预弯钢横梁对组合桥面板受力的影响分析

2022-07-26苏庆田胡一鸣张春雷

结构工程师 2022年3期

闵玉苏庆田胡一鸣张春雷王倩陈亮

（1.四川公路桥梁建设集团有限公司，成都 610041；2.同济大学桥梁工程系，上海 200092；3.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引言

桥面板由于直接受到车辆荷载作用而成为桥梁结构中最易受损伤的部位之一。目前桥梁结构中的桥面板通常采用混凝土桥面板或钢桥面板（正交异性桥面板）。因为混凝土桥面板具有造价低、整体性好等特点，所以在中小跨径桥梁中得到了广泛使用，而钢桥面板自重轻、强度高，所以常被应用于大跨度桥梁中。但是混凝土抗拉强度较低，所以混凝土桥面板的开裂问题较为严重；而对于钢桥面板，由于其构造复杂、焊缝较多，在交通荷载作用下常出现疲劳破坏。相对于混凝土桥面板和钢桥面板，组合桥面板能充分发挥混凝土与钢的材料特点，在实际工程中开始被逐步使用。占玉林、杨勇等[1-2]对钢板-混凝土组合桥面板的静力受力性能与疲劳受力性能进行了试验研究，证明了组合桥面板能够满足工程使用要求。苏庆田等[3-4]对带不同形式加劲肋的正交异性组合桥面板力学性能进行了实验与理论研究，提出了正交异性折形钢板-混凝土组合桥面板结构形式并研究了其基本性能。邵旭东等[5-6]对正交异性钢板-超高性能混凝土（UHPC）轻型组合桥面结构进行大量静力受力性能的试验研究以及疲劳性能研究，得到了能够应用于大跨度桥梁的新型组合桥面板结构形式。

目前对于组合桥面板的研究主要集中在桥面的纵桥向受力方面，但是随着桥梁宽度的增加，桥梁横桥向受力成为不可忽视的因素。特别是横桥向出现大悬臂的情况下，横桥向负弯矩过大会导致组合桥面板混凝土的开裂。施加横桥向预应力的方法可减少负弯矩区混凝土的拉应力，避免混凝土的开裂。但在组合桥面板的混凝土中施加预应力时，组合桥面板的混凝土与钢会同时分担预压力，使得施加预应力的效率较低，因此需要寻求其他更加合适的方法对混凝土施加预应力。国内外学者针对预弯组合梁的研究为对组合桥面板的混凝土施加预应力提供了新的思路[7-9]。预弯组合梁是通过采用提前预弯钢梁对混凝土施加预应力，以预弯工字形钢梁作为预加应力的工具，以其压平后的反弹作用对受拉区混凝土施加预压应力，使得梁体的抗裂性能大为提高[10-11]。因此同样可以通过预弯组合桥面板的钢结构对组合桥面板的混凝土施加预应力，而有关该方法在组合桥面板上的应用未见报道。所以本文基于松浦大桥所使用的大悬臂组合桥面板，提出一种针对组合桥面板施加横桥向预应力的方法——钢横梁预弯方法，并采用数值分析的方法对该措施下组合桥面板施加的预应力效果进行研究分析。

1 工程概况

松浦大桥是1976年6月建成通车的一座公铁两用桥。主桥上部结构为两联96 m+112 m的连续铆接钢桁梁，全长419.6 m。桁高12.8 m，加劲弦高6 m，两片主桁中心距6.018 m，主桁节间为8 m。主桥立面图如图1所示。由于近年来该桥的公路交通压力不断增大，道路容量超饱和，为提高该桥的交通运输能力，对现有松浦大桥进行拓宽改造。将主桥上层公路桥面由原来的12 m拓宽为24.5 m，将下层单线铁路桥面改造成非机动车道，并在主桁外侧设置悬挑人行道。新建上层桥面板通过高强螺栓与原上弦杆结合在一起，并通过外撑斜杆对悬臂端进行支承；新建下层桥面则通过下横梁上的支座支承。改造后的桥面横断面图如图2所示。

