组合梁斜拉桥施工阶段桥面板防开裂技术研究

阮映辉，孙立鹏，杨岳华，马印平

(1.浙江台州市沿海高速公路有限公司，浙江 台州 318001；
2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；

3.浙江交投高速公路建设管理有限公司，浙江 杭州 310000)

钢-混凝土组合梁用混凝土桥面板代替了造价昂贵的正交异性钢桥面板，避免了钢桥面板疲劳开裂及铺装易损坏的问题，同时，混凝土承压比钢材更经济，因此，近年来组合梁在斜拉桥中得到广泛应用。

组合梁斜拉桥一般采用悬臂拼装法施工。悬臂拼装通常有两种方式：(1)散拼法[1-2]，即采用小吨位桥面吊机将钢构件、预制混凝土桥面板在桥位现场逐步拼装，最后浇注湿接缝。(2)整体吊装[3-4]，即将钢梁和混凝土桥面板在工厂完成连接，再将整个节段运至桥位处，采用大吨位桥面吊机进行节段整体吊装。组合梁斜拉桥的混凝土桥面板抗拉强度低，其受力对施工过程及工艺极其敏感，尤其采用节段整体吊装法施工时，由于吊装重量较大，在拉索锚固区产生的局部负弯矩明显大于散拼法施工，桥面板的受力状态更为不利。对于拉索锚固区附近的混凝土桥面板，既受到拉索对主梁的弹性支承引起的负弯矩，又处于拉索水平力的扩散区域，受力十分复杂，施工不当该部位极易开裂[5]。

林元培等[6]对加拿大Annacis桥的混凝土桥面板裂缝进行了现场调查，分析了该桥4类不同裂缝产生的原因并提出了相应对策。借鉴Annacis桥的经验，在后续国内组合梁斜拉桥的设计和施工过程中均采取了相应的措施以防止桥面板开裂。

在设计上，国内修建的大部分组合梁斜拉桥在混凝土桥面板内均设置了纵向预应力体系[7-8]，有效提高了桥面板的抗裂性。鳌江特大桥采用干湿混合接缝的新型桥面构造[9]，可实现在混凝土桥面板与钢横梁结合前施加横向预应力，横向预应力施加效率提高了约70%，可减少混凝土桥面板纵向开裂。福建青洲闽江大桥[10]采用了增加锚拉板处桥面板配筋和优化钢筋布置细节的方法，解决了锚拉板区桥面板开裂的问题。青海海黄大桥首次应用双边“上”字形钢板组合梁，避免了锚拉板处桥面板及普通钢筋的断开，锚固区没有出现开裂现象。清水浦大桥[11]的桥面板采用了纤维混凝土来提高抗裂性。

在施工上，南浦大桥施工过程中利用小三角架配合临时拉索给悬新吊装钢梁提供临时支承，待新梁段斜拉索安装并张拉后再撤去临时支承，避免了拉索锚固区桥面板的开裂[1]。杨浦大桥在施工中由4节段安装改为两节段安装，减少了悬臂重量并适当加强了接缝处的钢筋配置后，桥面板未再出现开裂现象[12]。望东长江公路大桥主桥在施工过程中提出一种基于节段全过程状态优化的上部结构装配化架设方法，采用斜拉索分次超张、退张法可优化节段施工全过程内力，解决了新梁段起吊对前序梁段引起的较大桥面板拉应力问题[13]。此外，为了减小混凝土收缩对桥面板受力的不利影响[14]，通常采用预制桥面板方案，并要求存梁期不少于6个月。

以上设计和施工措施对于采用散拼法施工的组合梁斜拉桥可以有效避免桥面板的开裂，但采用节段整体吊装法施工时，吊装梁段重量通常在400 t以上，吊装过程中拉索锚固区桥面板的开裂风险仍然很高。为此，本研究依托实际工程，考虑悬臂拼装施工过程，采用有限元法对组合梁斜拉桥拉索锚固区桥面板的应力状态及斜裂缝成因进行分析。提出“滞后浇注局部湿接缝”的施工技术措施来避免混凝土桥面板开裂，并分析该技术措施对拉索锚固区混凝土桥面板及其附近钢梁受力的影响，评估其实施效果。

