１ 引言
钢—混凝土组合连续梁是一种将钢梁与混凝土桥面板通过特定的连接形式连接成整体后形成组合截面而共同受力的连续结构形式。这种结构形式主要优势如下。（１）相对于纯钢梁更能发挥材料受力性能，采用较小截面的钢梁而获得较大的截面惯性矩，从而增加结构刚度、减小荷载挠度。（２）混凝土桥面板对钢梁受压翼缘存在约束作用，可以改善钢梁稳定性，从而使钢梁强度得到充分发挥。（３）钢梁工厂制作现场拼装，混凝土桥面板浇筑时利用已有钢梁作为模板分段浇筑，省去了预制桥面板运输安装过程，施工便捷。（４）随着截面高度的下降，结构外观更加纤巧，增加桥下净空的同时改善了景观效果［１］。
但是，钢—混凝土组合连续梁在正弯矩作用下有效宽度范围内混凝土桥面板作为组合梁的翼板处于受压状态，而在负弯矩作用下则处于受拉状态，因混凝土抗拉强度低，混凝土会因承受过大的拉应力而开裂，使结构耐久性受到影响。因此，混凝土桥面板应力分析控制是钢—混凝土组合连续梁设计的关键难点之一。
２ 背景工程概况
四川省巴中市麻柳湾大桥为跨越巴河而设，全桥上部结构采用（２×２０ｍ＋２２ｍ＋１８ｍ）预应力混凝土连续箱梁＋（５５ｍ＋９０ｍ＋５５ｍ）变截面钢混组合连续梁＋３×２０ｍ预应力混凝土连续箱梁；下部结构主桥采用拱门形墩接承台桩基础，引桥采用柱式墩桩基础，桥台为桩板式桥台。桥型布置见图１。
３ 主梁桥面板构造特点
对混凝土桥面板的分析，其关键边界条件之一为钢—混凝土之间连接形式。连接形式选取时需考虑结构受力性能的要求、施工条件及结合面的受力特点等因素。考虑负弯矩对结构的影响，采取何种施工方式形成组合截面，进而确定钢—混凝土之间连接形式对混凝土桥面板应力控制将极为重要。组合截面形成的方式常用的有以下几种。
（１）加载配重法：利用钢梁的弯曲变形恢复性能，首先浇筑正弯矩区的混凝土桥面板，待达到设计强度后加载配重；然后浇筑负弯矩区的混凝土桥面板，达到设计强度后撤去配重。
（２）支座顶升法：将中间支座上的钢梁预先抬升，然后浇筑桥面板，待混凝土达到设计强度后落架。
（３）负弯矩区配置纵向预应力筋，按预应力施加的时间顺序分为两种。
①桥面板与钢梁已组合后施加纵向预应力，该方法能够有效地施加预应力，减小钢梁截面，但在组合后施加的预应力一部分将被钢梁分担，施加的压力比较大，施工周期相对较长。
②桥面板与钢梁组合前施加纵向预应力，通常采用焊钉群的方式：把几个剪力钉以较小的距离集中设置以形成群体，再以较大的距离把剪力钉群设置在翼缘长度方向上，浇筑桥面板混凝土时，剪力钉群处预留孔洞，待全桥预应力施加完后再用无收缩砂浆填充剪力钉群处的预留孔，使钢梁和混凝土桥面板共同发挥作用。该方法在桥面板上能有效地施加预应力，并且钢梁不会因预应力的施加而产生附加应力，对于现场浇筑或预制桥面板均适用，还能减小混凝土收缩徐变对桥面板应力的影响［２］。
对于麻柳湾大桥而言，因主跨９０ｍ 跨径较大，仅采用加载配重法或支座顶升法很难控制负弯矩区桥面板混凝土拉应力，且桥梁跨越巴河，综合考虑施工等各方面因素，本桥采用了预留焊钉群孔洞，桥面板与钢梁形成组合截面前施加纵向预应力的方式。
