不同施工措施改善大跨度组合梁负弯矩区受力的效果分析

张龙伟 邹迪升 胡 琼 王伟群 周法根

（1.台州市交通勘察设计院有限公司，台州 318000；2.同济大学 土木工程学院，上海 200092；3.台州高速公路建设指挥部，台州 317000；4.杭州市市政工程集团有限公司，杭州 310006）

0 引言

钢混组合梁桥由混凝土桥面板和钢主梁协同受力，充分发挥两种建筑材料各自的优势［1］。随着桥梁跨径不断增加，连续组合梁桥在降低梁高的同时提高了行车舒适性，比简支组合梁桥具有更好的跨越能力和经济效益［2］。然而连续组合梁的中支点附近承担负弯矩，混凝土桥面板容易受拉开裂，尤其是当裂缝开展到一定程度后，雨水夹带有害介质渗入桥面板内，导致混凝土内的钢筋腐蚀［3］。因此在工程实践中必须采取一些设计方法或施工措施为混凝土内提供预压应力，从而改善连续组合梁负弯矩区的受力性能。

针对负弯矩区混凝土的开裂问题，国内外学者总结出两种正常使用状态下的设计准则，一种是不允许负弯矩区桥面板出现裂缝，另一种是容许桥面板开裂但严格控制裂缝宽度［4］。一般情况下，沿海地区为了防止钢筋严重锈蚀选用第一种更严格的设计准则。降低负弯矩区桥面板内拉应力常见的施工措施有预加荷载法、中支点梁体顶升/回落法［5-6］、张拉预应力法［7］和降低抗剪连接程度法［8］等，其中中支点梁体顶升/回落法在中支点梁段附近产生反向弯矩，以此在混凝土中施加预压应力。工程实践表明，张拉预应力法在中大跨径连续组合梁桥中具有显著的竞争优势，但是随着主跨跨径不断增加，仅凭传统的先结合预应力法已经难以满足负弯矩区桥面板的设计准则。为了提高大跨度连续组合梁桥负弯矩区桥面板的预压应力储备，苏庆田等学者提出了后结合预应力法［9］，首先采用隔离措施保证负弯矩区桥面板与钢梁之间不连接，张拉预应力钢束使得预压应力全部传入混凝土桥面板内，再通过群钉连接件将预应力混凝土桥面板与钢梁组合。现有的理论和试验研究表明后结合预应力组合梁具有混凝土预压应力施加效率高、桥面板抗裂性能好等优点［10-11］，同时也可以配合中支点梁体顶升/回落法组合使用，使得桥面板达到全预应力状态。

目前后结合预应力法和中支点梁体顶升/回落法组合使用的工程实例很少，有关实际工程中的运用效果研究不够充分。为此本文依据主跨70 m的预应力组合梁具体工程，计算中支点梁体顶升/回落法和张拉预应力法对组合梁负弯矩区受力性能的影响，对比研究两种方法的跨径适用范围。

1 背景工程介绍

1.1 桥梁结构形式

本文背景工程为浙江省台金高速公路东延台州市区连接线工程的（45+70+45）m 连续槽形钢-混凝土组合梁桥，构造如图1 所示。为了提高负弯矩区混凝土桥面板在使用过程中的抗裂性能，本工程组合使用后结合预应力法和中支点梁体顶升/回落法增加桥面板的预压应力储备。本桥的曲率半径为720 m，横向由4 个箱室构成，主梁边主跨段的梁高为2.6 m，在中支点变高至3.2 m，混凝土桥面板总宽26 m，厚度为240 mm，在现场分阶段浇筑成型。

图1 背景工程桥梁构造图（单位：m）Fig.1 Background bridge structure（Unite：m）

本工程在正弯矩区段采用连续布置焊钉的传统构造形式，只在负弯矩区段采用金属波纹套筒群钉连接件的特殊构造形式（图2和图3），用于实现混凝土桥面板和钢主梁的完全分离。直径6 cm的金属波纹套筒套在直径22 mm的圆柱头焊钉外作为混凝土浇筑的内模，防止负弯矩混凝土在浇筑过程中和焊钉根部连为一体。套筒群钉为4×5 布局，纵向群钉中心间距1 m，待预应力张拉完毕后，用高强砂浆填充套筒内部，从而使得混凝土桥面板和钢梁形成可靠的连接。

