張龍偉，鄒迪升，陶仙玲，黃 超，胡 瓊

（1.臺州市交通勘察設(shè)計院有限公司，浙江 臺州 318000；2.同濟大學(xué)，上海市 200092；3.臺州高速公路建設(shè)指揮部，浙江 臺州 317000；4.杭州市市政工程集團有限公司，浙江 杭州 310006）

0 引 言

鋼混組合梁橋是一種通過剪力連接件將鋼主梁和混凝土橋面板結(jié)合成一體，共同承擔作用的梁式橋。該種結(jié)構(gòu)形式充分發(fā)揮混凝土和鋼材的材料性能。隨著跨徑逐漸增加，當跨越路口和既有線路等中大跨徑橋梁時，連續(xù)鋼混組合梁比混凝土連續(xù)梁具有更優(yōu)秀的跨越能力[1]。由于中支點附近的梁體承擔負彎矩，混凝土橋面板處于受拉狀態(tài)，鋼梁底板處于受壓狀態(tài)，必須重視負彎矩區(qū)鋼底板失穩(wěn)和橋面板開裂問題。鋼底板可以通過設(shè)置加勁肋，或澆筑底板混凝土等措施避免失穩(wěn)[2]，但是橋面板開裂造成結(jié)構(gòu)剛度下降，嚴重影響橋梁的耐久性能[3]。因此提高負彎矩區(qū)混凝土橋面板的抗裂性成為連續(xù)鋼混組合梁橋亟待解決的技術(shù)難題。

目前國內(nèi)外學(xué)者對連續(xù)組合梁負彎矩區(qū)開展了一系列研究，提出了如下改善負彎矩區(qū)受力狀態(tài)的基本思路。第一類是減少負彎矩區(qū)混凝土橋面板所受到的拉應(yīng)力，典型方法有澆筑底板混凝土法、降低抗剪連接程度法[4]、改變澆筑次序法；第二類是增加負彎矩區(qū)混凝土橋面板內(nèi)的預(yù)壓應(yīng)力儲備，典型方法有調(diào)整支點法、壓重法和張拉預(yù)應(yīng)力法[5]；第三類是提高混凝土材料自身的抗裂性能[6]，選用抗拉性能更好的纖維混凝土材料。工程實踐表明，張拉預(yù)應(yīng)力法在中大跨徑連續(xù)組合梁中具有顯著的競爭優(yōu)勢。

張拉預(yù)應(yīng)力法根據(jù)鋼混結(jié)合時間和預(yù)應(yīng)力張拉時間的先后順序分成先結(jié)合法和后結(jié)合法。目前應(yīng)用最廣泛的常規(guī)方法是先結(jié)合法，首先將負彎矩區(qū)混凝土橋面板與鋼梁形成組合截面，然后再張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，由于組合截面協(xié)同受力，部分預(yù)壓應(yīng)力也同時傳入鋼梁內(nèi)。對于跨度較大的組合梁橋，鋼梁截面相對于組合截面剛度越大，混凝土橋面板獲得的預(yù)壓應(yīng)力比例越低，鋼梁底板越受壓不利。后結(jié)合法是指采用隔離措施保證負彎矩區(qū)橋面板與鋼梁之間不連接，首先張拉預(yù)應(yīng)力鋼束使得預(yù)壓應(yīng)力全部傳入混凝土橋面板內(nèi)，再通過群釘連接件將預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板與鋼梁組合，并承擔結(jié)構(gòu)的后期受力[7]。當前國內(nèi)外學(xué)者基于后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法開展了諸多理論研究和模型試驗[8]，研究表明后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁混凝土預(yù)壓應(yīng)力施加效率高，提高了混凝土橋面板的抗裂性能，具有較好的推廣使用價值和較大的應(yīng)用發(fā)展空間。

目前后結(jié)合預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁這種新結(jié)構(gòu)的工程實例很少，相關(guān)的研究還不夠充分，為此本文依據(jù)主跨70 m 的預(yù)應(yīng)力組合梁具體工程，選取先結(jié)合組合梁和后結(jié)合組合梁兩種結(jié)構(gòu)形式作對比分析，計算分析不同結(jié)合方式對預(yù)應(yīng)力組合梁橋受力性能的影響。

1 后結(jié)合運用實例

1.1 背景工程介紹

本文背景工程為浙江省臺金高速公路東延臺州市區(qū)連接線工程的45 m+70 m+45 m 連續(xù)槽形鋼-混凝土組合梁橋，構(gòu)造見圖1。為了提高負彎矩區(qū)混凝土橋面板在使用過程中的抗裂性能，本工程采用后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法增加橋面板的預(yù)壓應(yīng)力儲備。本橋的曲率半徑為720 m，橫向由4 個箱室構(gòu)成，主梁邊主跨段的梁高為2.6 m，在中支點變高至3.2 m，混凝土橋面板總寬26 m，厚度為240 mm，在現(xiàn)場分階段澆筑成型。