主梁全宽２８ ｍ，跨中高度（含桥面板高度）２．９ｍ，支点高度４．９ｍ，梁体高度按二次抛物线变化，主梁断面如图２所示。钢梁采用三箱单室变高度Ｕ 形断面，箱内外设置横向联系隔板，将３个单箱连成整体结构，以保证偏载作用下各钢梁受力均衡，避免桥面板纵向开裂。桥面板采用Ｃ５０无收缩混凝土，厚度为１８～４０ｃｍ，悬臂长２．５ｍ，在钢梁上顺桥向分４个节段浇筑施工，第一节段为中墩两侧各１５ｍ，第二、三节段均为１２ｍ，边跨第四节段１５．９ｍ，中跨第四节段１２ｍ。
焊钉群预留孔尺寸为４３０ｍｍ×５００ｍｍ，预留孔在钢梁长度方向上距离为１００ｍｍ，每个剪力钉群用２４根焊钉按４行６列排立，纵桥向间距为１１０ｍｍ，横桥向间距为８０ｍｍ，剪力钉采用２２圆头焊钉，高２００ｍｍ（如图３所示）。非孔洞位置夹垫１ｃｍ厚橡胶垫片。
４ 空间有限元计算
４．１ 模型总体概况
（１）计算模型。
运用ＳＡＰ２０００软件建立有限元模型。以桥面中线为对称中线，取半桥建立模型，中线位置处的单元约束其横桥向水平自由度Ｕｙ、纵轴转动自由度Ｒｘ及竖轴转动自由度Ｒｚ，按照施工方案进行逐级加载，得到桥面板的应力结果，三维有限元模型如图４和图５所示。
该三维有限元模型使用了实体单元、壳单元和连接单元等。混凝土桥面板采用实体单元模拟，钢箱梁顶板、腹板、底板及横隔板等均采用壳单元模拟，纵向钢束采用预应力筋单元模拟。
因实体单元节点仅具有三个线位移自由度，只传递力无法传递弯矩，而壳单元节点有六个自由度，各节点间因剪力不同而产生弯矩，则混凝土桥面板实体单元与钢箱梁顶板壳单元存在自由度不协调问题，故模型通过在两者间建立连接单元以解决此问题。具体有以下两种连接单元（见图６所示）。
①剪力钉群采用连接单元模拟，该连接单元上节点位于桥面板孔洞部分实体单元质心处，下节点位于钢梁顶板壳单元节点处，并通过换算剪力钉群竖向支撑和纵横向抗推刚度得到连接单元三个方向的Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚ，因该单元仅有三个方向线自由度，则传递给与之连接的壳单元也仅有力而没有弯矩，故将该连接单元上节点与孔洞部分实体单元下部四个节点间建立刚性连接，以保证各种效应的有效传递。②因剪力钉群预留孔洞为钢束张拉完成后浇筑区域，考虑张拉钢束过程中桥面板非孔洞部分与钢梁间无黏结，设计时在两者间设置一层橡胶垫片，以减小张拉过程中钢梁对桥面板的约束作用，从而减小约束作用产生的预应力损失。为考虑橡胶垫片对桥面板单元的支撑作用，模型采用仅具有轴向刚度的连接单元模拟橡胶垫片，轴向刚度为橡胶垫片的抗压刚度。
总体有限元模型共有实体单元４ ８４８个，壳单元８ ０８０个，橡胶垫片连接单元２ ４００个，剪力钉连接单元６００个。
（２）计算荷载。
①二期恒载。
因桥面板采用实体单元模拟，故铺装、人行道及栏杆等二期恒载均以面压力施加给桥面单元，如表１所示。
②结构整体温度变化按±２５℃考虑。
③混凝土徐变按降温１５℃考虑。
