疊合梁斜拉橋混凝土橋面板滯后澆筑濕接縫的工序研究

胡俊，曾一峰，賈俊峰

（1.山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶400074；2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400074；3.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京100124）

疊合梁斜拉橋混凝土橋面板滯后澆筑濕接縫的工序研究

胡俊1，2，曾一峰2，賈俊峰3

（1.山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶400074；2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400074；3.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京100124）

疊合梁斜拉橋施工工序繁多，最終的成橋狀態(tài)與施工過程密切相關(guān)。以一大跨度疊合梁斜拉橋為對象，采用空間有限元軟件建立精細化力學(xué)模型，對比分析了混凝土橋面板濕接縫不滯后、滯后1次及滯后2次這3種施工工序?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)在施工過程及成橋的受力影響。結(jié)果表明，滯后1次及滯后2次的工序下橋面板幾乎不出現(xiàn)拉應(yīng)力，而隨著橋面板滯后次數(shù)的增加，鋼主梁的壓應(yīng)力顯著增大，選擇橋面板滯后1次的施工工序，結(jié)構(gòu)在施工過程中及成橋運營階段的受力最佳，同時工期也較短。

疊合梁；斜拉橋；橋面板；施工工序

疊合梁斜拉橋施工工序復(fù)雜、內(nèi)容繁多，最終的成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線形與施工過程密切相關(guān)。不同的施工工序會導(dǎo)致鋼主梁與橋面板的內(nèi)力分配不同，如考慮不充分，橋面板混凝土可能在施工及運營過程中開裂，影響結(jié)構(gòu)安全性及耐久性。因此在考慮合理工期、確保結(jié)構(gòu)安全、保證施工和成橋合理狀態(tài)的前提下，如何確定合理的主梁施工工序，是修建高質(zhì)量疊合梁斜拉橋的關(guān)鍵。

由于超靜定結(jié)構(gòu)分析理論、計算機技術(shù)的發(fā)展以及斜拉橋結(jié)構(gòu)本身具有跨越能力大、結(jié)構(gòu)性能好、外形美觀、造價相對便宜等優(yōu)點，斜拉橋得到了迅速發(fā)展［1-2］。國內(nèi)外對疊合梁斜拉橋進行了很多研究，國外Girhammar，Ranzi等［3-4］研究了考慮疊合梁縱向滑移效應(yīng)的組合梁的彈塑性、長期時變效應(yīng)以及混凝土開裂等問題。國內(nèi)趙潔等［5］考慮了組合梁連接界面的縱向滑移效應(yīng)，并提出了部分連接鋼-混組合結(jié)構(gòu)的抗彎極限承載力計算表達式；黃彩萍等［6］對混合式斜拉橋的鋼混結(jié)合段進行了試驗及傳力機理的研究。針對斜拉橋施工過程的研究，國內(nèi)較多地采用了無應(yīng)力狀態(tài)法［7］，如湖北鄂東長江大橋采用分節(jié)段施工，對斜拉橋的制造線形、安裝線形等均采用了無應(yīng)力狀態(tài)法進行計算。國內(nèi)外針對疊合梁斜拉橋研究往往集中在其結(jié)構(gòu)力學(xué)行為，尤其是其組合效應(yīng)的研究，針對其施工工序，尤其是橋面板與鋼主梁之間濕接縫的施工工序研究較少。

本文以一座大跨疊合梁斜拉橋為對象，對混凝土橋面板濕接縫的澆筑工序進行探討，對比研究了3種濕接縫的澆筑工序?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)在施工及成橋后的受力影響，并以此選擇最優(yōu)的施工方案，結(jié)果可為同類型橋梁提供參考。

1　工程概況

作為研究對象的斜拉橋全長610m，為5跨（54+ 71+360+71+54）m雙塔雙索面混合式疊合梁斜拉橋，如圖1所示。橋塔為“H”形，斜拉索扇形布置，邊跨主梁采用現(xiàn)澆混凝土，中跨采用雙邊“上”字形鋼主梁結(jié)合混凝土橋面板的疊合梁。主梁橫向中心距26m，橋梁寬度28m，橋面板以主梁中心線對稱布置4塊預(yù)制板，一個梁段共12塊預(yù)制板。

