波形鋼腹板PC組合梁頂推導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

曹振杰

【摘 要】隴海路快速通道常莊干渠段橋梁是國(guó)內(nèi)第一座采用頂推法施工的波形鋼腹板PC組合箱梁，本橋頂推方案要求采用多點(diǎn)自動(dòng)連續(xù)頂推方案。本橋?qū)Я豪貌ㄐ武摳拱遄鳛橹黧w結(jié)構(gòu)，技術(shù)難度較大，導(dǎo)梁設(shè)計(jì)時(shí)采用不同的計(jì)算方法對(duì)橋梁頂推過程進(jìn)行模擬，保證了橋梁頂推安全。本橋頂推設(shè)計(jì)相對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)有較大的提升和創(chuàng)新，也可為類似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】波形鋼腹板；頂推；導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】U441 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）02-0041-04

1 工程概況

隴海路快速通道常莊干渠段橋梁分三幅布置，分別為南北側(cè)輔道橋和主線高架橋。主線高架范圍全長(zhǎng)940 m，共分為兩聯(lián)，跨徑布置為（9×50 m）+（9×50 m+40 m），占線路總長(zhǎng)的45%。上部結(jié)構(gòu)采用波形鋼腹板混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，兩幅之間設(shè)20 mm分隔縫。單幅斷面采用單箱單室斜腹板截面，頂板寬度為10.75 m，底板寬度為4.0 m，腹板傾斜角度為75°。截面頂緣采用雙向2.0%橫坡，梁底水平布置，箱室中心線處梁高度為3.5 m，箱梁頂板懸臂長(zhǎng)度為3.2 m，內(nèi)室寬度為4.35 m，頂板懸臂端部厚度為0.2 m，根部厚度為0.55 m；頂板一般厚度均為0.3 m，底板一般厚度為0.25 m，支點(diǎn)橫梁處加厚至0.55 m。

該橋是國(guó)內(nèi)第一座采用頂推法施工的波形鋼腹板PC組合箱梁，波形腹板左右幅斷面對(duì)稱布置。波形鋼腹板采用BCSW1600型，與混凝土頂板采用Twin-PBL方式連接，與混凝土底板采用S-PBL+栓釘連接，主梁永久預(yù)應(yīng)力采用體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力混合配置方式。其中，YU01聯(lián)長(zhǎng)450 m，共分為9個(gè)節(jié)段；YU02聯(lián)長(zhǎng)490 m，共分10個(gè)節(jié)段。橋梁上部結(jié)構(gòu)跨徑及分段布置圖如圖1所示。

2 頂推施工概述

該橋梁上部結(jié)構(gòu)采用頂推施工，兩聯(lián)相向分別從兩端向YP10號(hào)墩方向頂推；梁體預(yù)制臺(tái)座和臨時(shí)墩設(shè)在聯(lián)端兩跨內(nèi)；梁體分導(dǎo)梁段、頂推段和現(xiàn)澆段3種類型，其中導(dǎo)梁段位于梁體前段第一跨內(nèi)，長(zhǎng)度為35 m；頂推時(shí)利用該段波形鋼腹板作為導(dǎo)梁主體結(jié)構(gòu)，以節(jié)約導(dǎo)梁用料；頂推段含一段27.5 m節(jié)段和若干50 m節(jié)段，每聯(lián)后方若干區(qū)域處于曲線段上，為降低曲線頂推施工難度和充分利用預(yù)制臺(tái)座支架，曲線段梁體采用支架現(xiàn)澆施工。

本橋頂推方案要求采用多點(diǎn)自動(dòng)連續(xù)頂推方案。根據(jù)施工總體進(jìn)度計(jì)劃及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，YU01聯(lián)頂推預(yù)制平臺(tái)擬布置在YP2-YP4墩處，即頂推節(jié)段6個(gè)（不含導(dǎo)梁段），長(zhǎng)度為312.5 m；曲線段現(xiàn)澆段長(zhǎng)度為137.5 m；YU02聯(lián)頂推預(yù)制平臺(tái)擬布置在YP16-YP18墩處，即頂推節(jié)段6個(gè)（不含導(dǎo)梁段），長(zhǎng)度為312.5 m；曲線段支架現(xiàn)澆段長(zhǎng)度為177.5 m。