图2 金属波纹套筒群钉构造Fig.2 Group studs with metal corrugated sleeve

图3 负弯矩区桥面板Fig.3 The concrete slab at negative moment zone

负弯矩区混凝土桥面板在满足计算和构造的要求下，分两批次张拉预应力钢束：第一批次的预应力钢束用扁锚锚固在负弯矩区桥面板两端；第二批次的预应力钢束用圆锚锚固在混凝土板下方突出的齿块上。鉴于直线束的预应力损失较少，张拉控制应力为1 339 MPa。

1.2 桥梁施工过程

组合结构桥梁的恒载内力与施工过程密切相关，为了降低负弯矩区混凝土桥面板由恒载产生的拉应力，背景工程首次组合使用后结合预应力法和中支点梁体顶升/回落法。本座后结合预应力组合梁的施工过程示意图如图4所示。

图4 后结合预应力组合梁桥施工过程示意图Fig.4 The construction stage of post-combined prestressing composite bridge

2 有限元模型

建立背景工程的Ansys 全桥板壳实体有限元模型，采用Solid185 实体单元模拟混凝土桥面板，通过实体单元弥散的加强层模拟内置的钢筋；钢主梁的受力板件采用Shell181 板壳单元，加劲肋板件用Beam188 梁单元模拟，并约束在相应的板壳节点上；预应力钢束采用只受轴力的Link180杆单元，且每一个预应力钢束的节点都与最近的混凝土节点自由度耦合，以保证预应力钢束和相邻的混凝土变形协调；焊钉连接件采用Combine14 弹簧单元，赋予三个方向的弹性系数（kx、ky和kz）以模拟钢混之间的滑移。有限元模型如图5所示，模型的材料特性如表1所示。

表1 材料特性Table 1 The material property in FEM model

图5 半桥板壳实体有限元模型Fig.5 The solid-shell finite element model of the half bridge

3 有限元计算结果

3.1 计算内容

本模型需计算中支点梁体顶升/回落法与后结合预应力法在负弯矩区混凝土桥面板和钢主梁上产生的应力变化。对于中支点梁体顶升/回落法，首先钝化所有的混凝土和预应力单元，在中支点施加10 cm 向上的强迫位移，再激活全桥的全部单元，在中支点施加10 cm 向下的强迫位移，两个状态的差值体现出该施工方式对负弯矩区受力效果的影响。后结合预应力法与中支点梁体顶升/回落法互相独立，只需计算在张拉预应力工况下，负弯矩区混凝土桥面板和钢主梁的应力分布情况，用生死单元钝化负弯矩区的弹簧单元和后浇段的混凝土。

3.2 中支点顶升/回落法

图6 为组合梁桥1/4 钢主梁在中支点顶升10 cm 后的应力云图，此时全桥只有钢主梁承担负弯矩，最大拉应力为23.51 MPa，出现于主跨中支点截面的钢梁上翼缘。待混凝土桥面板浇筑完毕后将中支点回落至原先的设计高程，全桥由组合截面共同承担反向产生的正弯矩。图7 和图8分别为组合梁桥1/4混凝土桥面板和钢主梁在中支点回落后的应力增量云图，从中可以看出中支点附近混凝土桥面板的平均预压应力有1.25 MPa，且横向分布较为均匀。混凝土最大预压应力并没有出现在理想的中支点位置处，而是出现在刚度薄弱的边跨后浇段。从中支点回落后钢梁的应力增量云图中看出，边跨后浇段的钢底板达到了最大拉应力39.8 MPa，而中支点处的钢梁应力很低。按照线弹性计算理论，在中支点截面混凝土产生6～8 MPa 的预应力，需要对梁体顶升48～64 cm，这对现场施工带来较大的困难和风险。尽管理论计算结果表明，主梁回落在中支点处产生的反向弯矩最大，但是由于负弯矩区的梁段变高，中支点截面相对于跨中截面的刚度非常大，导致中支点处混凝土桥面板的预压应力施加效率低下，对于大跨度连续组合梁桥，仅采用中支点顶升/回落法对负弯矩区桥面板受力性能的改善有限。

图6 中支点顶升时1/4钢板应力云图（单位：MPa）Fig.6 Result of 1/4 steel girder after jacking-up（Unite：MPa）

图7 中支点回落后1/4混凝土板应力云图（单位：MPa）Fig.7 Result of 1/4 concrete deck after falling-down（Unite：MPa）

图8 中支点回落后1/4钢板应力增量云图（单位：MPa）Fig.8 Result of 1/4 steel girder after falling-down（Unite：MPa）