圖1 背景工程橋梁構(gòu)造圖（單位：m）

本工程在正彎矩區(qū)段采用連續(xù)布置焊釘?shù)膫鹘y(tǒng)構(gòu)造形式，只在負彎矩區(qū)段采用鋼套筒群釘連接件的特殊構(gòu)造形式（見圖2、圖3），用于實現(xiàn)混凝土橋面板和鋼主梁的完全分離。直徑6 cm 的波紋鋼套筒套在直徑22 mm 的圓柱頭焊釘外作為混凝土澆筑的內(nèi)模，防止負彎矩混凝土在澆筑過程中和焊釘根部連為一體。套筒群釘為4×5 布局，縱向群釘中心間距1 m，待預(yù)應(yīng)力張拉完畢后，用高強砂漿填充鋼套筒，從而使得混凝土橋面板和鋼梁形成可靠的連接。

圖2 鋼套筒群釘構(gòu)造

圖3 負彎矩區(qū)橋面板

負彎矩區(qū)混凝土橋面板在滿足計算和構(gòu)造的條件下，分兩批次張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)應(yīng)力鋼束的錨固構(gòu)造見圖4。第一批次的預(yù)應(yīng)力鋼束用扁錨錨固在負彎矩區(qū)橋面板厚度范圍內(nèi)，第二批次的預(yù)應(yīng)力鋼束用圓錨錨固在混凝土板下方突出的齒塊上。預(yù)應(yīng)力鋼束張拉控制應(yīng)力為1 339 MPa。

圖4 預(yù)應(yīng)力鋼束錨固位置

1.2 施工過程介紹

組合結(jié)構(gòu)橋梁的恒載內(nèi)力與施工過程密切相關(guān)，為了降低負彎矩區(qū)混凝土橋面板由恒載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，背景工程采用改變澆筑次序法現(xiàn)澆混凝土橋面板，本座后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁的施工過程可分成如下若干道工序，工序示意見圖5。

圖5 后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁橋施工過程示意圖

（1）用鋼管支架搭設(shè)槽型鋼主梁，焊接完成后將鋼主梁一次落架。

（2）在槽型鋼箱中搭設(shè)正彎矩區(qū)段的橋面板底模，然后澆筑正彎矩區(qū)的橋面板混凝土，以及負彎矩區(qū)鋼主梁底部的雙結(jié)合混凝土。

（3）在槽型鋼箱中搭設(shè)負彎矩區(qū)段的橋面板底模，在鋼筋網(wǎng)中穿預(yù)應(yīng)力鋼束，并用鋼套筒套住群釘中的每個焊釘，然后澆筑負彎矩區(qū)的橋面板混凝土。

（4）分兩批次張拉負彎矩區(qū)橋面板內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼束。

（5）澆筑鋼套筒內(nèi)的高強砂漿并形成組合結(jié)構(gòu)，澆筑張拉端的后澆段橋面板混凝土，形成完整的橋梁結(jié)構(gòu)。

2 有限元模型

用ANSYS 建立背景工程的全橋板殼實體有限元模型，其中混凝土橋面板采用SOLID185 實體單元，內(nèi)置的鋼筋用實體單元彌散的加強層模擬；鋼主梁的受力板件采用SHELL181 板殼單元，加勁肋板件用Beam188 梁單元模擬，并約束在相應(yīng)的板殼節(jié)點上；預(yù)應(yīng)力鋼束采用只受軸力的LINK180 桿單元，且每一個預(yù)應(yīng)力鋼束的節(jié)點都與最近的混凝土節(jié)點自由度耦合，以保證預(yù)應(yīng)力鋼束和相鄰的混凝土變形協(xié)調(diào)；焊釘連接件采用COMBIN14 彈簧單元，賦予三個方向的彈性系數(shù)（kx、ky和kz）以模擬鋼混之間的滑移。有限元模型見圖6，模型的材料特性見表1。

圖6 背景工程半橋板殼實體有限元模型示意圖

表1 材料特性

3 有限元計算結(jié)果

本模型需計算不同結(jié)合方式的組合梁在張拉預(yù)應(yīng)力鋼束時，正、負彎矩區(qū)混凝土橋面板和鋼主梁的應(yīng)力變化。對于后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁，用生死單元鈍化負彎矩區(qū)的彈簧單元和后澆段的混凝土；對于先結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁，只需鈍化后澆段的混凝土并激活所有彈簧單元，保證負彎矩區(qū)混凝土橋面板和鋼主梁形成可靠的連接。