3 導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

為節(jié)約工程成本，本橋?qū)Я豪貌ㄐ武摳拱遄鳛橹黧w結(jié)構(gòu)，技術(shù)難度較大。頂推用的鋼導(dǎo)梁導(dǎo)梁段位于梁體前段第一跨內(nèi)，頂推時(shí)利用該段波形鋼腹板作為導(dǎo)梁的主體結(jié)構(gòu)，以節(jié)約導(dǎo)梁用料。導(dǎo)梁懸臂總長(zhǎng)35 m，為臨時(shí)墩最大跨徑的0.7倍。導(dǎo)梁總長(zhǎng)38.8 m，分3個(gè)節(jié)段。其中第一節(jié)段長(zhǎng)12.98 m，由腹板節(jié)段1、腹板節(jié)段2及上下平聯(lián)、橫聯(lián)組成；第二節(jié)段長(zhǎng)10.4 m，由腹板節(jié)段3、上下平聯(lián)、橫聯(lián)組成；第三節(jié)段長(zhǎng)14.2 m，由腹板節(jié)段4、導(dǎo)梁箱梁結(jié)合部及上下平聯(lián)、橫聯(lián)組成。導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

導(dǎo)梁段波形鋼腹板采用BCSW1600型，鋼板厚度t=20 mm。波形板水平幅寬度為430 mm、斜幅水平方向長(zhǎng)度為370 mm、波高度為220 mm。鋼腹板頂部翼緣鋼板厚度為20 mm，翼緣寬度采用450 mm；開孔鋼板厚度為16 mm，開φ60 mm+φ30 mm孔，順橋向孔間距為150 mm，高度為200 mm。底部翼緣呈“工”字形，上部鋼板厚度為16 mm，寬度均為400 mm；下部鋼板厚度為30 mm，翼緣寬度為700～1 200 mm；開孔鋼板厚度為20 mm，開φ60 mm 孔，孔間距為150 mm，高度為572 mm；加勁板厚度為12 mm，布置間距為400 mm。

導(dǎo)梁連接系包括上、下平聯(lián)及橫聯(lián)，由槽鋼、鋼板組焊件、節(jié)點(diǎn)板等組成，其中橫聯(lián)每隔1.6 m布置一道。除導(dǎo)梁前端9 m范圍內(nèi)上平聯(lián)僅設(shè)槽鋼連接系外，其余上平聯(lián)均為鋼板組焊件，并滿布10 mm厚鋼板；下平聯(lián)均為槽鋼連接系。

導(dǎo)梁段為便于頂推到位后調(diào)整線形和割除臨時(shí)構(gòu)件，波形鋼腹板節(jié)段間施工期間采用高強(qiáng)度螺栓連接，頂推到位后拆開波形鋼腹板，對(duì)鋼腹板進(jìn)行線形調(diào)整和整修，合格后再重新吊裝就位安裝，使用貼角焊搭接連接。

施工期間，導(dǎo)梁段的上下翼緣須在施工期間保持連續(xù)，以滿足受力要求，因此該段節(jié)段間上下翼緣板在先期采用熔透焊接并加補(bǔ)強(qiáng)板，后期切開焊縫，同一般節(jié)段一致，設(shè)20 mm斷縫。

導(dǎo)梁末端預(yù)先與相鄰箱梁現(xiàn)澆段澆筑成整體，并加設(shè)臨時(shí)體外束，頂推到位后拆除并轉(zhuǎn)化成永久體外束。

4 導(dǎo)梁計(jì)算

因?qū)Я喉斖剖芰?fù)雜，為準(zhǔn)確分析導(dǎo)梁頂推過程中的受力情況，故對(duì)導(dǎo)梁頂推做如下5個(gè)方面計(jì)算分析。

