湖南省長沙市瀏陽河洪山大橋為長沙市北二環(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)，是一種較為獨特的鋼一混凝土組合梁。為消除組合梁負彎矩區(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)力方法難以實現(xiàn)，洪山大橋采用了反變形預(yù)壓法，以減小二期荷載對混凝土橋面板產(chǎn)生的拉應(yīng)力。
 

    國內(nèi)外對于利用鋼梁的反變形對混凝土施加預(yù)應(yīng)力的研究鮮有報道，特別是對于大懸臂變截面鋼一混組合結(jié)構(gòu)，尚未見有現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的報道。本文根據(jù)設(shè)計要求，對洪山大橋施工過程進行了現(xiàn)場測試。并對測試結(jié)果進行了有限元數(shù)值模擬計算。

    1.施工程序與監(jiān)測方法

    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行壓重預(yù)彎。壓重量按單側(cè)一次壓重長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，對于鋼挑梁而言，因卸載時發(fā)生了部分變形恢復(fù)，故在卸載的同時產(chǎn)生反向應(yīng)力。對于混凝土板部分，由于加載時未與鋼挑梁聯(lián)成整體，不參與受力，而卸載時已是組合截面的一部分，此時會因鋼挑梁發(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，但這兩個階段產(chǎn)生的內(nèi)力一正一負，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)測方法

    為測試反變形預(yù)壓效果，在3根鋼挑梁頂板根部安裝焊接式應(yīng)變計(S1～S3)，以測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(c1～c5)，以測試根部現(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，在板內(nèi)埋設(shè)應(yīng)變計(P1～P5)，以測試在橋面板中間部位產(chǎn)生的壓應(yīng)變。根據(jù)測試數(shù)據(jù)可知鋼挑梁回彈后壓應(yīng)力沿橫橋向的分布情況；同時在鋼挑梁端部設(shè)立位移觀測點，以測試壓重下沉量和卸壓重回彈量。應(yīng)變測點平面布置如圖3所示。

2 有限元數(shù)值模擬分析

    組合橋面板的內(nèi)力計算問題，特別是組合梁混凝土橋面板的內(nèi)力計算問題，一直是各國工程界普遍關(guān)心的問題，在有關(guān)組合梁的參考文獻中，通常采用簡化計算方法進行分析，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，對于洪山大橋組合懸臂梁來說，由于其施工特點，形成組合截面有個時間過程，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 實測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

    應(yīng)變和位移實測結(jié)果如表1、表2所示，可見實測的應(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測結(jié)果比理論計算值要小。
 

4 結(jié)語

    理論計算和實測結(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，采用反變形預(yù)壓法對混凝土進行預(yù)壓，能夠取得較好的效果。但抗剪連接構(gòu)造、混凝土徐變等對預(yù)應(yīng)力分布規(guī)律的影響還有待于進一步研究。