无应力状态法在港珠澳大桥钢-混组合梁中的应用分析

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摘要：自重荷载作用下的简支钢-混组合梁在一次成形和分阶段成形虽然两种状态的结构体系、荷载、边界条件都一致，但是竖向挠度却不相同。本文将对一次成形和分阶段成形和应用无应力状态法分阶段成形的钢-混组合结构进行挠度比较分析，根据分析结果，进而在工厂施工预制阶段将选择无应力状态法（胎膜）使钢-混组合梁分阶段成形的无应力状态量与一次成形结构一致，以保证简支状态的组合梁挠度变形向理想目标（一次成形）状态的位移变形逼近。

关键词：无应力状态法；无应力长度；无应力曲率；钢-混组合梁

中图分类号： F416.31 文献标识码： A 文章编号：

Abstract: Although structural system, loads, boundary conditions of simply supported steel-concrete composite beams which under the conditions of the primary molded and phased molded are the same, but the vertical deflection is not the same under self-weight loads. This article had a comparative analysis of steel-concrete composite structure under the conditions of the primary molded & phased molded and unstressed state law in phases molded, according to the analysis results, from the prefabricated stage on, unstressed state length and curvature(membranes) in phases molded of steel-concrete composite beams consistent with the condition of the primary molded which to ensure the simply supported composite beam deflection& deformation approximate with the target state of primary molded.

Key words：Unstressed state law ；Unstressed length；Unstressed curvature；Steel-concrete composite beam

0 引言

上世纪60年代至70年代大规模兴起的桥梁分阶段施工技术在很大程度上丰富了桥梁上部结构的建造方法,促进了桥梁技术的发展。分阶段施工桥梁一个比较大的难题就是桥梁施工过程和由这一过程形成的成桥状态的结构分析问题，经典力学的结构分析方法是不考虑结构的形成过程的。传统的分阶段施工桥梁分析方法通过分阶段计算出的结构内力和位移的数值累加建立起过程状态和最终成桥恒载状态的联系,解决过程状态的效果较差。本文以港珠澳大桥九州航道桥以西潜水区非通航孔桥6×85m钢-混组合连续梁桥为背景，结合中铁大桥局总工秦顺全提出的解决桥梁分阶段施工理论控制方法——无应力状态法，以解决分阶段施工制作成形的钢-混组合梁在简支状态自重荷载工况下的挠度与一次成形结构一致。

1 概述

该体系为简支变连续结构，取简支状态中跨M粱段（如图1-1）为分析对象，该粱段

为钢-混组合梁，钢箱梁采用Q345qD钢材，桥面板采用C60混凝土预制桥面板(工厂存放6个月后安装)，其中墩顶两端各约12m范围内的桥面板为体系转换后顶升墩顶钢箱梁的后浇带，待混凝土达到设计强度后，张拉纵向预应力筋。

注：在本文只想说明无应力状态法分阶段施工组合梁的变形与一次成桥一致，为了方便分析，分析时不予考虑组合梁的预拱度，即预拱度为零，现场施工时需将胎膜按预拱度线形制作，本文胎膜为平直现形。

图1-1 M粱段

Fig1-1. M beam segment

2 有限元建模

本粱段采用midas/civil 2010来建立模型，该模型主梁划分为100个单元（1～100单元），桥面板划分为38个单元（101～138单元），桥面板与钢箱梁采用弹性连接中的刚性连接，这里弹性连接模拟的是剪力钉的作用。建模过程中考虑时间依存效应，即考虑收缩徐变，用混凝土材龄为180天来模拟混凝土桥面板存放6个月时间。本文只做简支阶段的变形分析，所以整个施工过程荷载仅考虑自重。本文分别建立3个模型来模拟一次成形结构，分阶段成形结构，用无应力状态法成形结构，进而来说明采用无应力状态法使分阶段成形钢-混组合梁结构挠度向理想目标成形结构（一次成形结构）逼近。

3 一次成形组合梁简支状态挠度计算

经典的结构分析方法是不考虑结构的形成过程的,或者说经典力学的分析方法是在已经形成整体的结构（一次成形结构）上施加外荷载,计算桥梁结构内力和变形的响应。在midas/civil 2010中用一个阶段来模拟组合梁的一次成形（图3-1）。即钢箱梁和混凝土板在一个阶段中同时激活，同时所有内约束和外约束都在这个阶段激活直接形成钢-混组合梁简支状态。

图3-1 一次成形组合梁

Fig3-1. Forming a composite beam

图3-2 一次成形组合梁变形

Fig3-2. A forming deformation of composite beams

表3-1 一次成形组合梁挠度

Table3-1Forming a composite beam deflection

经有限元分析软件计算，提取计算结果得图3-2和表3-1，由图表知一次成形组合梁段简支状态在自重荷载工况作用下跨中最大位移为165.187mm。

注：在分析提取数据时，仅提取关键节点四分点（节点25、节点75），八分点（节点13、节点87），跨中节点51。（下同）

一次成桥固然为理想目标状态，但是考虑到本工程为海中桥隧工程，其中浅水区组合梁桥长约6公里，深水区15.9公里。若采用满堂支架或顶推法来完成一次成桥显然是不现实的，进而就会采用分阶段成桥，即先架设钢箱梁然后再拼装预制桥面板，分两个阶段来完成钢-混组合梁的简支状态。