3.3 后结合预应力法

图9 为后结合预应力组合梁桥1/4 混凝土桥面板在预应力张拉后的应力云图，从中可以看出正弯矩区混凝土内基本没有应力，负弯矩区混凝土的最大预压应力达到13.5 MPa，中支点附近的平均预压应力为11.41 MPa，是中支点顶升/回落法的9.2 倍。混凝土的预压应力在张拉端附近应力集中，呈现出横向从边护栏向中轴线递增的分布规律，以中支点截面为例，边护栏混凝土的预压应力为10.48 MPa，是中轴线处混凝土的87%。

图10 为后结合预应力组合梁桥1/4 钢主梁在预应力张拉后的应力云图，整体钢主梁产生的应力较小，只有负弯矩区钢顶板受摩擦力的作用产生不到6 MPa 的预压应力。计算结果表明后结合构造能够将全部预压应力仅施加到负弯矩区混凝土桥面板内，对桥梁的其他部分的构件没有影响，最大程度地提升了预应力张拉效率，可提高桥面板的抗裂性能。

4 不同施工措施的改善效果分析

为了更广泛地比较不同施工措施在负弯矩区桥面板内产生的预压应力效果，基于文献［12］中优化的中大跨径（主跨40 m 至120 m）后结合预应力连续槽型钢箱组合梁桥进行简化分析。建立各跨径组合梁的Ansys 杆系有限元模型，分析为了使中支点处混凝土桥面板表面增加1 MPa 预压应力，采用中支点顶升/回落法需要顶升的高度，以及采用张拉预应力法确定需要在桥面板单位宽度内布置预应力钢束的数目。张拉预应力法根据钢混结合时间和预应力张拉时间的先后顺序分成传统的先结合法和背景工程中的后结合法，本文对两种张拉预应力法都进行了比较分析。

图11 反映出桥面板单位预压应力和中支点顶升高度之间的关系，背景工程的主跨跨径为70 m，中支点顶升8 cm 才能在桥面板表面产生1 MPa的预压应力。随着主跨跨径从40 m增大到120 m，中支点顶升高度从3.9 cm 增加到11.1 cm才会使得混凝土桥面板产生1 MPa 的压应力。由于钢梁自重较轻，若中支点顶升高度过大，则容易出现边支点脱空的现象。顶升吨位随着跨径的增加也会大幅上升，中支点钢梁底板需设计加劲肋构造防止出现钢板局部塑性变形。从图11 中看出，对于主跨60 m 以下的连续组合梁，产生单位预压力采用中支点顶升/回落法需要较小的顶升量，具有较好的施工效率。

图11 单位预压应力所需的中支点顶升高度图Fig.11 The displacement required jacking for unit compression stress

图12 反映出不同张拉预应力方法下桥面板单位预压应力和单位板宽预应力钢束数目的关系，背景工程采用的后结合预应力法，单位板宽需布置1.24 束直径15.24 mm 钢绞线才能在桥面板表面产生1 MPa 的预压应力，然而传统的先结合预应力则需要布置1.65束才能达到后结合法相同的效果。后结合预应力法的钢束数目受跨径影响较小，仅取决于桥面板的构造形式，但先结合预应力法的钢束数目随着跨径的增加而显著增加。随着主跨跨径从40 m 增加至120 m，后结合法比先结合法节省了10%至51%的预应力钢束。后结合预应力法将全部预压应力施加于混凝土桥面板内，提高了预应力钢束的使用效率，配置较少的预应力钢束就能达到常规先结合预应力法相同的效果。

图12 单位预压应力所需的单位板宽预应力钢束数目图Fig.12 The number of tendons required per unit deck width for unite compression stress

综上分析可知，后结合预应力法对负弯矩区受力性能的改善能力显著大于先结合法和中支点顶升/回落法。对于60 m 至70 m 的大跨度预应力组合梁桥，可以将后结合预应力法和中支点顶升/回落法组合使用；对于70 m 以上的大跨度预应力组合梁桥，直接使用后结合预应力法会具有更好的性价比。

5 结论

本文依据背景工程的有限元模型，分别计算中支点梁体顶升/回落法和后结合预应力法对大跨度组合梁负弯矩区受力性能的改善效果，对比分析得到如下结论：

（1）背景工程中后结合预应力法产生的预压应力为中支点顶升/回落法的9.2 倍，仅采用中支点顶升/回落法对负弯矩区桥面板受力性能的改善有限。

（2）中支点顶升/回落法的主边跨受几何约束作用产生次效应，钢梁最大应力为39.8 MPa，出现在刚度薄弱的后浇段，而后结合预应力法对边主跨梁段的受力性能基本没有影响。

（3）60 m 以下大跨度组合梁桥组合运用中支点梁体顶升/回落法和后结合预应力法的效果更优，70 m 以上的组合梁桥直接采用后结合预应力法会具有更好的性价比。