图1 主桥立面图（单位：mm）Fig.1 Elevation of main bridge（Unit：mm）

图2 主桥横断面图（单位：mm）Fig.2 Cross section of main bridge（Unit：mm）

新建上层桥面板为节段预制的组合桥面板，预制节段纵桥向长度为8 m，横桥向宽度为24.5 m。组合桥面板预制节段混凝土含粗骨料活性粉末混凝土，厚度为80 mm。组合桥面板预制节段的钢结构采用Q345钢材，主要由顶板、加劲肋、横梁和纵梁组成，其顶面及底面分别如图3（a）、图3（b）所示。钢顶板厚度为12 mm；加劲肋采用280 mm×11 mm球扁钢加劲肋；横梁共两道，图3（a）、图3（b）中1—1截面和3—3截面位置为两道横梁中心线位置，横梁腹板厚度为20 mm，横梁下翼缘厚度为24 mm，其中3—3截面与外撑斜杆处小纵梁中心线交汇处为外撑斜杆支承点，钢结构1—1截面图、2—2截面图、3—3截面图如图4所示；一半桥宽共设四道纵梁，如图4所示，在主桁中心线处有一道，腹板厚度为12 mm，下翼缘厚度为20 mm；在外撑斜杆位置有一道，腹板厚度为20 mm，下翼缘厚度为24 mm；桥面板最外侧有两道，腹板厚度为12 mm，下翼缘厚度为16 mm。

图3 组合桥面板节段钢结构平面图（单位：mm）Fig.3 Plan of steel structure in composite bridge deck segments（Unit：mm）

图4 组合桥面板节段钢结构断面图（单位：mm）Fig.4 Cross sections of steel structure in composite bridge deck segments（Unit：mm）

2 钢横梁预弯方法及有限元分析过程

由组合桥面板构造可知本桥面板横桥向有很大的悬臂，悬臂宽度为8.85 m，大于桥面板宽度的1/3。虽然组合桥面板悬臂端有外撑斜杆支承，但是在纵桥向外撑斜杆间距为8 m，即支撑作用范围有限，且在横桥向外撑斜杆支承位置距离组合桥面板悬臂根部距离为5.881 m，因此在恒载与活载作用下组合桥面板悬臂根部位置（图4）会产生较大的横桥向负弯矩，该位置混凝土会产生较大的横桥向拉应力。因此为了避免该位置混凝土受到较大的拉应力而开裂，需要对组合桥面板混凝土施加预压应力，以抵消恒载与活载作用下混凝土产生的拉应力。依据组合桥面板的架设方式，文献[12]探究了一种对组合桥面板中混凝土施加横向预应力的方法；而本文基于组合桥面板的预制过程，提出了一种为组合桥面板的混凝土施加预压应力的方法，即钢横梁预弯方法。

2.1 钢横梁预弯方法介绍

在预弯桥面板时，拉索施加拉力的方法不同，对混凝土施加预压力的效果也不相同，因此本文在此预弯装置的基础上考虑了两种预弯方法：①拉索斜拉钢横梁使桥面板钢结构弯曲；②拉索竖直拉钢横梁使桥面板钢结构弯曲。两种预弯方法的示意图如图5所示，其中方法1是在桥面系下在设置支撑拉索的门架结构系统，拉索倾斜，结构是自平衡的；方法2的拉索是竖向设置，需要一端锚固在地基上。

图5 两种预弯方法Fig.5 Two methods of preflex bridge deck segment

2.2 有限元分析过程

针对前文中所阐述的两种钢横梁预弯方法（拉索斜拉钢横梁的预弯方法、拉索竖直拉钢横梁的预弯方法），通过有限元分析对桥面板的受力进行研究计算。基于组合桥面板节段的构造及预弯装置的构造建立杆系-板壳-实体有限元模型，以杆系单元模拟预弯装置中的门式框架及拉索，以板壳单元模拟桥面板钢结构，以实体单元模拟桥面板混凝土。在进行计算分析时，充分考虑预制桥面板的施工步骤，严格模拟施工过程。