3.1 后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法

圖7 為后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁橋1/4 混凝土橋面板在預(yù)應(yīng)力張拉后的應(yīng)力云圖，從中可以看出正彎矩區(qū)混凝土內(nèi)基本沒有應(yīng)力，負彎矩區(qū)混凝土的最大預(yù)壓應(yīng)力達到13.5 MPa，中支點附近的平均預(yù)壓應(yīng)力為11.41 MPa。混凝土的預(yù)壓應(yīng)力在張拉端附近應(yīng)力集中，呈現(xiàn)出橫向從邊護欄向中軸線遞增的分布規(guī)律，以中支點截面為例，邊護欄混凝土的預(yù)壓應(yīng)力為10.48 MPa，是中軸線處混凝土的87%。

圖7 后結(jié)合組合梁橋混凝土板應(yīng)力云圖（1/4 橋，單位：MP a）

圖8 為后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁橋1/4 鋼主梁在預(yù)應(yīng)力張拉后的應(yīng)力云圖，整體鋼主梁產(chǎn)生的應(yīng)力較小，只有負彎矩區(qū)鋼頂板受摩擦力的作用產(chǎn)生不到6 MPa 的預(yù)壓應(yīng)力，鋼主梁在各個方向上沒有變形。計算結(jié)果表明后結(jié)合構(gòu)造能能夠?qū)⑷款A(yù)壓應(yīng)力僅施加到負彎矩區(qū)混凝土橋面板內(nèi)，對橋梁的其他部分的構(gòu)件沒有影響，最大程度的提升了預(yù)應(yīng)力張拉效率，可提高橋面板的抗裂性能。

圖8 后結(jié)合組合梁橋鋼板應(yīng)力云圖（1/4 橋，單位：MP a）

3.2 先結(jié)合預(yù)應(yīng)力法

圖9 為先結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁橋1/4 混凝土橋面板在預(yù)應(yīng)力張拉后的應(yīng)力云圖，從中可以看出正彎矩區(qū)的混凝土受到了1.1 MPa 的拉應(yīng)力，但是中支點的平均預(yù)壓應(yīng)力只有8.56 MPa，是后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法的75%，負彎矩區(qū)混凝土的最大預(yù)壓應(yīng)力僅為10.3 MPa。由于橋面板和鋼主梁在張拉預(yù)應(yīng)力時已經(jīng)形成了可靠的連接，混凝土內(nèi)的預(yù)壓應(yīng)力通過連接件傳遞到鋼梁頂板，進而使得全橋產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力的主次效應(yīng)。

圖9 先結(jié)合組合梁橋混凝土板應(yīng)力云圖（1/4 橋，單位：MP a）

圖10 為先結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁橋1/4 鋼主梁在預(yù)應(yīng)力張拉后的應(yīng)力云圖，鋼主梁出現(xiàn)較大的整體變形，中支點的贅余反力造成邊跨和中跨上拱并承擔負彎矩，使得鋼梁頂板受拉底板受壓。從圖中可以看出，鋼梁頂板的最大拉應(yīng)力為63.4 MPa，位于剛度薄弱的后澆段，此處只有鋼梁截面承擔預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的次效應(yīng)，主跨跨中雖然也存在相同的效應(yīng)，但是由于組合截面剛度較大，鋼梁和混凝土的應(yīng)力相對較小。中支點負彎矩區(qū)的鋼頂板承擔橋面板傳遞的預(yù)壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為52.6 MPa，預(yù)壓應(yīng)力峰值出現(xiàn)在中支點截面附近。計算結(jié)果表明先結(jié)合構(gòu)造將部分預(yù)壓應(yīng)力從負彎矩區(qū)橋面板傳遞到鋼主梁內(nèi)，對橋梁的其他構(gòu)件產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力主次效應(yīng)，比后結(jié)合預(yù)應(yīng)力法降低了預(yù)應(yīng)力張拉效率。