某大桥为双塔双索面半漂浮体系钢-混组合梁斜拉桥，跨径布置为(85+145+488+145+85)m，边跨设置各一座辅助墩。1/2主梁横断面如图1所示。主梁采用分离式双边钢箱(PK式)组合梁，含风嘴全宽38.5 m，中心线处梁高3.5 m。中跨及次边跨标准梁段长10.5 m，边跨标准梁段长8.4 m。混凝土桥面板全宽34 m，中跨标准梁段桥面板标准厚度28 cm，在箱梁纵腹板及横隔板上翼缘处加厚至40 cm，边跨附近梁段混凝土板标准厚度加厚至40 cm。每个标准梁段等间距设置3道横隔板。横隔板在桥面吊机前支点作用处设有局部加强的加劲肋。

图1 1/2主梁横断面(单位：cm)Fig.1 Half cross-section of main girder(unit: cm)

钢梁及混凝土桥面板均在预制场完成预制，预制桥面板存放6个月后吊装搁置于钢梁上，在工厂内浇注湿接缝，形成组合梁后再存放2个月，然后船运至桥位现场进行悬臂拼装。梁段之间的混凝土桥面板采用一道现场湿接缝进行连接，钢梁采用焊接的形式进行连接。为在台风期之前实现合龙，主梁的悬臂拼装采用吊装两个梁段浇注一次工地湿接缝的施工方案以加快施工速度。

该大桥在悬臂拼装施工前期，部分拉索锚固区桥面板出现了斜裂缝。裂缝的主要特征如下：(1)每处拉索锚固区出现1条斜裂缝，裂缝长度在0.5～2.0 m。(2)裂缝走向与横桥向夹角在45°左右，夹角开口方向朝向桥塔。(3)裂缝通常出现在起吊梁段的过程中，并滞后2～3个梁段出现，即起吊i号梁段时，在i-2#或i-3#梁段的拉索锚固区出现裂缝。(4)裂缝的发展趋势为：在水平方向上，由锚箱处向主梁中心线斜向发展；
在梁高方向上，由混凝土桥面板顶面向底面发展，大部分裂缝为非贯通裂缝，个别裂缝在桥面板厚度方向上贯通。

针对某大桥在施工过程中拉索锚固区桥面板的开裂现象，本研究采用通用有限元软件ABAQUS建立了部分悬拼梁段的精细化混合单元有限元模型，对拉索锚固区混凝土桥面板的受力状态进行分析。

由于拉索锚固区混凝土桥面板的受力行为以局部效应为主，有限元分析中所选取的梁段范围对桥面板应力分布规律及受力分析结果影响不大，但应包含主梁循环悬臂拼装的各个标准施工工况。本节选取4个标准梁段(8#～11#梁段)进行建模计算，总长度为42 m，梁高为3.5 m。

2.1 单元类型及网格划分

组合梁节段的混合单元有限元模型如图2所示。混凝土桥面板采用C3D8R 8结点6面体减缩积分实体单元模拟，钢主梁、钢锚及风嘴箱采用S4R 4结点曲面减缩积分壳单元模拟，预应力钢束采用T3D2两结点线性三维桁架单元模拟，焊钉采用B31两结点空间线性梁单元模拟。桥面板厚度方向上划分5层网格以避免出现沙漏现象。对拉索锚固区附近的桥面板实体单元网格进行了局部细化处理。

图2 混合单元有限元模型Fig.2 Finite element model with hybrid elements

2.2 边界条件及相互作用

有限元模型的一端面耦合于一参考点，并将此参考点固结，模型的另一端为悬臂端，不施加多余约束。由于引起桥面板主拉应力的荷载主要为竖向及顺桥向荷载，根圣维南原理，固结边界对拉索锚固区应力的影响可以忽略[15-16]。考虑到主梁沿桥梁中心线对称，故只建立了一半模型并施加“对称”边界以提高计算效率。焊钉与钢梁顶板之间采用“绑定”约束，即将焊钉底部节点与临近的钢梁上翼缘节点自由度耦合。焊钉与混凝土桥面板之间及预应力钢束与混凝土桥面板之间均采用“埋入”约束，即将梁单元或桁架单元的节点与临近的实体单元节点自由度耦合。忽略钢梁与混凝土桥面板界面间的黏结和摩擦作用，只考虑界面法向二者之间的硬接触[17]。