④汽车荷载采用公路—Ⅰ级，按照《公路桥涵设计通用规范》规定，考虑多车道汽车荷载横向折减系数。
４．２ 计算结果分析
（１）施工阶段桥面板应力结果。
施工阶段模拟：架设钢梁→节段１浇筑（张拉钢束Ｎ１）→节段２浇筑（张拉钢束Ｎ２）→节段３浇筑（张拉钢束Ｎ３）→合龙节段４浇筑（张拉钢束Ｎ４、Ｎ５）→浇筑预留孔洞→钢梁落架→施工二期恒载→收缩徐变。
各施工阶段桥面板应力计算结果（图略）。
综合各施工阶段桥面板应力结果，汇总应力变化趋势如图７所示。
（２）使用阶段桥面板应力结果。
使用阶段汽车荷载作用下桥面板应力结果：
升温作用（１．０×恒载＋０．７×汽车荷载＋１．０×升温）桥面板应力结果为中支点位置σ＝－４．３５ＭＰａ，跨中位置σ＝－５．８５ＭＰａ；
降温作用（１．０×恒载＋０．７×汽车荷载＋１．０×降温）桥面板应力结果为中支点位置σ＝－５．２９ＭＰａ，跨中位置σ＝－８．８４ＭＰａ。
（３）结果分析。
从应力结果可以看出如下。
①在钢梁落架前，中支点位置桥面板单元，随着预应力束逐阶段张拉，整体压应力逐渐增加，至钢束张拉完成阶段中支点位置桥面板单元压应力为１４．４７ＭＰａ，满足规范要求。
②钢束张拉完成且预留孔洞内混凝土浇筑完成后，钢梁落架，因梁体自重作用，中支点附近负弯矩加剧，使中支点位置桥面板单元压应力减小为１１．９ＭＰａ；随着二期恒载的施加及收缩徐变的作用，中支点位置桥面板单元压应力进一步减小，至成桥阶段中支点位置桥面板单元压应力为９．３ＭＰａ，满足规范要求。
③因桥面板预留孔洞，在钢束张拉时桥面板孔洞周围的单元相对于远离孔洞的单元存在应力滞后效应，其压应力相对较小，至钢束张拉完成阶段中支点位置桥面板孔洞周围单元压应力为７．２２ＭＰａ。钢梁落架后，在梁体自重、二期恒载及收缩徐变等作用下，桥面板孔洞周围单元压应力进一步减小，至成桥阶段中支点位置孔洞周围单元压应力为１．９ＭＰａ。
④因预留孔洞周围压应力储备较小，在后浇孔洞混凝土后，因混凝土收缩徐变作用及应力集中等因素，孔洞部分单元存在一定拉应力，故设计时桥面板采用微膨胀混凝土，预留孔洞采用微膨胀砂浆浇筑，以保证先后浇筑混凝土有效黏结，改善整个桥面板混凝土应力水平。
５ 结语
本文通过建立桥梁三维有限元模型，计算结果表明结构总体受力合理，混凝土桥面板应力水平控制适当。
（１）桥面板剪力钉预留孔洞附近应力较为不利，远离孔洞位置应力结果较好。
（２）因三维实体模型需将截面离散，其结果与杆系模型存在一定差异，实体模型模拟的截面刚度较杆系模型小，实体模型桥面板中同一截面不同位置应力存在一定差别，应力集中现象突出。
（３）通过对剪力钉群和橡胶垫片的连接单元模拟可知，钢—混凝土组合连续梁采用分段浇筑并后浇剪力钉群预留孔洞的方式，能有效地对混凝土桥面板施加预应力，且钢梁不会因预应力的施加而产生附加应力，很好地发挥材料各自的性能，节约工程规模，提高工程质量。
（４）因背景工程跨越河流，受施工条件限制，采用了组合截面形成后一次落架的施工方案，若施工条件允许，可采取组合截面形成前后两次落架，调整桥面板和钢梁承担自重的比例，将取得更好效果。
