鋼-混組合梁橋橋面板鋪裝順序優化設計研究*

丁濱陽， 田仲初， 彭學軍， 湯宇， 凌濤， 叢培

(1.長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114；2.中鐵五局集團 第一工程有限公司， 湖南 長沙 410117)

鋼-混凝土組合梁橋施工中，主梁結構應力和變形受施工方法的影響很大，特別是墩頂橋面板負彎矩區的應力狀態和混凝土裂縫寬度。已有研究成果大多只是針對現澆橋面板進行施工工藝研究和結構受力分析，對預制橋面板的施工工藝對結構的影響鮮有研究。本文以寧夏鎮羅黃河特大橋主橋為依托工程，采用單向連續鋪裝法、雙向對稱鋪裝法、墩頂對稱鋪裝法、皮爾格鋪裝法4種施工方法，對比分析不同橋面板鋪裝順序下負彎矩區橋面板應力、鋼箱梁應力及裂縫寬度，研究鋼-混組合梁橋負彎矩區橋面板受力狀況的優化方法，為鋼-混組合梁橋橋面板施工提供借鑒。

1 工程概況

寧夏鎮羅黃河特大橋主橋跨徑布置為55 m+6×90 m+55 m，樁號為LK5+999—LK6+649，為單箱單室組合梁連續梁橋，分幅布置，中心梁高4.5 m，頂板全寬12.75 m，底板寬6.7 m(見圖1)。鋼箱梁采用頂推施工方法。

圖1 鎮羅黃河特大橋主橋橋型布置示意圖(單位：cm)

2 橋面板施工方法

鋼-混組合梁橋的橋面板通常在主梁施工完成后架設，不同橋面板鋪裝順序對鋼箱梁和橋面板結構的受力有影響。為避免橋面板鋪裝過程中負彎矩區應力較大導致混凝土開裂，針對鎮羅黃河特大橋預制橋面板的特點，結合施工實際情況，采用單向連續鋪裝法、雙向對稱鋪裝法、墩頂對稱鋪裝法、皮爾格鋪裝法4種施工方法進行對比分析。

2.1 單向連續鋪裝法

單向連續鋪裝法將預制橋面板從主橋一端向另一端連續不斷地鋪設。待鋼箱梁頂推就位后，安裝架橋機，依次吊裝首跨橋面板就位，同批次按順序澆筑首跨橋面板內現澆混凝土(含濕接縫)，張拉本階段預應力；繼續上述步驟，完成所有橋面板鋪裝(見圖2)。然后鋪設二期恒載，全橋整體完工。這種施

圖2 單向連續鋪裝法原理示意圖

工方法在跨度較小的組合梁橋中應用較多，其優點是方便連續施工作業，但墩頂橋面板在后續預制橋面板自重作用下會產生較大拉應力。

2.2 雙向對稱鋪裝法

雙向對稱鋪裝法是指預制橋面板分別從主橋南岸和北岸兩側向中間同步鋪裝。同步吊裝首跨和末跨橋面板，同時澆筑首跨和末跨內現澆混凝土、張拉本階段預應力。重復上述步驟直至橋面板鋪裝完成(見圖3)。

圖3 雙向對稱鋪裝法原理示意圖

2.3 墩頂對稱鋪裝法

墩頂對稱鋪裝法是首先在各墩墩頂將預制橋面板鋪裝到位，然后同步向跨中鋪裝橋面板。該方法要求制作多個作業平臺，在各墩墩頂處均布置架橋吊機和運板小車，然后同步鋪裝直至橋面板施工完成(見圖4)。

圖4 墩頂對稱鋪裝法原理示意圖

2.4 皮爾格鋪裝法

皮爾格鋪裝法又稱間斷鋪裝法，先鋪設所有跨徑內的橋面板，然后鋪設墩頂橋面板。從南岸向北岸依次吊裝所有跨徑內節段橋面板，然后按順序澆筑所有跨徑內現澆混凝土，同時張拉本階段預應力。

最后從北岸向南岸依次吊裝墩頂橋面板，并同步澆筑墩頂處現澆混凝土(見圖5)。采用這種方法能避免墩頂橋面板在鋪裝過程中因受到跨徑內橋面板自重作用而產生較大拉應力，減小混凝土裂縫寬度。

圖5 皮爾格鋪裝法原理示意圖

3 有限元模型建立

3.1 整體模型建立

利用有限元軟件模擬主梁施工過程，針對鎮羅黃河特大橋主橋頂推施工特點，將鋼箱梁單元細分為1 m/單元，主梁共計727個梁單元、1 317個節點。由于橋面板采用預制鋪裝方法，建模分析時以頂推落梁后的模型為基礎。

3.2 計算參數(見表1)

表1 主橋構件材料計算參數

3.3 荷載施加

鋼箱梁的橫隔板有多種形式，其質量各不相同，分布位置也不同。建立有限元模型時通過添加節點荷載的形式將不同種類橫隔板分布在主梁的不同位置，橋面剪力釘則通過均布荷載的形式分布在整個主梁上。

3.4 主梁與橋面板的連接

依托頂推落梁后的有限元模型，利用施工聯合截面來模擬橋面板與鋼箱梁的耦合作用(見圖6)。當現澆混凝土和剪力槽還沒澆筑時，通過施加均布荷載模擬橋面板和濕接縫作用在鋼箱梁上的力。為確保有限元模擬準確，設置多個分析步長來模擬預制橋面板的分段鋪裝，研究4種施工方法對結構受力的影響。

