钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥受力性能的影响因素分析

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曾勇 余滔 李勇岐

重庆交通大学山区桥梁及隧道工程国家重点实验室 重庆交通大学山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心

摘 要：钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥是主梁结构采用钢—混凝土组合梁，由V形墩连续刚构桥和连续梁组合形成的新型桥梁结构。它既有组合连续梁的受力特征，又有V腿刚构桥的受力特征，同时主梁还是钢—混凝土组合梁。V腿与主梁固结，V腿的性能会影响上部结构的性能。针对国内首座钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥的结构特点，研究了预压配重大小、V腿角度、V腿支架拆除时机等因素对结构受力的影响，并提出合理的优化建议。
关键词：钢—混凝土组合结构;连续梁—连续刚构桥;V形墩;组合体系;施工阶段;受力性能;影响因素分析;

基金：国家自然科学基金资助项目，项目编号51908093;重庆市留学人员回国创业创新支持基金项目，项目编号CX2018113,CX2020117;

钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥是由V形墩和组合连续梁墩梁固结形成的新型结构，它既有组合连续梁的受力特征，又有V腿刚构桥的受力特征。钢—混凝土组合连续梁桥可以很多跨一联甚至全桥连续，这样既能保证行车的平顺性，又可以节约设置桥梁伸缩缝的费用。V腿(V形墩)墩顶支撑着主梁，对主梁有一定的减跨作用。
继1955年法国建成V腿的La Voulte-sur-Rhone桥后，英国、荷兰、德国、日本等也陆续修建了多座V腿桥梁[1]。国内V腿桥梁建设起步较晚。1988年，国内第一座公路V腿刚构桥——雉山漓江大桥才建成通车，该桥主梁采用预应力混凝土结构，V腿采用劲性骨架混凝土结构。1997年，国内第一座铁路V腿刚构桥——八渡南盘江大桥建成。进入21世纪后，V腿刚构桥向着大跨度、多跨数方向发展，但仍以混凝土V腿桥梁为主，钢结构V腿桥梁的应用较少。
对关于组合连续梁桥钢主梁和混凝土桥面板结合后的力学性能的研究有很多[2,3,4,5,6,7,8,9],对改善组合连续梁桥负弯矩区受力的施工方法的研究也很多，但这些讨论大多基于下部结构是竖直墩且墩梁不固结的情况，或结构形式单一，主梁不是组合梁结构。但是V腿与主梁固结，V腿的性能会影响上部结构的性能。本文根据国内首座钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥的结构特点与受力特征，研究了预压力大小、V腿角度、V腿支架拆除时机等因素对结构受力的影响，定量分析了钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥受力性能的主要影响因素。
1 工程概况

某座已建成的钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥，其跨径组合为20 m+24 m+34 m+56 m +34 m, 主梁截面为开口双主梁钢混组合截面，是世界上唯一建成的钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥，如图1所示。该桥主梁结构采用全桥(5跨)连续，主梁累计长度174 m, 仅在桥台设置伸缩缝。P1、P2桥墩采用柱式墩，墩梁之间设置支座；P3、P4墩采用V形桥墩，并用高强螺栓与主梁固结。主梁采用耐候钢。大桥建成后的照片如图2所示。
该桥桥面板采用钢筋混凝土结构，中心线位置板厚约为0.3 m, 在与栓钉结合位置的板厚为0.35 m。单块预制板横桥向为一块整板，横桥向长8.9 m, 纵桥向宽3 m。通过横向湿接缝连接各块预制板，通过剪力钉群与钢主梁形成组合体系。工字形钢主梁的标准梁高为1 m, V腿墩顶附近的主梁高度渐变到1.6 m, 钢梁下翼缘宽度从0.6 m变宽到0.8 m。桥梁典型断面如图3所示。

图1 立面布置 下载原图

图2 大桥立面 下载原图

图3 桥梁典型断面 下载原图

单位：单位：cm

P1、P2墩为竖直墩，P3、P4墩为V形墩(V腿结构),均主要采用带有外封板的工字形截面。在跨中桥面板架设完成后，该桥负弯矩区混凝土桥面板采用压重法后浇施工，采用C40微膨胀混凝土。负弯矩区混凝土强度达到90%的设计强度后，再进行跨中区域压重卸载。
2 有限元建模