4 分阶段成形组合梁简支状态挠度计算

由于港珠澳大桥的施工环境的限制，不能完成一次成形的理想目标状态。从而采用分阶段成桥，先架设钢箱梁使其处于简支状态，然后直接在钢箱梁上拼装预制桥面板，钢箱梁和桥面板等前期恒荷载由钢箱梁来承担，在midas/civil 2010中用2个阶段来模拟组合梁的分阶段成形。即先架设钢箱梁（图4-1）处于简支状态，然后连接混凝土预制桥面板（图4-2）。

图4-1 钢箱梁

Fig4-1. Steel box girder

图4-2 预制桥面板

Fig4-2. Prefabricated bridge deck

图4-3 分阶段组合梁变形

Fig4-3. Deformation of composite beams in stages

表4-1 分阶段组合梁挠度

Table 4-1Composite beam deflection in stages

经有限元分析软件计算，提取计算结果得图4-3和表4-1，由图和表知分阶段成形钢-混组合梁简支状态在自重荷载工况作用下跨中最大位移为-242.467mm。

图4-4 一次成形与分阶段成形挠度比较

Fig4-4. A forming compared with forming deformation in stages

经过计算分析对比一次成形和分阶段成形的组合梁竖向挠度得图4-4，由图知一次成形与分阶段成形的组合梁在竖向位移上有很大差距，分阶段成形竖向位移明显大于一次成形结构产生的竖向位移。

根据以上分析，可见一次成形结构和分阶段成形的钢-混组合梁结构虽然两种状态的结构体系、荷载、边界条件都一致，但是在自重荷载下产生的竖向位移却不相同。传统的力学解释是：结构最终内力、线形和形成过程有关。而根据无应力状态法的理论[2]，一次成形结构和分阶段成形结构最终状态不一致是因为两者无应力状态量不一致造成的，因此我们将应用由秦顺全提出的无应力状态法来保证组合梁在分阶段成形时的无应力长度和无应力曲率，进而使分阶段成形组合梁的变形向理想目标状态（一次成形）逼近。

5 无应力状态法的应用

为了保证无应力状态量与一次成桥的一致，在港珠澳大桥钢-混组合梁施工制作中采取钢箱梁构件在拼装车间拼装胎膜（使钢箱梁处于无应力状态）完成拼装、检测、喷涂等作业工序后，梁段拼装采用多梁段连续匹配组焊和预拼装同时完成的工艺方法。先在拼装胎膜上按照底板隔板腹板的顺序拼装分段，分段涂装完成后再进行大节段拼接，最后进行混凝土桥面板与钢梁叠合，这样钢箱梁与桥面板完全连接后拆除胎膜时，钢箱梁与预制桥面等恒荷载由组合梁承担。

在用有限元软件模拟无应力状态分阶段成形时，第一个阶段中在每个钢箱梁单元的节点上施加竖向约束条件来模拟胎膜以保证钢箱梁处于无应力状态，进而保证了钢箱梁没有变形，即保证了混凝土板的无应力状态量与一次成桥保持一致。第二个阶段连接预制混凝土板，第三个阶段钝化节点上的竖向约束来模拟脱模。

图5-1 满堂支架的架设

Fig5-1. Full framing construction

由参考文献[3]知，分阶段成形结构平衡方程

由图5-1知，胎膜上的钢箱梁在自重荷载作用下的变形为零，即L0=0。因此在无应力胎膜上拼装的钢箱梁保证了与一次成桥时下一阶段预制混凝土板（图5-2）的无应力长度和无应力曲率的一致。

图5-2 预制桥面板

Fig5-2. Prefabricated bridge deck

表5-1 无应力状态法分阶段组合梁变形

Table5-1 No stress state method in stages deformation of composite beams

由表5-1和表3-1知，在胎膜上分阶段拼装的钢-混组合梁与一次成桥的变形一致。这也印证了无应力状态法的原理一：在一定的外荷载、结构体系、支承边界条件、单元的无应力长度和无应力曲率组成的结构, 其对应的结构内力和位移是惟一的,与结构的形成过程无关。

6 结语

无应力状态控制法用构件单元的无应力状态量建立起过程状态之间、过程状态与最终成桥状态的联系, 是确定分阶段施工桥梁结构过程状态与最终状态关系的方法。在组合梁的施工制作过程中，通过无应力状态法（胎膜）的使用，控制构件分阶段施工的无应力状态量与一次成形时结构的无应力状态量一致，从而达到分阶段施工形成钢-混组合梁的变形向目标状态（一次成桥）自动逼近，无应力状态法（胎膜）的应用使港珠澳大桥钢-混组合梁的变形与一次成桥一致。同时，无应力状态法（胎膜）的应用可以采用完全工厂整体制造，以减少现场施工作业量,制作完毕即可整体运输吊装，完成结构的简支状态，这样工厂并行施工制作大大缩短了施工工期，为港珠澳大桥的早日投入使用提供了可靠的方法。

参考文献(References)：

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