圖6 皮爾格鋪裝法有限元模型示意圖

4 不同橋面板施工方法下鋼-混組合梁應力分析

4.1 各墩墩頂橋面板應力分析

不同橋面板施工方法下墩頂橋面板的最大應力見表2。

由表2可知：采用皮爾格鋪裝法施工時，N+1#～N+4#和N+7#墩墩頂處橋面板應力為-0.1 MPa，橋面板處于受壓狀態，結構受力狀況良好；N+5#和N+6#墩墩頂處橋面板出現很小的拉應力，說明采用皮爾格法進行橋面板鋪裝能在一定程度上減小墩頂處拉應力。采用雙向連續鋪裝法施工時，各墩墩頂處橋面板產生部分拉應力，但遠小于橋面板混凝土抗拉強度設計值，不影響結構的受力狀態。采用單向連續鋪裝法和墩頂對稱鋪裝法施工時，N+2#～N+6#墩墩頂處混凝土橋面板出現較大拉應力，最大拉應力達2.0 MPa，對結構受力狀態有所影響。

表2 不同橋面板施工方法下各墩墩頂橋面板最大應力 MPa

4.2 成橋階段鋼箱梁應力分析

不同橋面板施工方法下成橋階段鋼箱梁應力分布見圖7～10和表3。

圖7 采用單向連續鋪裝法施工時成橋階段鋼箱梁應力云圖(單位：MPa)

圖8 采用雙向對稱鋪裝法施工時成橋階段鋼箱梁應力云圖(單位：MPa)

圖9 采用墩頂對稱鋪裝法施工時成橋階段鋼箱梁應力云圖(單位：MPa)

圖10 采用皮爾格鋪裝法施工時成橋階段鋼箱梁應力云圖(單位：MPa)

表3 不同橋面板施工方法下成橋階段鋼箱梁最大應力 MPa

由圖7～10和表3可知：4種橋面板施工方法對成橋階段鋼箱梁應力的影響不大，且應力均在規范容許范圍內。

5 橋面板裂縫寬度計算

5.1 裂縫寬度計算理論

一般情況下混凝土構件的抗拉性能較差，在正常使用狀態下會導致混凝土裂縫，為保證混凝土結構的正常使用，結構設計時需將裂縫寬度控制在規范允許范圍內。國內外許多學者對裂縫產生原理進行了研究，但由于混凝土材料本身及裂縫產生的隨機性和不確定性，研究分析裂縫的難度增大。目前形成了多種裂縫計算理論，主要包括黏結-滑移理論、無滑移理論及黏結-滑移理論和無滑移理論相結合的綜合分析理論。本文不考慮黏結、滑移的影響，選擇無滑移理論計算裂縫寬度。兩條裂縫之間混凝土應力與應變分布按彈性力學的方法計算得到。裂縫的最大寬度與混凝土保護層厚度c、裂縫間平均應變成正比，即：

式中：C1為鋼筋表面形狀系數，該橋采用帶肋鋼筋，C1=1.00；C2為作用長期效應影響系數，C2=1+0.5(Ml/Ms)；Ml、Ms分別為作用準永久組合和作用頻遇組合計算的彎矩設計值；C3為與構件受力性質有關的系數，本文分析軸心受拉構件，C3=1.2；σss為鋼筋應力；c為最外排縱向受拉鋼筋的混凝土保護層厚度；d為縱向受拉鋼筋的直徑；ρte為縱向受拉鋼筋的有效配筋率。

5.2 最大裂縫寬度計算

根據作用準永久組合和頻遇組合算出的墩頂最大負彎矩值，得出墩頂負彎矩區最大裂縫寬度(見表4)。由表4可知：采用單向連續鋪裝法施工時墩頂混凝土橋面板裂縫寬度最大，達0.21 mm；采用皮爾格鋪裝法施工時，混凝土橋面板的裂縫寬度最小，為0.07 mm；采用雙向對稱鋪裝法和墩頂對稱鋪裝法施工時，裂縫寬度分別為0.11 mm、0.16mm。采用單向連續鋪裝法施工時橋面板最大裂縫寬度大于規范容許值0.20 mm，其他3種方法均滿足規范要求。

表4 不同橋面板施工方法下負彎矩區最大裂縫寬度

6 結論

本文以鎮羅黃河特大橋為例，采用有限元軟件模擬實際施工過程中橋面板鋪裝順序，得出墩頂橋面板最大拉應力，并計算負彎矩區橋面板的最大裂縫寬度，對不同橋面板施工方法進行對比，得出如下結論：

(1) 采用皮爾格鋪裝法施工混凝土橋面板時，僅部分橋墩墩頂橋面板出現很小的拉應力，采用該方法能在一定程度上減小墩頂處拉應力。采用單向連續鋪裝法和墩頂對稱鋪裝法，墩頂橋面板出現較大拉應力，最大拉應力達2.0 MPa，超過規范限值，對結構長期整體受力影響很大。

(2) 4種橋面板鋪裝法對成橋階段鋼箱梁應力的影響不大，且應力均小于規范限值235 MPa。

(3) 改變橋面板鋪裝順序對裂縫寬度影響很大，采用單向連續鋪裝法時墩頂混凝土橋面板裂縫寬度達0.21 mm大于規范容許值0.20 mm。采用皮爾格鋪裝法能減小混凝土橋面板的裂縫寬度。