2.1建模思路

施工阶段联合截面是针对组合截面计算的一种特别的有限元计算截面，这种截面定义依赖于施工过程的模拟。钢主梁和混凝土桥面板分别视为钢—混凝土组合梁截面的不同组分，建模时分别考虑。施工阶段联合截面在计算分析时，可以分别考虑钢—混凝土组合截面在不同施工阶段中截面刚度的变化，利用不同组件按顺序激活的办法模拟钢梁与混凝土在实际施工过程中的截面刚度变化。施工阶段联合截面优点在于这种建模方法采用叠加的方式计算各种荷载效应，可以较好地适应组合梁桥考虑分阶段施工的计算，如图4所示。联合截面的理论基础是截面满足初等梁理论，满足平截面假定和弹性变形假定。这种方法根据两种构件界面应变协调原理来分配构件的内力和应力，能够准确计算时变效应。在实际工程中，混凝土桥面板通常在横向上厚度是变化的，采用联合截面进行杆系简化建模时有必要先对原截面进行等效简化。

图4 联合截面应力 下载原图

2.2模型描述

为了便于描述，对结构进行编号。从A0台开始，沿桥梁纵向，将预压前与混凝土桥面板形成组合截面的梁段命名为k1、k2、…、k7,将负弯矩区后浇混凝土的梁段命名为d1、d2、…、d6。
(1)桥面板采用C40混凝土，重度取25kN/m3。
(2)钢主梁选用Q345qDNH钢材，重度取76.98kN/m3。
(3)根据设计图纸，二期恒载取值为22.8kN/m。
(4)混凝土收缩徐变：依据设计图纸，该桥预制桥面板采用放置至少6个月的预制混凝土板，因此考虑其收缩徐变作用，预制板混凝土的初始龄期按180 d计，环境相对湿度按70%计；现浇混凝土初始龄期按实际施工情况考虑，计算时现浇施工段工期计为14 d。
(5)一般边界条件：桥位地址条件良好，桥墩底部不考虑基础变位影响；竖直墩顶按照桥梁实际支座设置约束；实桥V腿和钢主梁结合处用高强螺栓连接，建模时用刚性连接模拟。
使用施工阶段联合截面的方法，不考虑桥面板横坡和桥梁纵坡，考虑计算桥面板有效宽度，建立的Midas杆系模型，如图5所示。

图5 杆系简化模型 下载原图

3V腿支架拆除时机对成桥阶段的影响

3.1 V腿支架拆除时机

V腿支架的拆除时机直接影响预应力混凝土V墩刚构桥梁的受力性能。采用压重施工的时候，钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥负弯矩区在竖直墩和V腿墩顶产生的压应力储备不相同。为了探究V腿竖向刚度是否会影响压重法施工，本节对该结构钢V腿的临时支架拆除时机做相应讨论。
为了对比验证的方便，将建模的第一个施工阶段预设为钢V腿与钢主梁已经一次落架(施工完成)。但是在实际施工过程中，钢V腿一般是设置临时支撑后再焊接的，钢主梁也是逐节段焊接施工的。
在模拟的施工阶段中，在CS1阶段之前增设一个钢V腿架设的施工阶段，令其为CS0。将V腿单元从CS1拆分给CS0,V腿临时支撑采用只受压节点弹性支撑进行模拟。为了分析V腿临时支撑的拆除时机的影响，本文主要考虑以下3种情况。
(1)CS1拆除：

钢V腿与钢主梁形成整体后立即拆除临时支撑。
(2)CS2拆除：

预制桥面板架设完成后拆除临时支撑。
(3)CS8拆除：

全桥的混凝土桥面板现浇段施工完成后拆除临时支撑。
3.2挠度分析

因为对k1、k2跨的成桥状态影响不大，故本部分仅贴出k3～k7梁段的计算结果，挠度分析结果如图6所示。在不同的拆除时机下，钢梁最终成桥的挠度差距不大，最大下挠出现在CS2拆除临时支架的时候，这时候跨中下挠值为33.4 mm,跨中最小下挠值为31.8 mm。分析发现，CS1拆除临时支架和钢梁一次成桥这两种不同模拟方法的成桥挠度计算结果几乎一致，各跨的挠度曲线都十分接近。

