhuǎn)的翹曲應(yīng)力

通過以上結(jié)果可知，沿跨長方向僅吊裝邊板

B1～B4會使工字鋼梁產(chǎn)生極大的翹曲應(yīng)力，甚至超出了Q345D鋼材的屈服應(yīng)力，說明不能采取此種吊裝順序進行施工；在橋面板全部吊裝上鋼梁，中縱縫未澆筑之前，工字鋼梁上下翼緣受到邊板和中板不平衡扭矩產(chǎn)生的翹曲應(yīng)力約為55 MPa和25 MPa，而此工況下由于彎曲效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力分別為120 MPa和75 MPa，兩者疊加最大約為175 MPa，處在安全的應(yīng)力水平之內(nèi)。

由于以上分析基于理想約束條件（即完全忽略小橫梁的抗扭作用，且將支點橫梁視為抗扭剛性）下的扭轉(zhuǎn)計算，未考慮實際的彎扭耦合及小橫梁約束作用，因此計算結(jié)果偏于保守，不能完全真實反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形，實際情況需要進一步深入分析。

4 使用階段結(jié)構(gòu)安全分析

使用階段結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的主要荷載是車輛荷載、支座沉降、整體升降溫和梯度溫差，這些荷載作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性及其應(yīng)力分布，對于結(jié)構(gòu)的安全性能分析具有重要意義。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2004）和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004）的設(shè)計要求，對混凝土橋面板進行結(jié)構(gòu)荷載組合安全性分析；根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ 025—86）對鋼主梁進行荷載組合應(yīng)力分析。

4.1 持久狀況正常使用抗裂計算

關(guān)注持久狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能，主要是針對橋面板的抗裂性分析。圖6是短期效應(yīng)組合作用下橋面板上下緣的拉應(yīng)力分布，圖7是主拉應(yīng)力分布?？芍舷戮壘_到很大的拉應(yīng)力，且分布很均勻。上緣最大拉應(yīng)力為5.02 MPa，出現(xiàn)在邊支座；下緣最大拉應(yīng)力為3.35 MPa，同樣出現(xiàn)在邊支座位置。橋面板的主拉應(yīng)力最大值為5.02 MPa，出現(xiàn)在邊支座位置。

圖6 短期效應(yīng)組合作用下橋面板上下緣拉應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖7 短期效應(yīng)組合作用下橋面板主拉應(yīng)力分布(單位：MPa)

這些表明橋面板支點處受力不利，拉應(yīng)力水平較高，設(shè)計時需要配置足夠的抗拉鋼筋。

4.2 持久狀況正常使用壓應(yīng)力計算

分析標準組合作用下構(gòu)件的應(yīng)力如圖8和圖9所示。由此可知：橋面板上緣包絡(luò)都是壓應(yīng)力，最大達到5.06 MPa，出現(xiàn)在邊支點位置；下緣最大應(yīng)力包絡(luò)則全是拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.40 MPa。

圖8 標準組合作用下橋面板正應(yīng)力分布

圖9 標準組合作用下橋面板主壓應(yīng)力分布

4.3 鋼梁應(yīng)力計算

圖10和圖11分別是標準組合作用下鋼梁應(yīng)力分布。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，鋼梁的應(yīng)力水平只要不超過鋼梁的允許應(yīng)力（Q345鋼材，允許應(yīng)力為210 MPa）即能滿足要求。上述應(yīng)力分布可知，鋼梁的上下緣應(yīng)力水平均在210 MPa以內(nèi)，最大發(fā)生在邊支座下緣，整體鋼梁的應(yīng)力分布較為均勻。

圖11 標準組合作用下鋼梁下緣應(yīng)力分布

5 結(jié)語

基于桿系模型對鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)進行了安全性分析，分別計算了其在施工階段、使用過程以及荷載組合條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。主要的結(jié)論如下。

在結(jié)構(gòu)施工全過程中，鋼梁的應(yīng)力分布較為均勻，最大不超過150 MPa，變形也處在合理的范圍之內(nèi)；混凝土板應(yīng)力水平也很小，其中支座負彎矩處會出現(xiàn)2.2 MPa左右的拉應(yīng)力，但在使用纖維混凝土的條件下抗裂安全性有保障；結(jié)構(gòu)的位移在成橋是為56 mm，成橋后十年達到了63 mm，增加了7 mm，因此需要設(shè)置預(yù)拱度。

荷載組合分析主要進行了持久狀況的正常使用抗裂驗算和正常使用狀況下的壓應(yīng)力驗算?？梢钥吹剑诔志脿顩r下，橋面板支點處受力不利，拉應(yīng)力水平較高，設(shè)計時需要配置足夠的抗拉鋼筋。鋼梁的應(yīng)力水平均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)總體安全是可以保證的。

由于該組合鋼板梁橋采用了特殊的結(jié)構(gòu)形式，兩根縱梁配合橫向聯(lián)系與混凝土橋面板相組合，因此其受力響應(yīng)與普通的混凝土板梁、箱梁橋存在著顯著區(qū)別。桿系模型只能考慮縱向結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，無法分析橫向聯(lián)系帶來的影響，因此基于桿系模型的許多分析結(jié)果存在著不準確或不清楚的地方，如施工階段鋼主梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)由于小橫梁約束的不確定性使得計算結(jié)果偏于保守，汽車偏載條件下對偏載側(cè)主梁的影響可能導(dǎo)致分析結(jié)果不準確，等等。要明確這些問題，就需要建立空間的有限元模型加以考慮結(jié)構(gòu)整體的受力響應(yīng)。

[1]劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：人民交通出版社,2005.

[2]吳沖，強士中.現(xiàn)代鋼橋[M].北京：人民交通出版社,2006.

[3]樊健生，聶建國.鋼-混凝土組合橋梁研究及應(yīng)用新進展[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2006(5):35-39.