2.3 荷载及计算工况

已拼装完成的悬臂端主梁所承受的荷载包括结构自重、拉索索力、预应力、吊机前支点反力(由被吊梁段自重产生)及吊机自重。将钢锚箱的锚垫板平面耦合于一参考点，便于施加斜拉索的索力，索力值由杆系计算模型中获得。每台桥面吊机自重取75 t(共2台)，其重心距离前支点约4.25 m，前、后支点间距约17.5 m。吊机前、后支点的反力根据吊机自重及起吊梁段自重(约430 t)计算得到，并以局部面荷载的形式施加于梁段相应位置。混凝土桥面板的预应力根据钢束的线膨胀系数换算为降温温度施加[5]。

有限元模拟应包含斜拉桥悬臂施工过程中混凝土桥面板受力最不利的工况，本研究根据实桥施工工艺，选择了5个连续的施工工况，分别为起吊11#梁段(工况1)、一张11#斜拉索(工况2)、浇注10#～11#梁段两条湿接缝并张拉预应力束(工况3)、桥面吊机前移并2张11#斜拉索(工况4)、起吊12#梁段(工况5)。

图3为8#～11#梁段在各工况下桥面板最大主拉应力和最大顺桥向正应力的位置示意图。由图3可知，在斜拉桥的组合梁悬臂拼装过程中，起吊新梁段工况(即工况1,5)为最不利施工工况。吊装梁段时，混凝土桥面板拉应力较大的部位主要有3处：(1)吊机前支点附近的桥面板底面。(2)待浇注的湿接缝与中腹板交点附近的桥面板底面。(3)是拉索锚固区的桥面板顶面。吊机前支点附近的桥面板底面拉应力较大主要是因为在有限元建模时，吊机前支点作用处的钢梁没有考虑局部加劲肋的支承作用，导致前支点处的混凝土桥面板出现了较大的局部变形。设计时考虑钢梁段在吊机前支点部位进行局部加强设计，适当布置加劲肋，即可避免此区域的混凝土桥面板开裂。以下主要对后两类易开裂部位进行分析。

图3 各工况最大主拉应力及正应力位置Fig.3 Position of maximum principal tensile stress and normal stress in each working condition

3.1 未浇注湿接缝附近的桥面板底面

吊装梁段过程中，在待浇注的湿接缝与中腹板交点附近的桥面板底面出现了较大的主拉应力。主要原因为前支点作用力较大，在待浇注的湿接缝附近产生较大的负弯矩，已形成组合梁的部位为组合截面承受负弯矩，而待浇注湿接缝部位为钢梁单独承受负弯矩，因而组合截面顶部的拉应力需从面积较大的混凝土板传递到面积很小的钢梁顶板，在截面突变处混凝土板底面出现了应力集中现象。

尽量减小组合截面与钢梁截面之间的界面特性差异，可使传力更平顺，有助于减小应力集中现象。在有限元模型中待浇注湿接缝的部位加入了普通钢筋，并与未考虑普通钢筋的情况进行对比。普通钢筋(纵向受力钢筋)采用桁架单元T3D2模拟，并“埋入”混凝土实体单元。经计算可知，考虑普通钢筋的作用后，待浇注湿接缝与中腹板交点附近的桥面板底面的主拉应力明显减小，最大主拉应力由8.94 MPa减小到3.28 MPa。因此，在起吊梁段前将待浇湿接缝处的纵向受力钢筋可靠连接，协助钢梁共同承受荷载，可以大幅度减小待浇湿接缝附近桥面板底面的主拉应力，避免其开裂。

3.2 拉索锚固区桥面板

取11#拉索锚固区附近的桥面板进行分析，其顶面应力分布如图4所示。由图4(a)可知，最大主拉应力为4.02 MPa，位于拉索理论锚点后方的桥面板顶面；
主拉应力大致沿与桥轴向45°夹角方向由板边缘向板中央扩散。由图4(b)可知，锚固区主拉应力方向与桥轴向夹角接近45°，裂缝走向垂直于主应力方向，与实桥开裂情况一致(图2)。由此可见，本研究采用的有限元模拟方法是可靠的。