钢—混凝土组合连续梁是一种将钢梁与混凝土桥面板通过特定的连接形式连接成整体后形成组合截面而共同受力的连续结构形式。这种结构形式主要优势如下。（１）相对于纯钢梁更能发挥材料受力性能，采用较小截面的钢梁而获得较大的截面惯性矩，从而增加结构刚度、减小荷载挠度。（２）混凝土桥面板对钢梁受压翼缘存在约束作用，可以改善钢梁稳定性，从而使钢梁强度得到充分发挥。（３）钢梁工厂制作现场拼装，混凝土桥面板浇筑时利用已有钢梁作为模板分段浇筑，省去了预制桥面板运输安装过程，施工便捷。（４）随着截面高度的下降，结构外观更加纤巧，增加桥下净空的同时改善了景观效果［１］。
但是，钢—混凝土组合连续梁在正弯矩作用下有效宽度范围内混凝土桥面板作为组合梁的翼板处于受压状态，而在负弯矩作用下则处于受拉状态，因混凝土抗拉强度低，混凝土会因承受过大的拉应力而开裂，使结构耐久性受到影响。因此，混凝土桥面板应力分析控制是钢—混凝土组合连续梁设计的关键难点之一。
２ 背景工程概况
四川省巴中市麻柳湾大桥为跨越巴河而设，全桥上部结构采用（２×２０ｍ＋２２ｍ＋１８ｍ）预应力混凝土连续箱梁＋（５５ｍ＋９０ｍ＋５５ｍ）变截面钢混组合连续梁＋３×２０ｍ预应力混凝土连续箱梁；下部结构主桥采用拱门形墩接承台桩基础，引桥采用柱式墩桩基础，桥台为桩板式桥台。桥型布置见图１。
３ 主梁桥面板构造特点
对混凝土桥面板的分析，其关键边界条件之一为钢—混凝土之间连接形式。连接形式选取时需考虑结构受力性能的要求、施工条件及结合面的受力特点等因素。考虑负弯矩对结构的影响，采取何种施工方式形成组合截面，进而确定钢—混凝土之间连接形式对混凝土桥面板应力控制将极为重要。组合截面形成的方式常用的有以下几种。
（１）加载配重法：利用钢梁的弯曲变形恢复性能，首先浇筑正弯矩区的混凝土桥面板，待达到设计强度后加载配重；然后浇筑负弯矩区的混凝土桥面板，达到设计强度后撤去配重。
（２）支座顶升法：将中间支座上的钢梁预先抬升，然后浇筑桥面板，待混凝土达到设计强度后落架。
（３）负弯矩区配置纵向预应力筋，按预应力施加的时间顺序分为两种。
①桥面板与钢梁已组合后施加纵向预应力，该方法能够有效地施加预应力，减小钢梁截面，但在组合后施加的预应力一部分将被钢梁分担，施加的压力比较大，施工周期相对较长。
②桥面板与钢梁组合前施加纵向预应力，通常采用焊钉群的方式：把几个剪力钉以较小的距离集中设置以形成群体，再以较大的距离把剪力钉群设置在翼缘长度方向上，浇筑桥面板混凝土时，剪力钉群处预留孔洞，待全桥预应力施加完后再用无收缩砂浆填充剪力钉群处的预留孔，使钢梁和混凝土桥面板共同发挥作用。该方法在桥面板上能有效地施加预应力，并且钢梁不会因预应力的施加而产生附加应力，对于现场浇筑或预制桥面板均适用，还能减小混凝土收缩徐变对桥面板应力的影响［２］。
对于麻柳湾大桥而言，因主跨９０ｍ 跨径较大，仅采用加载配重法或支座顶升法很难控制负弯矩区桥面板混凝土拉应力，且桥梁跨越巴河，综合考虑施工等各方面因素，本桥采用了预留焊钉群孔洞，桥面板与钢梁形成组合截面前施加纵向预应力的方式。