图6 V腿临时支撑不同时机拆除工况下的最终成桥挠度 下载原图

3.3应力分析

在同时采用压重法施工组合梁桥面板时，竖直墩产生的压应力储备效果较V腿墩顶的效果好，这是因为V腿墩与竖直墩的竖向刚度不同。此处对V腿支架拆除时机的讨论，也是对V腿竖向刚度的讨论。当V腿支架未拆除时，V腿竖向刚度很大，反之则竖向刚度略有减小。
选择在浇筑混凝土板之前拆除临时支撑，CS1和CS2两个时机对钢梁上翼缘的应力影响不大，因此只考虑V腿与钢主梁一次形成的工况下的应力水平也与考虑V腿施工过程的主梁上翼缘应力水平相当，如图7所示。可见，选择在现浇段施工前还是施工后再拆除V腿临时支架，会成为影响成桥状态下的钢主梁上翼缘应力水平的主要因素。以所依托工程来看，选择不同时机拆除临时支架，可以在d5墩顶产生20.5 MPa的拉应力差值；选择在CS1时机拆除临时支架，在k5跨跨中产生的压应力可减少5.8 MPa。

图7 钢主梁上翼缘应力对比 下载原图

总体来看，简化V腿施工过程与CS1拆除工况下的计算结果基本一致，如图8所示。对比这3种拆除时机的跨中下翼缘拉应力大小可以发现，越早拆V腿临时支撑，主跨跨中拉应力越大。选择不同时机拆除临时支撑，给主跨跨中钢梁下翼缘带来的最大拉应力差值大约可达到8.4 MPa,在d5墩顶位置产生的最大压应力差值达到3.9 MPa。综合钢主梁上、下翼缘来看，V腿临时支架的拆除时机对跨中下翼缘和钢主梁墩顶上翼缘的应力有较大的影响。

图8 钢主梁下翼缘应力对比 下载原图

选择V腿支架的不同拆除时机，对混凝土板上翼缘的成桥时应力水平有显著影响。CS1拆除工况下的成桥态混凝土板上翼缘应力与墩梁一次成形的计算结果最大仅差0.1 MPa,可认为这两种计算结果一致。分析各拆除工况下的最大拉应力，可见总体规律是拆得越早，混凝土上缘拉应力越小。CS1拆除工况下，成桥态混凝土上缘最大拉应力为0.7 MPa,与CS8拆除工况时的应力差值最大达到0.5 MPa。分析现浇段的应力水平，可发现仅在CS8拆除工况下有较大差距，其他3种情况结果一致性好，这说明选择在现浇混凝土施工的前后拆除V腿临时支架，是影响现浇段成桥应力水平的主要因素。桥面板上缘应力对比如图9所示。

图9 桥面板上缘应力对比 下载原图

桥面板下缘受到的压应力大小与V腿临时支架拆除时机同样有十分强的联系。总体来看，V腿支架拆除时机越早，桥面板下缘混凝土应力水平越有利。全桥纵向来看，桥面板下缘不利位置在V腿墩顶部梁端；此时选择不同的拆除时机，最大可对此处桥面板造成0.33 MPa的拉应力差值。由此可见，CS1拆除工况下的桥面板应力水平，较其他两种有明显改善。桥面板下缘应力对比如图10所示。

图10 桥面板下缘应力对比 下载原图

根据成桥状态V腿最大压应力与拆除时间关系，如图11所示，可知V腿支架拆除时机与V腿最大压应力成反比关系；但总体来看，V腿内应力较小。区别于混凝土V腿结构，钢V腿所用材料力学性能突出，不怕拉压，材料的强度有较大富余。但材料的静力性能并不是设计需要考虑的主要因素。
从V腿临时支撑在不同拆除工况下的钢梁应力和桥面板应力特点来看，V腿支架拆除时机会对主梁成桥应力产生明显影响。总体来看，早拆临时支撑会使主梁上翼缘跨中拉应力和V腿压应力增大，但却有利于桥面板成桥应力的减小。对于组合结构而言，混凝土的应力水平对截面刚度的影响较大。因此，钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构