（1）采用midas程序建立梁?jiǎn)卧芰δＰ停ㄖ髁杭皩?dǎo)梁均采用梁?jiǎn)卧＃斖撇捎檬┕げ襟E進(jìn)行模擬，每頂推1～2 m作為一個(gè)施工步驟，荷載考慮結(jié)構(gòu)自重及雪荷載，以此分析導(dǎo)梁受力最不利工況，并對(duì)導(dǎo)梁頂推各工況進(jìn)行分析。導(dǎo)梁上墩時(shí)梁?jiǎn)卧治瞿Ｐ蛨D如圖3所示。

（2）采用midas程序建立板梁?jiǎn)卧芰δＰ停ㄖ髁翰捎昧簡(jiǎn)卧芰δＰ?，?dǎo)梁大部分桿件采用板單元，局部桿件采用梁?jiǎn)卧＃?，頂推采用施工步驟進(jìn)行模擬，每頂推1～2 m作為一個(gè)施工步驟，荷載考慮結(jié)構(gòu)自重及雪荷載，以此分析導(dǎo)梁受力最不利工況，并對(duì)導(dǎo)梁頂推各工況進(jìn)行分析。同時(shí)與計(jì)算模型1進(jìn)行對(duì)比分析。導(dǎo)梁上墩時(shí)板梁?jiǎn)卧治瞿Ｐ蛨D如圖4所示。

根據(jù)計(jì)算模型1、2中計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比可知：建立梁?jiǎn)卧芰δＰ停ㄖ髁杭皩?dǎo)梁均采用梁?jiǎn)卧＃┘鞍辶簡(jiǎn)卧芰δＰ停ㄖ髁翰捎昧簡(jiǎn)卧芰δＰ?，?dǎo)梁部分桿件采用梁?jiǎn)卧?，部分桿件采用板單元建模）對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析后可知，板梁?jiǎn)卧蚱渲翁帉?duì)導(dǎo)梁產(chǎn)生局部彎曲應(yīng)力，因此計(jì)算結(jié)果較梁?jiǎn)卧?，但仍滿足規(guī)范要求。鋼導(dǎo)梁與主梁連接部位負(fù)彎矩最大時(shí)（頂推至導(dǎo)梁即將上墩時(shí)），考慮鋼導(dǎo)梁扭轉(zhuǎn)作用，鋼導(dǎo)梁Q345鋼最大應(yīng)力為147.5 MPa，鋼導(dǎo)梁Q235鋼最大應(yīng)力為64.7 MPa，均小于其容許值，鋼導(dǎo)梁滿足頂推要求。

（3）根據(jù)上述頂推各施工步驟計(jì)算結(jié)果，選取4種頂推工況采用midas程序建立板梁?jiǎn)卧芰δＰ停ㄖ髁翰捎昧簡(jiǎn)卧芰δＰ?，?dǎo)梁部分桿件采用梁?jiǎn)卧?，部分桿件采用板單元建模），荷載考慮頂推結(jié)構(gòu)自重、雪荷載、風(fēng)荷載、基礎(chǔ)不均勻高差等，對(duì)導(dǎo)梁進(jìn)行扭轉(zhuǎn)受力分析。

根據(jù)施工階段模擬，共選取4個(gè)施工階段進(jìn)行導(dǎo)梁扭轉(zhuǎn)分析，分別如下：

施工階段Ⅰ：鋼導(dǎo)梁剛上墩時(shí)。

施工階段Ⅱ：鋼導(dǎo)梁與主梁連接部位正彎矩最大時(shí)（頂推至導(dǎo)梁懸臂22 m左右時(shí)）。

施工階段Ⅲ：鋼導(dǎo)梁支撐處反力最大時(shí)（頂推至主梁接頭即將上墩時(shí)）。

施工階段Ⅳ：鋼導(dǎo)梁與主梁連接部位負(fù)彎矩最大時(shí)（頂推至導(dǎo)梁即將上墩時(shí)）。

經(jīng)計(jì)算施工階段Ⅱ時(shí)（頂推至導(dǎo)梁懸臂22 m左右時(shí)），考慮鋼導(dǎo)梁扭轉(zhuǎn)作用，鋼導(dǎo)梁受力最大，其中鋼導(dǎo)梁Q345鋼最大應(yīng)力為201.3 MPa，鋼導(dǎo)梁Q235鋼最大應(yīng)力為80.0 MPa，均小于其容許值，鋼導(dǎo)梁滿足頂推要求。