主梁全宽２８ ｍ，跨中高度（含桥面板高度）２．９ｍ，支点高度４．９ｍ，梁体高度按二次抛物线变化，主梁断面如图２所示。钢梁采用三箱单室变高度Ｕ 形断面，箱内外设置横向联系隔板，将３个单箱连成整体结构，以保证偏载作用下各钢梁受力均衡，避免桥面板纵向开裂。桥面板采用Ｃ５０无收缩混凝土，厚度为１８～４０ｃｍ，悬臂长２．５ｍ，在钢梁上顺桥向分４个节段浇筑施工，第一节段为中墩两侧各１５ｍ，第二、三节段均为１２ｍ，边跨第四节段１５．９ｍ，中跨第四节段１２ｍ。
焊钉群预留孔尺寸为４３０ｍｍ×５００ｍｍ，预留孔在钢梁长度方向上距离为１００ｍｍ，每个剪力钉群用２４根焊钉按４行６列排立，纵桥向间距为１１０ｍｍ，横桥向间距为８０ｍｍ，剪力钉采用２２圆头焊钉，高２００ｍｍ（如图３所示）。非孔洞位置夹垫１ｃｍ厚橡胶垫片。
４ 空间有限元计算
４．１ 模型总体概况
（１）计算模型。
运用ＳＡＰ２０００软件建立有限元模型。以桥面中线为对称中线，取半桥建立模型，中线位置处的单元约束其横桥向水平自由度Ｕｙ、纵轴转动自由度Ｒｘ及竖轴转动自由度Ｒｚ，按照施工方案进行逐级加载，得到桥面板的应力结果，三维有限元模型如图４和图５所示。
该三维有限元模型使用了实体单元、壳单元和连接单元等。混凝土桥面板采用实体单元模拟，钢箱梁顶板、腹板、底板及横隔板等均采用壳单元模拟，纵向钢束采用预应力筋单元模拟。
因实体单元节点仅具有三个线位移自由度，只传递力无法传递弯矩，而壳单元节点有六个自由度，各节点间因剪力不同而产生弯矩，则混凝土桥面板实体单元与钢箱梁顶板壳单元存在自由度不协调问题，故模型通过在两者间建立连接单元以解决此问题。具体有以下两种连接单元（见图６所示）。
①剪力钉群采用连接单元模拟，该连接单元上节点位于桥面板孔洞部分实体单元质心处，下节点位于钢梁顶板壳单元节点处，并通过换算剪力钉群竖向支撑和纵横向抗推刚度得到连接单元三个方向的Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚ，因该单元仅有三个方向线自由度，则传递给与之连接的壳单元也仅有力而没有弯矩，故将该连接单元上节点与孔洞部分实体单元下部四个节点间建立刚性连接，以保证各种效应的有效传递。②因剪力钉群预留孔洞为钢束张拉完成后浇筑区域，考虑张拉钢束过程中桥面板非孔洞部分与钢梁间无黏结，设计时在两者间设置一层橡胶垫片，以减小张拉过程中钢梁对桥面板的约束作用，从而减小约束作用产生的预应力损失。为考虑橡胶垫片对桥面板单元的支撑作用，模型采用仅具有轴向刚度的连接单元模拟橡胶垫片，轴向刚度为橡胶垫片的抗压刚度。
总体有限元模型共有实体单元４ ８４８个，壳单元８ ０８０个，橡胶垫片连接单元２ ４００个，剪力钉连接单元６００个。
（２）计算荷载。
①二期恒载。
因桥面板采用实体单元模拟，故铺装、人行道及栏杆等二期恒载均以面压力施加给桥面单元，如表１所示。
②结构整体温度变化按±２５℃考虑。
③混凝土徐变按降温１５℃考虑。