大跨斜拉橋的主跨采用鋼混疊合梁的型式，其主跨鋼梁與橋面板采用預(yù)制拼裝施工，預(yù)制混凝土板采用C55高性能混凝土，濕接縫混凝土采用C55低收縮微膨脹混凝土。以主梁中心線對稱放置4塊預(yù)制板，主梁中心線側(cè)預(yù)制板定義為內(nèi)側(cè)預(yù)制板，邊主梁側(cè)預(yù)制板定義為外側(cè)預(yù)制板，在預(yù)制板編號前分別注明C（內(nèi)側(cè)）和S（外側(cè)）以示區(qū)別。內(nèi)側(cè)混凝土板和外側(cè)混凝土板的標準塊平面尺寸分別為600cm×350cm和568.5cm×350cm，內(nèi)外側(cè)預(yù)制板厚度均為28cm。外側(cè)預(yù)制板邊主梁側(cè)設(shè)置剪力鍵，剪力鍵突出5cm，鋼主梁、小縱梁、橫梁頂均設(shè)有剪力釘。預(yù)制橋面板的鋼筋伸出預(yù)制板一定長度，預(yù)制板安裝后相鄰預(yù)制板的鋼筋進行焊接，橋面板與鋼主梁通過剪力釘及濕接縫連接。標準梁段橫橋向單側(cè)邊主梁頂現(xiàn)澆縫寬為70cm，單片小縱梁頂現(xiàn)澆縫寬為40cm，縱橋向橫梁頂現(xiàn)澆縫寬為50cm。

本文針對濕接縫的施工工序進行研究，根據(jù)濕接縫施工的工序不同，分為橋面板不滯后、橋面板滯后1次、橋面板滯后2次3種不同的濕接縫澆筑順序。具體施工工序見表1。

圖1　大跨斜拉橋橋型立面（單位：cm）

表1　混凝土橋面板濕接縫施工工序

按照上述的施工工序不斷循環(huán)，至跨中鋼梁合龍。按不滯后的施工工序，則合龍后只需澆筑合龍段橋面板濕接縫；滯后1次的施工工序，則合龍后需同時澆筑合龍段及其前1個梁段的橋面板濕接縫；滯后2次的施工工序，則合龍后需同時澆筑合龍段及其前2個梁段的橋面板濕接縫，直至最終成橋。

圖2　大跨疊合梁斜拉橋空間有限元模型

2　混凝土橋面板濕接縫施工工序?qū)Y(jié)構(gòu)的受力影響分析

采用空間有限元分析方法，建立了疊合梁斜拉橋的空間有限元模型，如圖2所示。采用空間梁單元模擬索塔，組合梁單元模擬中跨主梁，索單元模擬斜拉索，計算時考慮P-Δ效應(yīng)及拉索的非線性。模型共570個單元，689個節(jié)點，邊界條件根據(jù)工程實際情況施加。施工階段的定義分別按照上述的橋面板濕接縫澆筑不滯后、滯后1次以及滯后2次這3種不同的施工工序進行模擬。

基于大跨度疊合梁斜拉橋的有限元模型，及其橋面板濕接縫澆筑的不同施工工序模擬，得到中跨鋼主梁及混凝土橋面板的受力狀態(tài)。本文對比分析了施工過程中及成橋后的結(jié)構(gòu)受力，其中成橋運營階段構(gòu)件的應(yīng)力取荷載標準組合下的應(yīng)力，即為恒載、汽車荷載、風荷載、溫度荷載、汽車制動力以及支座沉降的荷載組合。