依据实际施工过程，将计算分析的过程分为四个步骤，如图6所示，每个步骤的详细解释如下：

图6 有限元分析的过程Fig.6 Process of FE analysis

步骤1，杀死混凝土单元，拉索单元，考虑桥面钢结构单元、预弯门式框架单元；施加桥面钢结构自重，进行计算。由于桥面横桥向宽24.5 m，桥面钢结构自重对其自身内力影响很大，该步骤为模拟桥面钢结构在自重下的受力状况。

步骤2，激活拉索单元，即考虑桥面钢结构单元、预弯门式框架单元、拉索单元；张拉拉索，施加拉索拉力荷载，进行计算。该步骤为模拟桥面板钢结构弯曲。

步骤3，考虑桥面钢结构单元、预弯门式框架单元、拉索单元；将混凝土重力转化为面荷载施加到钢桥面，进行计算。该步骤为模拟浇筑混凝土。由于浇筑混凝土时，混凝土不承受荷载，其重力由钢结构承受，钢结构因此发生变形，这样会导致第二步张拉的拉索拉力损失一部分。

步骤4，杀死拉索单元，激活混凝土单元，即考虑桥面钢结构单元、预弯门式框架单元、混凝土单元；释放拉索拉力，进行计算。该步骤为模拟混凝土到达一定强度后，去除拉索，桥面板钢结构反向回弹，对混凝土产生预压应力。

本文对这两种预弯方法进行计算分析，比较了组合桥面板混凝土施加预压应力的效果。

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3 两种预弯方法的计算结果

3.1 拉索斜拉钢横梁的预弯方法

由于组合桥面板悬臂根部位置（图4）的混凝土会产生较大的拉应力，因此需要尽量保证该位置混凝土预压应力在纵桥向分布较为均匀，而每个组合桥面板节段的两道横梁在纵桥向的位置不对称，若要保证桥面板悬臂根部位置混凝土横向预压应力在纵桥向的均匀性，则施加在两根横梁上的拉索拉力大小需不一样。经过分析得到，对于拉索斜拉钢横梁的预弯方法，在模拟分析第2步中，对有外撑斜杆支承的横梁施加的拉索拉力与对无外撑斜杆支承的横梁施加的拉索拉力的比值为1：0.50时，桥面板悬臂根部位置混凝土预压应力在纵桥向分布较为均匀。

由于通过该方法对混凝土施加预应力时，需考虑预制过程中桥面板钢结构的最大横桥向正应力以及预制完成时钢结构中残余的横桥向正应力，而在模拟分析过程中，在第3步时钢结构横桥向正应力达到最大，所以主要考虑第3步及预制完成时钢结构的横桥向应力。

当第2步中有外撑斜杆支承的横梁施加的拉索拉力为100 kN，无外撑斜杆支承的横梁施加的拉索拉力为50 kN时，第3步桥面板钢结构横桥向正应力最大压应力为-98.2 MPa，位于有外撑斜杆支承的横梁悬臂根部下翼缘处；最大拉应力为40.3 MPa，位于有外撑斜杆支承的横梁悬臂根部顶板处。预制完成时，桥面板钢结构横桥向正应力最大压应力为-86.7 MPa，位于有外撑斜杆支承的横梁悬臂根部下翼缘处；最大拉应力为39.0 MPa，位于有外撑斜杆支承的横梁悬臂根部顶板处。桥面板钢结构的第3步及第4步的横桥向正应力云图如图7所示。预制完成时，组合桥面板混凝土基本完全处于受压状态，悬臂根部位置的混凝土横向预压应力平均值为-0.37 MPa。桥面板混凝土横桥向正应力云图如图8所示。

图7 钢结构横桥向正应力云图（单位：kPa）Fig.7 Transverse normal stress distribution of steel structure（Unit：kPa）

图8 混凝土横桥向正应力云图（单位：kPa）Fig.8 Transverse normal stress distribution of concrete（Unit：kPa）