图11 V腿应力与拆除时间的关系 下载原图

桥在施工时，V腿的临时支架越早拆除越好，最迟也应在现浇混凝土之前拆除。
4 不同V腿角度对成桥受力性能的影响

当主梁截面一致时，V腿墩选用不同的角度会产生不同的竖向刚度，也会在V腿内产生不同大小的弯矩。保持V腿截面不变，不改变施工方法，仅以V腿与铅垂线的夹角为参数，建立V腿中心线与铅垂线角度为40°、45°、55°、60°的多个模型，此外特别设置将V墩改成竖直墩的模型(0°)。通过对比这些模型最终成桥阶段彼此之间的差异，分析V腿不同角度对桥梁受力性能的影响。
4.1挠度分析

不同V腿角度的最终成桥挠度如图12所示。由图12可以看出，V腿选用不同的角度，对k1和k2跨的挠度几乎没有影响。分析d3～d6,可见V腿角度越大，墩梁固结处的挠度越大，可视为V墩竖向刚度越小。分析V腿墩顶梁段k4和k6,可见随着V腿角度越大，k4和k6跨中挠度越大。对比k6和k7可以看出，V腿角度越大，这两跨最大下挠的差值越小，说明V墩竖向刚度较小时，相邻两跨间主梁不均匀下挠会有相应改善。

图12 不同V腿角度的最终成桥挠度 下载原图

4.2应力分析

本小节主要分析k3～k7梁段的计算结果，如图13所示。在d5墩顶两侧的应力有着不同的变化规律，d5墩顶左侧主梁上翼缘应力与V腿角度成反比关系，d5墩顶左侧主梁上翼缘应力与V腿角度成正比关系。当V腿角度为50°时，主梁左右两侧上翼缘应力突变幅值最小；当V腿角度以此为基础开始逐渐增大或者逐渐减小，左右两侧主梁上翼缘应力突变幅值均会逐渐增大。

图13 钢主梁上翼缘应力对比 下载原图

钢主梁下翼缘的应力突变规律与上翼缘应力变化规律基本一致，如图14所示。这说明V腿角度对墩梁固结位置附近的主梁应力有明显影响，且V腿角度有个“最优解”。当采用合适的V腿角度，V墩墩顶两侧主梁的应力水平相当，可以一定程度上改善负弯矩区两侧主梁受力。

图14 钢主梁下翼缘应力对比 下载原图

d5墩顶桥面板上下缘应力总体上呈现V腿角度越小，压重施工法施加的预压力效果就越好的规律。主要原因是，V腿角度越大，其竖向刚度就越小。当施工阶段压重时，V墩墩顶会有一定程度的下挠，此时对于主梁来说，这个下挠可近似视为墩顶的反向顶升，为墩顶施加了正弯矩的效果。当压重恢复后，反向顶升(墩梁固结处挠度)恢复，产生额外的负弯矩，这种墩顶的下挠不利于压重法施工。桥面板上、下缘应力对比分别如图15和图16所示。

图15 桥面板上缘应力对比 下载原图

图16 桥面板下缘应力对比 下载原图

V腿最大应力与角度的关系如图17所示。V腿在成桥状态下最大应力与V腿角度有很大关系，V腿最大压应力随角度的增大而几乎线性增大。
5 跨中压重大小对成桥受力性能的影响

5.1挠度分析

d3墩顶下挠随压重的增大而增大，说明压重会对钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥的负弯矩区受力产生一定影响。但总的来看，跨中压重不同时，最终成桥挠度虽然随着压重的增大而增大，但实际结构下挠不多，压重配重对成桥状态的挠度影响并不明显。计算压重不同时成桥挠度的变化，如图18所示。

