湖南省長(zhǎng)沙市瀏陽河洪山大橋?yàn)殚L(zhǎng)沙市北二環(huán)線上的一座無背索斜塔斜拉橋，主梁橫斷面如圖1。橋中央為4．4 m(高)×7．0 m(寬)帶倒角矩形閉口鋼箱梁，順橋向每隔4 m設(shè)一道長(zhǎng)13．0 m的變截面箱形鋼挑梁，鋼挑梁上布置210 mm厚混凝土預(yù)制橋面板，橋面板與鋼挑梁之間用φ19 mm、間距為120 mm的栓釘聯(lián)結(jié)，通過剪力釘和現(xiàn)澆混凝土接縫聯(lián)結(jié)形成鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)主梁。順橋向混凝土橋面板與鋼箱梁共同承擔(dān)斜拉索水平分力，橫橋向混凝土橋面板與鋼挑梁形成承受負(fù)彎矩的大懸臂變截面鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)，是一種較為獨(dú)特的鋼一混凝土組合梁。為消除組合梁負(fù)彎矩區(qū)段混凝土的拉應(yīng)力，通?？刹扇∈┘宇A(yù)壓應(yīng)力的方法，如直接施加預(yù)應(yīng)力或利用鋼梁的反變形對(duì)混凝土施加預(yù)應(yīng)力等。由于預(yù)制橋面板采用直接施加預(yù)應(yīng)力方法難以實(shí)現(xiàn)，洪山大橋采用了反變形預(yù)壓法，以減小二期荷載對(duì)混凝土橋面板產(chǎn)生的拉應(yīng)力。
 

    國(guó)內(nèi)外對(duì)于利用鋼梁的反變形對(duì)混凝土施加預(yù)應(yīng)力的研究鮮有報(bào)道，特別是對(duì)于大懸臂變截面鋼一混組合結(jié)構(gòu)，尚未見有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的報(bào)道。本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)洪山大橋施工過程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬計(jì)算。

    1.施工程序與監(jiān)測(cè)方法

    1．1 反變形預(yù)壓施工程序

    鋼挑梁上鋪預(yù)制混凝土板后，將預(yù)制混凝土壓重塊通過軌道移至鋼挑梁端部進(jìn)行壓重預(yù)彎。壓重量按單側(cè)一次壓重長(zhǎng)24 m，前4 m單側(cè)每延米60 kN，后20 m單側(cè)每延米100 kN，總重量為4 480 kN，壓重塊橫橋向距橋中線15．25 m。然后用C50鋼纖維混凝土現(xiàn)澆預(yù)制混凝土板縱、橫向接縫。待現(xiàn)澆接縫混凝土結(jié)硬后，便將壓重移至下一壓重段。由于壓重的加載和卸載，最終使組合梁各處受到一個(gè)大小相等、方向相反的彎矩。因而，引起梁內(nèi)的應(yīng)力重分布，對(duì)于鋼挑梁而言，因卸載時(shí)發(fā)生了部分變形恢復(fù)，故在卸載的同時(shí)產(chǎn)生反向應(yīng)力。對(duì)于混凝土板部分，由于加載時(shí)未與鋼挑梁聯(lián)成整體，不參與受力，而卸載時(shí)已是組合截面的一部分，此時(shí)會(huì)因鋼挑梁發(fā)生向上的回彈變形而產(chǎn)生壓應(yīng)力，這就是所期待的預(yù)壓應(yīng)力，利用這一部分壓應(yīng)力抵消二期荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。各施工階段中的荷載情況如圖2所示。

   階段I：在懸臂鋼挑梁上鋪設(shè)預(yù)制混凝土板，預(yù)加壓重P，現(xiàn)澆縱、橫向濕接縫；

   階段Ⅱ：現(xiàn)澆接縫混凝土結(jié)硬后移走壓重，相當(dāng)于施加反向預(yù)壓力P；

   階段Ⅲ：成橋使用階段的二期恒載及活載。

   橋面板的內(nèi)力僅由鋼挑梁和橋面板完全聯(lián)結(jié)成為整體截面后在其上作用的荷載產(chǎn)生，即為階段Ⅱ和階段Ⅲ的疊加，但這兩個(gè)階段產(chǎn)生的內(nèi)力一正一負(fù)，利用階段Ⅱ?qū)炷廉a(chǎn)生的壓應(yīng)力抵消階段Ⅲ荷載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

    1．2 監(jiān)測(cè)方法

    為測(cè)試反變形預(yù)壓效果，在3根鋼挑梁頂板根部安裝焊接式應(yīng)變計(jì)(S1～S3)，以測(cè)試根部鋼挑梁頂板在壓重下的拉應(yīng)變和卸壓重后的壓應(yīng)變；在5根鋼挑梁現(xiàn)澆混凝土接縫根部安裝埋入式應(yīng)變計(jì)(c1～c5)，以測(cè)試根部現(xiàn)澆混凝土接縫在鋼挑梁回彈后的壓應(yīng)變；橋面板預(yù)制時(shí)，在板內(nèi)埋設(shè)應(yīng)變計(jì)(P1～P5)，以測(cè)試在橋面板中間部位產(chǎn)生的壓應(yīng)變。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可知鋼挑梁回彈后壓應(yīng)力沿橫橋向的分布情況；同時(shí)在鋼挑梁端部設(shè)立位移觀測(cè)點(diǎn)，以測(cè)試壓重下沉量和卸壓重回彈量。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)平面布置如圖3所示。

2 有限元數(shù)值模擬分析

    組合橋面板的內(nèi)力計(jì)算問題，特別是組合梁混凝土橋面板的內(nèi)力計(jì)算問題，一直是各國(guó)工程界普遍關(guān)心的問題，在有關(guān)組合梁的參考文獻(xiàn)中，通常采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法進(jìn)行分析，但這樣難以體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的空間整體性作用。本文采用空間有限元模擬分析施工階段Ⅱ?qū)μ袅旱念A(yù)壓效果，對(duì)于洪山大橋組合懸臂梁來說，由于其施工特點(diǎn)，形成組合截面有個(gè)時(shí)間過程，所以剛度不但在橫截面是逐漸變化的，而且隨著接縫混凝土的凝固，其剛度發(fā)生變化，最終才由組合截面受力。根據(jù)其受力特點(diǎn)和截面尺寸，采用殼單元模擬。為反映混凝土橋面板在整體空間作用下的預(yù)壓受力情況，按照實(shí)際結(jié)構(gòu)單側(cè)取7根挑梁、24 m混凝土橋面板建模(圖4)。
 

3 實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

    應(yīng)變和位移實(shí)測(cè)結(jié)果如表1、表2所示，可見實(shí)測(cè)的應(yīng)變結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好；但施工階段I壓重后挑梁的端部下沉量與階段Ⅱ卸壓重后的回彈量實(shí)測(cè)結(jié)果比理論計(jì)算值要小。
 

4 結(jié)語

    理論計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)鋼一混凝土組合梁的鋼梁受壓而混凝土受拉時(shí)，采用反變形預(yù)壓法對(duì)混凝土進(jìn)行預(yù)壓，能夠取得較好的效果。但抗剪連接構(gòu)造、混凝土徐變等對(duì)預(yù)應(yīng)力分布規(guī)律的影響還有待于進(jìn)一步研究。