兩節(jié)段一張拉鋼混疊合梁面板應(yīng)力分析及監(jiān)測(cè)

嚴(yán)平

摘 要：臺(tái)州灣跨海大橋通航孔橋鋼混疊合梁采用兩節(jié)段一張拉施工工藝，文章以此工程為實(shí)例，選取梁段吊裝作業(yè)過程中的代表性節(jié)段進(jìn)行了理論建模計(jì)算及應(yīng)力元件監(jiān)測(cè)，對(duì)各施工狀態(tài)下面板應(yīng)力情況及變化趨勢(shì)進(jìn)行整理和分析，歸納出梁段施工過程中面板受荷的最不利工況及應(yīng)力變化的一般性規(guī)律，為其它同類型疊合梁施工提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼混疊合梁 建模計(jì)算 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

1.工程背景

臺(tái)州灣大橋?yàn)殡p塔雙索面鋼混組合梁斜拉橋，橋跨布置為85m+145m+488m+145m+85m，主橋全長(zhǎng)948m，邊中跨比0.471，邊跨設(shè)輔助墩。斜拉索采用空間雙索面布置，梁端標(biāo)準(zhǔn)索間距為10.5m，邊跨靠近尾索區(qū)索間距為8.4m。

結(jié)構(gòu)體系采用5跨連續(xù)半漂浮體系，在索塔處設(shè)置豎向支座和橫向抗風(fēng)支座，輔助墩墩頂設(shè)置豎向支座，過渡墩墩頂設(shè)置豎向支座及橫向抗風(fēng)支座。

主梁采用PK式流線形扁平鋼箱組合梁，鋼梁外側(cè)設(shè)置風(fēng)嘴。主梁含風(fēng)嘴全寬38.5m，不含風(fēng)嘴寬度為34m；中心梁高為3.5m，其中鋼梁中心線梁高3.1m。橋面板采用混凝土板。主跨標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)10.5m。主跨標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段每隔3.5m設(shè)一道實(shí)腹式橫隔板，箱梁設(shè)4道內(nèi)外腹板，均為直腹板。橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度為28cm，在鋼梁頂板和橫隔板處加厚至40cm；為了減小邊跨箱內(nèi)壓重量，小邊跨的橋面板均采用40cm厚。為避免在運(yùn)營(yíng)階段橋面板出現(xiàn)拉應(yīng)力，在中跨跨中及邊跨區(qū)域各布置30根15～12預(yù)應(yīng)力鋼絞線。為滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要，梁段吊裝采用“兩節(jié)段一張拉”工藝，即依次吊裝晚場(chǎng)兩個(gè)相鄰梁段后再一次性張拉2個(gè)梁段頂板的縱向鋼絞線。

2.建模分析

本部分采用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)施工過程中的部分主梁節(jié)段進(jìn)行數(shù)值模擬，來研究混凝土橋面板的受力特點(diǎn)。選取中跨1#～4#梁段梁段進(jìn)行建模分析。

橋面板采用實(shí)體單元模擬，鋼梁及鋼錨箱采用殼單元模擬，由于錨墊板較厚（80mm或100mm），為了更準(zhǔn)確地模擬錨墊板的受力狀態(tài)，采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，剪力釘采用梁?jiǎn)卧M，預(yù)應(yīng)力鋼束采用桁架單元模擬。有限元模型中主梁節(jié)段的各部位采用的單元類型及數(shù)量見表1。

組合梁節(jié)段外部邊界條件為一端固結(jié)，另一端為懸臂自由端。由于主梁兩側(cè)沿橋梁中心線對(duì)稱，為了提高計(jì)算效率，建模時(shí)只建立主梁一半寬度的模型，并在主梁對(duì)稱面處施加“對(duì)稱”邊界。

鋼梁與混凝土橋面板界面的相互作用采用切向摩擦（摩擦系數(shù)為0.3）、法向硬接觸；剪力釘與鋼梁之間采用“綁定”約束；剪力釘與混凝土之間及預(yù)應(yīng)力鋼束與混凝土之間的相互作用采用“埋入”約束；錨墊板與錨箱接觸面采用“綁定”約束。

計(jì)算按施工步驟分5個(gè)工況進(jìn)行：工況一為吊裝4#節(jié)段；工況二為4#斜拉索第一次張拉；工況三為澆筑3#、4#節(jié)段工地濕接縫、張拉橋面板預(yù)應(yīng)力束；工況四為橋面吊機(jī)前移、4#斜拉索第二次張拉；工況五為吊裝5#節(jié)段。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

3.面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)

為對(duì)疊合梁面板在各工況下的應(yīng)力情況進(jìn)行采集和分析，在南岸Z4主塔側(cè)中跨9#、10#及11#梁段頂面按應(yīng)變花布置應(yīng)變應(yīng)力測(cè)試元件。

南岸Z4#主塔側(cè)主梁9#節(jié)段邊箱測(cè)點(diǎn)的安裝工況為10#斜拉索張拉完畢，11#節(jié)段吊裝之前。監(jiān)測(cè)工況為后續(xù)節(jié)段的吊裝和斜拉索二次張拉。如圖1所示，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在所監(jiān)測(cè)的11#～13#節(jié)段的施工過程中，上下游監(jiān)測(cè)的應(yīng)力變化情況相似，11#吊裝工況，出現(xiàn)了受拉情況，11#斜拉索二張和12#吊裝工況，監(jiān)測(cè)區(qū)域斜向應(yīng)力狀態(tài)仍然受拉，拉應(yīng)力未達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度。

4.計(jì)算及監(jiān)測(cè)結(jié)果總述

從建模理論計(jì)算及應(yīng)力測(cè)試元件采集應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示，疊合梁面板頂面應(yīng)力呈現(xiàn)如下幾個(gè)規(guī)律：

（1）疊合梁面板在總個(gè)施工過程中的各個(gè)施工工況下有拉應(yīng)力存在的情況，且局部地區(qū)特殊工況下拉應(yīng)力超過混凝土容許拉應(yīng)力值，存在開裂的風(fēng)險(xiǎn)，需采取其它輔助措施降低面板在施工階段的拉應(yīng)力；

（2）主梁面板應(yīng)力受梁段拼裝及斜拉索二張影響較明顯，吊梁工況下面板頂面壓應(yīng)力減小、拉應(yīng)力增大；斜拉索二張工況下面板頂面壓應(yīng)力增大、拉應(yīng)力減??；

（3）已安裝梁段面板頂面壓應(yīng)力儲(chǔ)備隨著梁段的向前推進(jìn)逐漸加大，當(dāng)前梁段前端完成3個(gè)梁段吊裝及二張后，該梁段面板處于受壓狀態(tài)；

（4）隨著梁段懸臂吊裝推進(jìn)，梁段面板頂面應(yīng)力初始拉應(yīng)力值呈降低趨勢(shì)，預(yù)計(jì)因梁段架梁施工產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)在降低。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，大跨度鋼-混凝土組合梁斜拉橋在施工階段，混凝土橋面板在軸力、剪力及彎矩的綜合作用下可能產(chǎn)生裂縫，從而降低結(jié)構(gòu)剛度，引起內(nèi)力重分配，嚴(yán)重時(shí)甚至影響將影響正常使用。因此，必須要對(duì)施工階段組合梁斜拉橋橋面板在各工況下的應(yīng)力情況進(jìn)行分析和監(jiān)測(cè)，以保證橋梁施工安全。

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