图17 成桥态V腿最大压应力随角度的变化 下载原图

图18 不同压重时的成桥挠度 下载原图

5.2应力分析

在相同压重施工方法下，最终主梁在竖直墩和V墩负弯矩区产生的压应力储备并不相同。因此，根据成桥应力，取d1、d5、d6这3处墩顶附近主梁应力开展应力对比分析。
在成桥状态下，采用不同的跨中压重施工对已经铺设预制桥面板的钢梁段上翼应力几乎没有影响，而对后浇混凝土段的钢梁上翼缘应力有一定影响。随着压重的增大，后浇混凝土段的钢梁上翼缘应力不断增大，二者成正比关系。各个压重工况下，全桥钢主梁最大上翼缘应力依旧位于d5梁端；在各个工况下，d6梁端应力仍然可以看出该位置左侧钢梁上翼缘受到V腿顶部钢主梁约束V腿变形而产生的拉应力。计算结果如图19～图24所示。
不同压重配重施工对成桥状态的钢主梁下翼缘

图19 d1墩顶钢主梁上翼缘应力对比 下载原图

应力影响并不明显。随着压重的增大，主梁下翼缘应力变化曲线的斜率会逐渐越大，即在朝着远离墩顶的方向，主梁下翼缘的压应力减小得更快。

图20 d1墩顶钢主梁下翼缘应力对比 下载原图

图21 d5墩顶钢主梁上翼缘应力对比 下载原图

图22 d5墩顶钢主梁下翼缘应力对比 下载原图

即使是采用不额外压重，仅仅只分阶段施工桥面板时，也能在一定程度上减小墩顶处的拉应力。随着压重的增大，各个负弯矩段的最大拉应力均逐渐变小；压应力越大，则墩顶混凝土板内施加预压力的效果越好。总体来看，跨中压重大小对成桥挠度的影响不大，而对墩顶附近钢主梁和混凝土桥面板的拉应力有明显影响。混凝土板最不利的位置仍然出现在V墩顶部负弯矩区(d5、d6梁端),如图25～图30所示。

图23 d6墩顶钢主梁上翼缘应力对比 下载原图

图24 d6墩顶钢主梁下翼缘应力对比 下载原图

图25 d1墩顶桥面板上缘应力对比 下载原图

图26 d1墩顶桥面板下缘应力对比 下载原图

图27 d5墩顶桥面板上缘应力对比 下载原图

图28 d5墩顶桥面板下缘应力对比 下载原图

6 结语

依托国内首座钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥，研究了钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥成桥应力状态的主要影响因素，得出以下主要结论。

图29 d6墩顶桥面板上缘应力对比 下载原图

图30 d6墩顶桥面板下缘应力对比 下载原图

(1)钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥的主梁是钢—混凝土组合结构，结构体系上既有连续梁的受力特征，又有V腿刚构桥的受力特征。其受力特点与常规的连续梁或V腿连续刚构桥并不完全相同，影响因素也不尽相同。
(2)根据钢—混凝土组合V腿刚构桥用压重法施工的特点，对V腿临时支撑的不同拆除时机进行了研究，发现V腿临时支撑越早拆越有利于桥面板中的应力水平，故最早宜在钢V腿与钢主梁形成整体后就立即拆除临时支撑。
(3)针对不同结构参数和施工参数展开对比分析，发现对于钢—混凝土组合连续梁—V腿连续刚构桥而言，V腿角度影响主梁中的应力，V腿角度存在一个最优值，当采用合适的V腿角度时，V墩墩顶两侧主梁的应力水平相当，可以在一定程度上改善主梁受力；在这个最合适V腿角度之外，无论是增大还是减小V腿角度，都会使得主梁在某一侧的应力变大。混凝土板应力对V腿角度并不敏感。
(4)跨中不同的压重对成桥挠度的影响程度有限。采用不同压重施工时，施工过程对成桥状态的钢主梁下翼缘应力影响不明显。跨中压重大小对成桥挠度的影响不大，而对墩顶附近钢主梁和混凝土桥面板的拉应力有明显影响。
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