图4 11#拉索锚固区桥面板应力Fig.4 Stress of bridge deck in cable No. 11 anchorage area

对拉索锚固区最大主拉应力点进行分析可知，引起拉索锚固区桥面板斜向开裂的应力主要包括两部分：顺桥向拉应力和桥面板平面内的剪应力。而顺桥向拉应力过大是由于起吊梁段在拉索锚固区产生了较大的负弯矩。

图5为8#～11#梁段工况五桥面板平面内剪应力云图。由图5可知，桥面板平面内剪应力具有3个特点：(1)桥面板顶、底面的剪应力方向相同，顶面剪应力最大，向底板逐渐减小。(2)横桥向上，边腹板处剪应力最大，向中腹板逐渐减小，中腹板至主梁中心线剪应力很小。(3)顺桥向上，拉索锚固点后最大，远离锚固点逐渐减小。分析以上特点可知，拉索锚固区桥面板面内剪应力较大的原因为：斜拉索的水平力传递给主梁时，以一定的角度从拉索锚固区向桥面板中部扩散，而轴力在桥面板内是以剪应力的方式进行传递的，轴力扩散最快的区域面内剪应力最大，该剪应力导致拉索锚固区附近的桥面板在面内出现了较大的主拉应力。

图5 桥面板平面内剪应力分布(单位：MPa)Fig.5 Shear stress distribution in plane of bridge deck(unit：MPa)

裂缝控制技术主要有“防”、“抗”、“放”3类方法[18]。“防”即防止出现引起混凝土开裂的荷载，如减小起吊重量。“抗”即通过提高结构的抗力来抵抗开裂荷载，如使用抗拉强度更高的钢纤维混凝土。“放”即通过合理的措施释放潜在开裂区域的内力，如本研究提出的“滞后浇注局部边腹板湿接缝”的技术措施，其原理为：滞后浇注拉索锚固区附近的局部边腹板湿接缝，避免起吊梁段过程中的不利荷载传递给拉索锚固区附近的混凝土桥面板。某大桥滞后浇注的局部湿接缝尺寸及实桥照片如图6所示。

图6 滞后现浇缝(单位：cm)Fig.6 Delayed cast-in-place joints (unit: cm)

为了验证该技术措施的效果，采用有限元法分析该措施对混凝土桥面板及钢梁受力的影响，评估施工安全性。选取3#～8#梁段建立有限元模型，将3#梁段端部固结，其他梁段不设置多余约束。有限元模型1按照原施工方案浇注所有湿接缝，模型2滞后浇注3#～8#梁段拉索锚固区附近的局部边腹板湿接缝。选取对拉索锚固区桥面板受力最不利的“起吊9#梁段”工况进行计算分析。

4.1 桥面板应力分析

3#拉索锚固区受固结端的影响，受力与真实情况差异较大，故只分析4#～8#拉索锚固区应力。从理论锚点沿45°方向提取拉索锚固区桥面板顶面主拉应力绘制于图7。由图7可知，“滞后浇注局部湿接缝”的措施可使锚固区内的主拉应力水平普遍降低，4#～8#拉索锚固区桥面板最大主拉应力降低0.7～2.0 MPa。可见，该技术措施避免了起吊梁段过程中的荷载传递给拉索锚固区附近的混凝土桥面板，降低了该区域桥面板主拉应力，有利于减小后续施工阶段的拉应力累积，从而避免拉索锚固区混凝土桥面板的开裂。

图7 拉索锚固区桥面板主拉应力Fig.7 Principal tensile stress of bridge deck in cable anchorage area