圖10 先結(jié)合組合梁橋鋼板應(yīng)力云圖（1/4 橋，單位：MP a）

3.3 不同結(jié)合方式的受力性能比較

為了更好的比較不同結(jié)合方式對預(yù)應(yīng)力組合梁橋空間受力性能的影響，選擇背景工程的邊跨跨中截面、中間支點截面和主跨跨中截面這三個關(guān)鍵截面作為分析對象，并提取橋面板混凝土上表面縱向應(yīng)力，應(yīng)力提取點見圖11。圖12 為不同結(jié)合方式組合梁的混凝土表面應(yīng)力橫向分布圖，選取曲線內(nèi)側(cè)的兩個箱室進行分析。從圖中可以看出，在邊跨跨中和中跨跨中截面上，后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁混凝土幾乎沒有應(yīng)力，而先結(jié)合組合梁混凝土產(chǎn)生約0.5～1 MPa的拉應(yīng)力，并且從邊護欄C1 到中軸線C9 逐漸遞增。對于中支點處的混凝土截面，兩種結(jié)合方式的橋面板預(yù)壓應(yīng)力呈現(xiàn)出相同的橫向分布規(guī)律，雖然先結(jié)合橋面板的應(yīng)力橫向分布更為均勻，但是獲得的預(yù)壓應(yīng)力顯著低于后結(jié)合橋面板。

圖11 曲線內(nèi)側(cè)箱室的混凝土應(yīng)力提取點示意圖

圖12 混凝土表面應(yīng)力橫向分布圖（單位：MP a）

為了研究中支點預(yù)壓應(yīng)力的縱向分布規(guī)律，選擇橋面板的邊護欄C1 和中軸線C9，以中支點截面為中心，縱向向兩個張拉端延伸并提取相應(yīng)位置處的預(yù)壓應(yīng)力，兩種組合梁的混凝土上表面應(yīng)力分布見圖13。從中可以看出，兩種結(jié)合方式的邊護欄處橋面板獲得的預(yù)壓應(yīng)力縱向呈V 形分布，張拉端兩側(cè)的預(yù)壓應(yīng)力都很小，只有在中支點截面兩側(cè)6 m 之內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)。中軸線處橋面板獲得的預(yù)壓應(yīng)力在張拉端出現(xiàn)應(yīng)力集中，在中支點截面兩側(cè)10 m 之內(nèi)均勻分布。

圖13 負彎矩區(qū)混凝土表面應(yīng)力縱向分布（單位：MP a）

表2 給出了關(guān)鍵截面上混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。從表中可以看出，后結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁的鋼板應(yīng)力遠小于先結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁，尤其是中支點鋼頂板的應(yīng)力僅為先結(jié)合的6%，其余位置處的鋼板應(yīng)力為先結(jié)合的5%～27%之間，說明后結(jié)合預(yù)應(yīng)力技術(shù)對邊主跨梁段的受力性能影響非常小。后結(jié)合中支點處鋼梁頂板的壓應(yīng)力比先結(jié)合減少46.74 MPa，鋼梁底板的拉應(yīng)力比先結(jié)合減少4.84 MPa。先結(jié)合組合梁在張拉預(yù)應(yīng)力時，鋼主梁受力最不利的位置位于后澆段，此處只有純鋼梁截面承擔預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)。橋面板計算結(jié)果顯示，后結(jié)合組合梁與先結(jié)合組合梁相比，在中支點截面混凝土頂面壓應(yīng)力前者比后者大2.84 MPa。后結(jié)合預(yù)應(yīng)力橋面板比先結(jié)合獲得更多的預(yù)壓應(yīng)力儲備，預(yù)壓應(yīng)力提升比例為30%，提高了橋面板在正常使用過程的抗裂性能。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合一具體工程建立組合梁空間板殼實體有限元模型，模擬不同結(jié)合方式的施工過程，分別計算不同結(jié)合方式的組合梁在張拉預(yù)應(yīng)力時的受力性能，對比計算結(jié)果得到如下結(jié)論：

（1）后結(jié)合的負彎矩區(qū)橋面板獲得全部的預(yù)壓應(yīng)力，比先結(jié)合多2.84 MPa 的預(yù)壓應(yīng)力儲備，預(yù)壓應(yīng)力提升比例為30%，提高了橋面板在正常使用過程的抗裂性能。

（2）先結(jié)合的負彎矩區(qū)鋼主梁承擔由剪力釘傳遞的預(yù)壓應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的主次效應(yīng)遠高于后結(jié)合組合梁，其中鋼頂板的壓應(yīng)力比后結(jié)合增加46.74 MPa，鋼底板的拉應(yīng)力比后結(jié)合增加4.84 MPa。

（3）先結(jié)合預(yù)應(yīng)力組合梁的主邊跨受預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)出現(xiàn)上拱，鋼梁最大應(yīng)力為63.4 MPa，出現(xiàn)在剛度薄弱的后澆段，而后結(jié)合預(yù)應(yīng)力技術(shù)對邊主跨梁段的受力性能基本沒有影響。