除此之外，在模拟分析第2步中，分别对有外撑斜杆支承的横梁和无外撑斜杆支承的横梁施加200 kN和100 kN、300 kN和150 kN两种拉索拉力，得到第3步和预制完成时钢结构横桥向正应力分布、预制完成时混凝土横桥向正应力分布与施加100 kN和50 kN拉索拉力时的结果相类似，在每个计算步中钢结构横桥向最大拉应力的绝对值均小于横桥向最大压应力的绝对值，所以对有外撑斜杆支承的横梁和无外撑斜杆支承的横梁施加以上三种情况的拉索拉力（100 kN和50 kN、200 kN和100 kN、300 kN和150 kN），得到第3步钢结构横桥向最大压应力σtp、预制完成时钢结构横桥向最大压应力σfp以及预制完成时组合桥面板悬臂根部位置的混凝土横向预压应力平均值σc，如表1所示。

表1 钢结构与混凝土横桥向正应力Table 1 Transverse normal stress of steel structure and concrete

3.2 拉索竖直拉钢横梁的预弯方法

与拉索斜拉钢横梁的预弯方法类似，对于拉索竖直拉钢横梁的预弯方法，为了保证桥面板悬臂根部位置混凝土横向预压应力在纵桥向的均匀性，在模拟分析第2步中，对有外撑斜杆支承的横梁施加的拉索拉力与对无外撑斜杆支承的横梁施加的拉索拉力也需要不相同。经过分析得到，该比值为1∶0.45时，桥面板悬臂根部位置混凝土预压应力在纵桥向分布较为均匀。

因此，对于拉索竖直拉钢横梁的预弯方法，在模拟分析第2步中，分别对有外撑斜杆支承的横梁和无外撑斜杆支承的横梁施加100 kN和45 kN、200 kN和90 kN、300 kN和135 kN三种拉索拉力，得到第3步和预制完成时钢结构横桥向正应力分布、预制完成时混凝土横桥向正应力分布与拉索斜拉钢横梁的预弯方法计算结果类似，在每个计算步中钢结构横桥向最大拉应力的绝对值均小于横桥向最大压应力的绝对值，所以对有外撑斜杆支承的横梁和无外撑斜杆支承的横梁施加以上三种情况的拉索拉力，得到第3步钢结构横桥向最大压应力σtp、预制完成时钢结构横桥向最大压应力σfp以及预制完成时组合桥面板悬臂根部位置的混凝土横向预压应力平均值σc，如表1所示。

3.3 两种预弯计算结果的对比分析

由表1可得，对于拉索斜拉钢横梁预弯方法，当有外撑斜杆支承的横梁拉索拉力由100 kN增大到200 kN，再增大到300 kN，组合桥面板悬臂根部位置的混凝土横向预压应力平均值不成比例，但是其增量相同为-0.59 MPa。这是因为计算过程中详细考虑结构的自重和预应力作用的共同影响，其中恒载是固定不变的，而预应力是变化的、但变化增量相同。预弯过程中钢结构横桥向最大正应力增量同为-21.2 MPa，因此当钢结构横桥向最大应力达到设计强度-275 MPa时，组合桥面板悬臂根部位置的混凝土横向预压应力平均值为-5.29 MPa，即此预弯方式对混凝土的预压应力平均值最大为-5.29 MPa。

同理，由表1可得，对于拉索竖直拉钢横梁预弯方法，当钢结构横桥向最大应力达到设计强度时，组合桥面板悬臂根部位置的混凝土横向预压应力平均值为-6.57 MPa，即此预弯方式对混凝土的预压应力平均值最大为-6.57 MPa。

比较两种方法计算得到的组合桥面板悬臂根部位置的混凝土横向最大预压应力值，可以看出在混凝土产生的压应力效果上方法2明显优于比方法1。主要由于采用拉索斜拉钢横梁预弯方法时，钢结构在拉索拉力作用下会产生轴向受压的变形，当拉索释放时，钢结构轴向变形释放，会使混凝土的有效预压应力减小。

由于方法1采用门架支撑拉索体系，所以实现了结构的自平衡，但是其施加混凝土横向预压力的效果没有方法2好，不过可以通过进一步调整门架支撑的高度改变拉索与桥面板的倾角会改善混凝土预压应力效果。方法2施加到混凝土上的预压应力效果最优，但是需要地锚结构来锚固拉索，场地占用时间较长。具体工程中需要根据桥面板横桥向需要产生的预压应力水平和实际场地条件来综合评判后确定具体的横梁预弯方法。