2.1橋面板不滯后施工方案的結(jié)構(gòu)受力

采用橋面板不滯后的施工方案，可計算得到施工階段中跨主梁構(gòu)件的應(yīng)力，其中各梁段橋面板最大拉應(yīng)力及鋼主梁最大壓應(yīng)力如表2所示。在結(jié)構(gòu)成橋后混凝土橋面板及鋼主梁運營階段的應(yīng)力按照荷載標準組合下的工況提取，其中各梁段橋面板應(yīng)力及鋼主梁應(yīng)力如表2所示。

表2　橋面板不滯后施工方案中跨各梁段構(gòu)件應(yīng)力MPa

由計算結(jié)果可知，在施工過程中橋面板的最大拉應(yīng)力為1.19MPa，小于容許值1.89MPa；施工過程中鋼主梁的最大壓應(yīng)力為143.9MPa，小于容許值229.8 MPa，施工階段構(gòu)件強度基本滿足規(guī)范要求。在運營階段標準組合下橋面板只承受壓應(yīng)力，其最大壓應(yīng)力為11.2MPa，小于容許值17.75MPa；鋼主梁的壓應(yīng)力最大為173.3MPa，亦小于容許值229.8MPa，能夠滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

2.2橋面板滯后1次施工方案的結(jié)構(gòu)受力

采用橋面板滯后1次的施工方案，可計算得到施工階段中跨主梁構(gòu)件的應(yīng)力，其中各梁段橋面板最大拉應(yīng)力及鋼主梁最大壓應(yīng)力如表3所示。在結(jié)構(gòu)成橋后混凝土橋面板及鋼主梁運營階段的應(yīng)力按照荷載標準組合下的工況提取，其中各梁段橋面板應(yīng)力及鋼主梁應(yīng)力如表3所示。

表3　橋面板滯后1次施工方案中跨各梁段構(gòu)件應(yīng)力MPa

由計算結(jié)果可知，在施工過程中除了在1#梁段的橋面板出現(xiàn)了較小拉應(yīng)力0.07MPa，其他梁段的橋面板均承受壓應(yīng)力且＜22.4MPa；施工過程中鋼主梁的最大壓應(yīng)力為162.7MPa，小于容許值229.8MPa，施工階段構(gòu)件強度滿足設(shè)計及規(guī)范要求。在運營階段標準組合下橋面板均只承受壓應(yīng)力，其最大壓應(yīng)力為11.5MPa，小于容許值17.75MPa；鋼主梁的壓應(yīng)力最大為192.1MPa，亦小于容許值229.8MPa，能夠滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

2.3橋面板滯后2次施工方案的結(jié)構(gòu)受力

采用橋面板滯后2次的施工方案，可計算得到施工階段中跨主梁構(gòu)件的應(yīng)力，其中各梁段橋面板最大拉應(yīng)力及鋼主梁最大壓應(yīng)力如表4所示。在結(jié)構(gòu)成橋后混凝土橋面板及鋼主梁運營階段的應(yīng)力按照荷載標準組合下的工況提取，其中各梁段橋面板應(yīng)力及鋼主梁應(yīng)力如表4所示。

表4　橋面板滯后2次施工方案中跨各梁段構(gòu)件應(yīng)力MPa

由計算結(jié)果可知，在施工過程中除了在1#梁段橋面板出現(xiàn)了非常小的拉應(yīng)力0.05MPa，其他梁段的橋面板均承受壓應(yīng)力且＜22.4MPa；施工過程中鋼主梁的最大壓應(yīng)力為224.7MPa，小于容許值229.8MPa，基本滿足規(guī)范及設(shè)計要求。在運營階段標準組合下橋面板均只承受壓應(yīng)力，其最大壓應(yīng)力為11.6MPa，小于容許值17.75MPa；鋼主梁的壓應(yīng)力最大為254.1MPa，大于容許值229.8MPa，已不能夠滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