④汽车荷载采用公路—Ⅰ级，按照《公路桥涵设计通用规范》规定，考虑多车道汽车荷载横向折减系数。
４．２ 计算结果分析
（１）施工阶段桥面板应力结果。
施工阶段模拟：架设钢梁→节段１浇筑（张拉钢束Ｎ１）→节段２浇筑（张拉钢束Ｎ２）→节段３浇筑（张拉钢束Ｎ３）→合龙节段４浇筑（张拉钢束Ｎ４、Ｎ５）→浇筑预留孔洞→钢梁落架→施工二期恒载→收缩徐变。
各施工阶段桥面板应力计算结果（图略）。
综合各施工阶段桥面板应力结果，汇总应力变化趋势如图７所示。
（２）使用阶段桥面板应力结果。
使用阶段汽车荷载作用下桥面板应力结果：
升温作用（１．０×恒载＋０．７×汽车荷载＋１．０×升温）桥面板应力结果为中支点位置σ＝－４．３５ＭＰａ，跨中位置σ＝－５．８５ＭＰａ；
降温作用（１．０×恒载＋０．７×汽车荷载＋１．０×降温）桥面板应力结果为中支点位置σ＝－５．２９ＭＰａ，跨中位置σ＝－８．８４ＭＰａ。
（３）结果分析。
从应力结果可以看出如下。
①在钢梁落架前，中支点位置桥面板单元，随着预应力束逐阶段张拉，整体压应力逐渐增加，至钢束张拉完成阶段中支点位置桥面板单元压应力为１４．４７ＭＰａ，满足规范要求。
②钢束张拉完成且预留孔洞内混凝土浇筑完成后，钢梁落架，因梁体自重作用，中支点附近负弯矩加剧，使中支点位置桥面板单元压应力减小为１１．９ＭＰａ；随着二期恒载的施加及收缩徐变的作用，中支点位置桥面板单元压应力进一步减小，至成桥阶段中支点位置桥面板单元压应力为９．３ＭＰａ，满足规范要求。
③因桥面板预留孔洞，在钢束张拉时桥面板孔洞周围的单元相对于远离孔洞的单元存在应力滞后效应，其压应力相对较小，至钢束张拉完成阶段中支点位置桥面板孔洞周围单元压应力为７．２２ＭＰａ。钢梁落架后，在梁体自重、二期恒载及收缩徐变等作用下，桥面板孔洞周围单元压应力进一步减小，至成桥阶段中支点位置孔洞周围单元压应力为１．９ＭＰａ。
④因预留孔洞周围压应力储备较小，在后浇孔洞混凝土后，因混凝土收缩徐变作用及应力集中等因素，孔洞部分单元存在一定拉应力，故设计时桥面板采用微膨胀混凝土，预留孔洞采用微膨胀砂浆浇筑，以保证先后浇筑混凝土有效黏结，改善整个桥面板混凝土应力水平。
５ 结语
本文通过建立桥梁三维有限元模型，计算结果表明结构总体受力合理，混凝土桥面板应力水平控制适当。
（１）桥面板剪力钉预留孔洞附近应力较为不利，远离孔洞位置应力结果较好。
（２）因三维实体模型需将截面离散，其结果与杆系模型存在一定差异，实体模型模拟的截面刚度较杆系模型小，实体模型桥面板中同一截面不同位置应力存在一定差别，应力集中现象突出。
（３）通过对剪力钉群和橡胶垫片的连接单元模拟可知，钢—混凝土组合连续梁采用分段浇筑并后浇剪力钉群预留孔洞的方式，能有效地对混凝土桥面板施加预应力，且钢梁不会因预应力的施加而产生附加应力，很好地发挥材料各自的性能，节约工程规模，提高工程质量。
（４）因背景工程跨越河流，受施工条件限制，采用了组合截面形成后一次落架的施工方案，若施工条件允许，可采取组合截面形成前后两次落架，调整桥面板和钢梁承担自重的比例，将取得更好效果。