提取模型1，2各拉索锚固区桥面板顺桥向正应力、横桥向正应力及面内剪应力的最大值绘制于图8。由图8(a)可知，除8#拉索锚固区外，4#～7#拉索锚固区桥面板最大顺桥向拉应力降低了0.3～1.0 MPa。由于与吊机前支点处于同一横断面，顺桥向负弯矩变化很小，故8#拉索锚固区桥面板顺桥向应力变化不大。由图8(b)可知，5#～8#拉索锚固区桥面板最大横桥向正应力降低0.2～0.3 MPa。由图8(c)可知，桥面板面内剪应力基本无变化。可见，该技术措施对桥面板面内剪应力基本无影响，主要是通过减小拉索锚固区桥面板的弯曲应力来避免其开裂。

图8 拉索锚固区桥面板最大应力对比Fig.8 Comparison of maximum stresses of bridge deck in cable anchorage area

另外，在与拉索锚固横梁相邻的一道横梁与边腹板交点附近，混凝土桥面板底面出现应力集中现象，如图9所示。由图9可知，起吊9#梁段时，8#梁段该处主拉应力达3.77 MPa。这是因为拉索水平力通过边腹板直接传递给锚固横梁后面的一道非锚固横梁，又通过焊钉将拉索水平力传递给桥面板，滞后浇注的边腹板湿接缝造成桥面板截面突变，导致此处出现应力集中现象。随着后续梁段的拼装及斜拉索的张拉，主梁压应力储备不断增加，此处的主拉应力将逐渐降低，不会影响结构的安全性及耐久性。

图9 桥面板底面应力集中位置(单位：MPa)Fig.9 Stress concentration position on bottom of bridge deck(unit：MPa)

4.2 钢梁应力分析

滞后浇注边腹板处局部湿接缝可能导致该部位钢梁受力增加，甚至影响结构施工安全。图10为4#～8#拉索锚固区钢梁顶板和边腹板的最大Mises应力对比。由图10可知，与原施工方案相比，钢梁顶板应力峰值有所减小，边腹板应力峰值略有增大，但变化均较小。可见，滞后浇注局部湿接缝的技术措施对钢梁受力影响较小，可保证施工过程中结构的安全性。

图10 4#～8#拉索锚固区钢梁最大Mises应力对比Fig.10 Comparison of maximum mises stresses of steel girder in cable No.4 to No.8 anchorage area

以上计算分析表明了该方法对锚固区混凝土桥面板的拉应力控制效果良好。

起吊梁段时，被吊梁段的大部分自重由悬臂端的2对斜拉索分担，其索力值增加幅度较大，则悬臂端对应的2个梁段的拉索锚固区桥面板主拉应力增量也最大。因此，边腹板处的局部湿接缝可滞后2个梁段浇注，即在浇注第i号和第i-1#梁段的工地现浇缝时，一起浇注第i-2#和第i-3#滞后现浇缝。某大桥在施工过程中采取了上述“滞后浇注局部湿接缝”的技术措施后，拉锚固区桥面板没有再出现开裂现象。需要注意的是，采取本研究提出的锚固区现浇缝滞后浇注措施，虽然可减小锚固区桥面板施工阶段的拉应力，但也会影响成桥阶段桥面板应力分布及应力峰值，导致结构整体计算与实际情况有所偏差，在设计阶段如何合理地考虑其影响还需展开深入研究。

本研究以某采用节段整体吊装法施工的组合梁斜拉桥为工程背景，对悬臂拼装阶段混凝土桥面板的受力状态进行分析，并提出了相应的防开裂措施。研究结论如下：

(1)采用节段整体吊装法施工的组合梁斜拉桥，当每2个节段浇注一次桥面板湿接缝时，在起吊新梁段之前，先将待浇湿接缝处的纵向受力钢筋进行可靠连接，使其与钢梁共同承受荷载，可避免湿接缝附近混凝土桥面板的开裂。

(2)拉索锚固区桥面板产生斜裂缝的主要原因有两点：一是悬臂施工在拉索锚固区产生了较大的负弯矩；
二是斜拉索的水平力传递给主梁时，以一定的角度从拉索锚固区向桥面板中部扩散，轴力扩散最快的区域面内剪应力最大，该剪应力导致拉索锚固区附近的桥面板出现较大的主拉应力。

(3)滞后浇注边腹板局部湿接缝有助于降低拉索锚固区附近混凝土桥面板的主拉应力，有效避免桥面板在施工过程中开裂，并保证结构在施工过程中的安全性。