机械连接预制钢-UHPC组合梁斜拉桥桥面板边缘错位机理与控制

《Engineering Structures》：Mechanisms and control of deck-panel edge misalignment in mechanically connected prefabricated steel-UHPC composite girder cable-stayed bridges

　　

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  非对称约束和即时组合作用导致桥面板错台。
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  递归公式量化横梁之间的变形耦合效应。
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  采用组合柔度法确定变形控制的顶升力。
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  在预拱补偿相等条件下，顶升力随γ增大而减小，随α增大而增大。

引言

钢-混凝土组合梁构件可进行预制和模块化拼装。桥面板与钢梁之间、相邻桥面板之间的连接是预制施工的关键环节[1]、[2]、[3]、[4]。根据连接机理，现有连接技术可分为混凝土湿接缝连接和机械连接[5]、[6]。湿接缝连接已得到广泛研究，提出了多种连接构造细节。其承载力通常足以满足设计要求[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。然而，湿接缝需要大量现场湿作业和较长养护期。因此，组合梁斜拉桥单个梁段的平均施工周期仍约为9–10天[12]。机械连接采用螺栓连接或焊接等方法，将混凝土桥面板与钢梁以及相邻桥面板之间快速连接。与湿接缝连接相比，机械连接可提供即时的组合作用。连接完成后，组合截面即可承受荷载，这显著提高了施工效率和结构完整性[13]、[14]、[15]。因此，机械连接已成为推进组合梁桥梁预制化的主要研究方向。

对于机械连接，Pathirana等人[16]开发了一种可拆卸钢-混凝土组合梁，采用盲螺栓作为桥面板与钢梁之间的剪力连接件。通过足尺试验评估了其弯曲性能。盲螺栓连接件提供的刚度、强度和延性与焊接栓钉类似，同时允许构件拆卸。Cui等人[17]提出了一种混凝土-钢连接器（CSL），用于连接相邻桥面板。进行了静力弯曲和疲劳试验。接缝开裂应力接近UHPC的抗拉强度，接缝抗弯承载力超过桥面板本身，疲劳不控制设计，因此接缝性能与整体现浇施工相当。Wang等人[14]提出了一种通过冷铆接形成的钢-混凝土组合连接器（SCCL），用于连接桥面板与钢梁。他们分别采用SCCL和CSL实现桥面板与钢梁以及板间连接。基于这些连接，开发了全机械连接的预制钢-UHPC组合梁。足尺试验表明，SCCL界面性能与传统带栓钉的湿接缝连接相当，且系统比传统湿接缝组合梁更易组装。Xu等人[18]开发了一种采用大直径高强摩擦型螺栓连接薄UHPC板与钢梁的方法。螺栓尺寸越大，抗剪承载力越高。减小板厚会降低抗剪承载力，并使破坏模式从螺栓断裂变为螺栓弯曲和UHPC压碎。Fang等人[19]提出了一种预制槽钢-混凝土组合梁（PCCB），该系统采用螺栓干连接和嵌入式冲孔钢板剪力连接件。有限元分析和试验表明，螺栓间距和预拉力对弯曲行为影响不大，螺栓连接表现出稳定的力学性能。这些研究共同为组合梁斜拉桥预制施工提供了实用的连接方案。

然而，现有机械连接研究主要集中在构件层面的力学行为和计算方法[20]、[21]。这些连接在架设施工中的可操作性研究较少。Tang等人[22]报道了在整段吊装架设的钢-UHPC组合梁中存在较大的边缘错台现象，这是由于已安装段与新吊装段的支座条件差异引起的。对于机械连接的钢-混凝土组合梁，桥面板通过螺栓紧密连接在横梁上，因此施工过程中相邻横梁之间的高差会直接传递到桥面板之间的机械连接处，导致桥面板边缘错台。为满足螺栓穿入和焊接要求，边缘错台不得超过2 mm[23]。因此，控制桥面板边缘错台对于机械连接的预制钢-混凝土组合梁架设至关重要，直接决定了该结构体系在悬臂拼装施工的组合梁斜拉桥中的适用性。据此，本研究针对采用悬臂拼装施工、采用SCCL[14]和CSL[17]连接的钢-UHPC组合梁斜拉桥，揭示了边缘错台的产生机理，提出了横梁变形的主动顶升控制装置，并建立了顶升力计算方法以消除边缘错台。

章节摘要

变形机理

对于采用分段悬臂拼装施工的钢-UHPC组合梁斜拉桥，新安装的钢梁段具有非对称边界条件。其塔侧端部受已安装段的约束，限制了横向弯曲，而跨侧端部则处于自由状态。这些非对称约束影响了竖向索力分量作用下的横梁挠度，塔侧的挠度较小，

组合梁的简化力学模型

对于采用分段悬臂拼装施工的钢-混凝土组合梁斜拉桥，先安装纵向主梁，然后依次安装横梁并将其与纵向主梁连接，形成空间承载体系[24]。理论模型采用以下假设：(1) 钢梁保持在弹性范围内，UHPC桥面板的拉应力低于其抗拉强度；(2) 安装完成后

工程案例

对一座双塔双索面钢-UHPC组合梁斜拉桥进行了工程案例研究。桥梁主跨布置为(205 +490 +205) m。主梁为分离式双箱PK型截面，总宽36.99 m，中心线处梁高3.2 m。标准主梁段长14 m，设有四道横梁，间距3.5 m，如图10所示。为提高组装效率和结构

结论

本研究针对采用分段悬臂拼装施工、以SCCL和CSL连接的钢-UHPC组合梁斜拉桥，开展了系统的理论分析，并提出了主动顶升控制方法。这些工作针对横梁差异变形引起的相邻桥面板边缘错台问题——该错台可能阻碍机械连接的正确安装。主要结论如下：

• (1)
  在斜拉桥中

CRediT作者贡献声明

贾欢胡（Jiahuan Hu）：撰写–初稿、可视化、软件、方法论、调查研究、形式化分析。崔冰（Bing Cui）：监督、项目管理。廖春权（Chunquan Liao）：资源提供、项目管理。米文勇（Wenyong Mi）：资源提供、项目管理。张帅（Shuai Zhang）：资源提供。宋可克（Songke Song）：资源提供。赵灿辉（Canhui Zhao）：撰写–审阅与编辑、资金获取、概念构思。周强（Qiang Zhou）：资源提供、项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（2025YFF0519300）和四川省交通运输科技项目（2025-Z-005）提供的资金支持。感谢。

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