進一步將不同澆筑工序下橋面板和鋼主梁的拉、壓應(yīng)力整理如表5所示。

表5　施工階段及成橋運營階段應(yīng)力MPa

由計算結(jié)果可見，采用橋面板不滯后的施工工序在施工過程中橋面板出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為1.19MPa，其余2種施工工序在施工過程中橋面板分別出現(xiàn)0.07和0.05MPa的拉應(yīng)力。施工過程中鋼主梁的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均隨著橋面板濕接縫滯后次數(shù)的增加而明顯變大。成橋階段在荷載標準組合下橋面板均承受壓應(yīng)力，采用橋面板滯后2次的施工工序在運營階段荷載標準組合下鋼主梁的壓應(yīng)力為254.1MPa，超過了規(guī)范及設(shè)計要求。對比這3種施工工序，按照橋面板滯后1次的工序施工，結(jié)構(gòu)在施工過程中及成橋運營階段的受力最佳，工期也較短。

3　結(jié)論

大跨度混合式疊合梁斜拉橋，其施工工序繁多，內(nèi)容復(fù)雜，施工過程中及成橋后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力及線形與施工過程密切相關(guān)。以一大跨疊合梁斜拉橋為對象，建立空間有限元模型并對中跨鋼梁與橋面板間不同濕接縫澆筑工序進行模擬，得到如下結(jié)論：

1）橋面板濕接縫滯后施工的本質(zhì)差異是橋面板參與結(jié)構(gòu)受力時間的不同，也就是橋面板與鋼主梁受力分配的問題。滯后1次及滯后2次的工序下橋面板幾乎不出現(xiàn)拉應(yīng)力，而隨著橋面板滯后次數(shù)的增加，鋼主梁的壓應(yīng)力顯著增大。

2）以一大跨度疊合梁為對象，對比濕接縫混凝土的不同施工工序，結(jié)果表明選擇橋面板滯后1次的施工工序下結(jié)構(gòu)在施工過程中及成橋運營階段的受力最佳，同時工期也較短。

［1］陳明憲.斜拉橋建造技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］林元培.斜拉橋［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］GIRHAMMAR UA，PANDH，GUSTAFSSONA.Exact Dynamic Analysis of Composite Beams with Partial Interaction［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2009，51（8）：565-582.

［4］RANZI G，DALL'ASTA A，RAGNI L，et al.A Geometric Nonlinear Model for Composite Beams with Partial Interaction［J］. Engineering Structures，2010，32（5）：1384-1396.

［5］趙潔，聶建國.鋼板-混凝土組合梁的非線性有限元分析［J］.工程力學(xué)，2009，26（4）：105-112.

［6］黃彩萍，張仲先，陳開利.混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段試驗與傳力機理研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，40（1）：67-71.

［7］秦順全.橋梁控制——無應(yīng)力狀態(tài)法理論與實踐［M］.北京：人民交通出版社，2007.

（責任審編趙其文）

Research on Working Procedure of Lag Pouring of Wet-joint in Bridge Deck Concrete Slab on Composite Girder of Cable-stayed Bridge

HU Jun1，2，ZENG Yifeng2，JIA Junfeng3
（1.State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering，Chongqing 400074，China；2.College of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；3.College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

AbstractConstruction procedure is complicated for cable-stayed bridge using composite beam.Final state of bridge depends on construction greatly.In the article，a large span cable-stayed bridge was studied.T he bridge 3D finite element model was established to analyze the effect of working procedure during construction and at completion. T hree working procedures were studied：no lag pouring，one lag pouring and twice lag pouring of wet-joint of concrete slab.T he analysis results indicate that tensile stress in concrete slab is small for one/twice lag pouring.But，as lag times increase，compression stress in steel girders increases significantly.One lag pouring is best for structure stress in the construction process and operation stage，and the construction period is short.

Composite beam；Cable-stayed bridge；Bridge deck；Construction procedure

U448.27；U445.57

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.08

1003-1995（2016）04-0030-05

2015-08-29；

2015-12-22

山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地（重慶交通大學(xué)）開放基金資助（CQSLBF-Y13-7）

胡?。?984—），男，副教授，博士。