（4）根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，得出導(dǎo)梁最大支反力，利用有限元計(jì)算模型建立部分導(dǎo)梁板單元計(jì)算模型，對(duì)導(dǎo)梁進(jìn)行局部承壓分析。導(dǎo)梁局部穩(wěn)定分析模型采用有限元程序剪力部分節(jié)段導(dǎo)梁模型，經(jīng)前述計(jì)算得知：主導(dǎo)梁接頭即將上墩時(shí)，支反力最大，滑道長(zhǎng)度按1.5 m計(jì)，建立此處計(jì)算模型如圖5所示。

（5）根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，對(duì)導(dǎo)梁接頭部分進(jìn)行受力分析。

由前述計(jì)算結(jié)果可知：①導(dǎo)梁頂推至懸臂22 m左右時(shí)，鋼導(dǎo)梁與主梁連接部位正彎矩最大為3 254 t·m，此時(shí)主梁及導(dǎo)梁底部產(chǎn)生1 110 t左右拉力，遠(yuǎn)小于12束YM15-12導(dǎo)梁鏈接施工臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束預(yù)拉力，可知此時(shí)主導(dǎo)梁接頭滿足頂推要求。②頂推至主梁接頭即將上墩時(shí)，此時(shí)主導(dǎo)梁接頭處剪力最大，最大剪力約400 t。主梁與導(dǎo)梁此處波形鋼腹板為焊接結(jié)構(gòu)，此處剪力假設(shè)由整個(gè)截面承擔(dān)，剪應(yīng)力約50 MPa，滿足規(guī)范要求。③導(dǎo)梁頂推至頂推至主梁接頭過墩后，鋼導(dǎo)梁與主梁連接部位負(fù)彎矩最大約2 344 t·m，主梁及導(dǎo)梁頂部產(chǎn)生800 t左右拉力，因此處導(dǎo)梁頂板與原主梁焊接，導(dǎo)梁頂部最大應(yīng)力為83.7 MPa，小于其容許值。

由上述計(jì)算可知：頂推過程中，主導(dǎo)梁連接滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

隴海路高架橋采用的頂推法施工，成功拿下了國(guó)內(nèi)的三項(xiàng)創(chuàng)新：一是波形鋼腹板頂推梁在國(guó)內(nèi)是首創(chuàng)，二是頂推梁?jiǎn)坞p幅長(zhǎng)度均為中國(guó)長(zhǎng)度之最，三是采用斜腹板設(shè)計(jì)，腹板傾斜角度為75°，同時(shí)使用波形鋼腹板做導(dǎo)梁，也是國(guó)內(nèi)首例。

因?qū)Я喉斖七^程受力較為復(fù)雜，所以本導(dǎo)梁在施工設(shè)計(jì)中，以嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的精神，根據(jù)工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和水文地質(zhì)情況，研究新設(shè)備，創(chuàng)造新工藝、新工法，對(duì)橋梁施工方案進(jìn)行了大量的科學(xué)研究與技術(shù)攻關(guān)，在充分考慮結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，確保大橋建設(shè)的順利推進(jìn)，并且在施工設(shè)計(jì)及施工過程中加強(qiáng)了公司返還料利用設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行了一系列標(biāo)準(zhǔn)化及臨時(shí)結(jié)構(gòu)多功能設(shè)計(jì)，為項(xiàng)目節(jié)省了大量資金，創(chuàng)造了可觀的價(jià)值，同時(shí)也可為類似工程提供借鑒。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張曉東.橋梁頂推施工技術(shù)[J].公路，2003（9）.

[2]李廣慧，張建勛.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋頂推施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2010（7）.

[3]JTG/T F50—2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]