單向接觸連接的疊合結(jié)構(gòu)耦合受力性能分析

寇 偉

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心（有限公司），山西 太原 030006）

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)有公路中有相當(dāng)一部分公路為寬路窄橋，導(dǎo)致交通日益擁堵，當(dāng)交通量增加到一定數(shù)量時(shí)，需逐步提高公路橋梁的技術(shù)等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)來適應(yīng)時(shí)代發(fā)展。目前大部分橋梁拓寬時(shí)均采用封閉交通的管制方式，然后逐孔吊裝或者架橋機(jī)安裝新橋主梁。而利用舊橋作為施工平臺(tái)頂推新梁的研究文獻(xiàn)不多，多數(shù)停留在經(jīng)濟(jì)效益分析，沒有從結(jié)構(gòu)安全性方面進(jìn)行分析[1-5]。盧振偉等[6]介紹了利用封閉施工平臺(tái)進(jìn)行橋梁防撞護(hù)欄維修施工，有效解決了鐵路行車不施工、施工不行車的限制。張銳昭等[7]介紹了利用空中棧橋，立體拆除鋼筋混凝土橋梁的工程實(shí)例。張紅軍等[8]深入研究了內(nèi)河架空直立式碼頭水上施工平臺(tái)的有限元受力分析方法及監(jiān)控預(yù)警技術(shù)。實(shí)際上，利用舊橋作為施工平臺(tái)頂推新梁的施工方法，舊混凝土橋作為新橋施工平臺(tái)不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，還能有效地加快施工進(jìn)度。在受力方式上屬于分析新舊結(jié)構(gòu)在界面單向受壓約束連接條件下，二者所組成的疊合結(jié)構(gòu)的耦合受力關(guān)系的問題[9-10]。本文在深入研究利用舊橋作為施工平臺(tái)頂推鋼箱梁施工方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合某工程實(shí)例，對(duì)新橋頂推過程中舊橋的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行探討，以確定鋼箱梁頂推施工時(shí)的合理布置位置，為今后類似工程提供參考。

1 工程背景

某公路現(xiàn)有一座6×20 m的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋，計(jì)劃在舊橋旁邊修建一座跨徑組合為（48+86+48）m的等高度連續(xù)鋼箱梁橋（新橋），在新橋施工過程中擬以舊橋作為施工平臺(tái)，首先在舊橋橋頭路基上按跨徑組合分三次拼裝好鋼箱梁，然后將拼裝好的鋼箱梁緩慢推移至舊橋橋面上，當(dāng)鋼箱梁頂推到合適位置時(shí)，再用放置于橋頭的履帶吊將其吊運(yùn)至指定位置處。

2 橋梁結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

2.1 舊混凝土橋

舊橋空心板和混凝土橋面鋪裝采用C40混凝土，彈性模量Ec=3.3×104MPa?？招陌孱A(yù)應(yīng)力鋼筋采用 4×φj15.0（7φ5.0），彈性模量 Ep=1.9×105MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 500 MPa。

圖1 橫斷面布置圖（單位：cm）

2.2 鋼箱梁新橋

圖2 鋼箱梁頂推滑移示意圖

鋼箱梁總自重G=1 250 t，總長(zhǎng)L=48+86+48=182 m，折合成均布線荷載為g=6.868 t/m，底面放置寬度b=5m，折合成均布面荷載為q=13.736kN/m2。

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

由于舊橋?yàn)?×20 m的簡(jiǎn)支空心板橋，各跨受力性能完全相同，故只需對(duì)其中任意一跨進(jìn)行驗(yàn)算即可。

3.1 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算模型

3.1.1 簡(jiǎn)化模型

結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算采用通用有限元軟件及空間梁格法進(jìn)行。建模分析過程中，空心板采用三維梁?jiǎn)卧獊砟M。舊橋結(jié)構(gòu)共離散為606個(gè)節(jié)點(diǎn)，896個(gè)單元，鋼箱梁按均布荷載直接施加于橋面板上，如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化均布荷載示意圖

3.1.2 空間有限元模型

該模型是在3.1.1節(jié)模型的基礎(chǔ)上，增加鋼箱梁空間板殼單元法，鋼箱梁長(zhǎng)度按實(shí)際頂推滑移進(jìn)度逐步增加，鋼箱梁與空心板之間采用受壓連桿連接（連桿彈簧剛度取1×108kN/m），為了保持上層疊合結(jié)構(gòu)的空間靜定，避免鋼箱梁部分形成空間機(jī)動(dòng)體系，在鋼箱梁角點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置水平和水平旋轉(zhuǎn)約束，約束剛度設(shè)置無窮小，僅僅是為了防止鋼箱梁部分機(jī)動(dòng)，程序無法運(yùn)行，不影響結(jié)構(gòu)整體受力。單元離散圖如圖4所示。

圖4 空間有限元模型單元離散圖

3.2 作用荷載

a）原橋設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級(jí)，沖擊系數(shù)μ=0.187 5，即 1+μ=1.187 5，驗(yàn)算荷載為掛車 -100，并按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行布置。

b）簡(jiǎn)化模型的鋼箱梁自重折合成均布面荷載為q=13.736 kN/m2，僅考慮其自重作用，同時(shí)為尋找鋼箱梁在舊橋上的合理布置位置，鋼箱梁在舊空心板橋上的布置方式按中載和偏載分別計(jì)算。

c）實(shí)際空間混合有限元模型，按照實(shí)際施工荷載施加。將擬頂推鋼箱梁結(jié)構(gòu)用板殼單元模擬，鋼箱梁與空心板單元之間相鄰節(jié)點(diǎn)用受壓連桿連接，分別計(jì)算鋼箱梁頂推到 2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m、18 m、20 m等不同支撐位置時(shí)各片空心板的最不利受力狀態(tài)，為了安全起見，計(jì)算過程中不考慮墩臺(tái)頂支撐引起的鋼箱梁懸臂支撐效應(yīng)。

3.3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

3.3.1 彎矩效應(yīng)驗(yàn)算結(jié)果

不同工況下舊混凝土橋彎矩效應(yīng)驗(yàn)算結(jié)果如圖5和表1所示。

圖5 沿橋面中心線對(duì)稱布置頂推位移——空心板最大彎矩圖

表1 不同工況下彎矩效應(yīng)驗(yàn)算結(jié)果表 kN·m

由圖5和表1可以看出：

a）按照簡(jiǎn)化均布荷載作用方式，鋼箱梁無論偏載還是中載工況，空心板內(nèi)力均小于活載效應(yīng)，但如果按空間有限元模擬，中載對(duì)稱運(yùn)輸方式可以滿足設(shè)計(jì)要求，按偏載工況頂推引起的空心板內(nèi)力效應(yīng)大于活載效應(yīng)，需要進(jìn)行極限承載能力效應(yīng)評(píng)估。

b）中載對(duì)稱布置條件下，簡(jiǎn)化均布荷載模擬結(jié)果小于空間有限元模擬結(jié)果小于設(shè)計(jì)荷載；而偏載沿防撞護(hù)欄布置條件下，簡(jiǎn)化均布荷載模擬結(jié)果小于設(shè)計(jì)荷載小于空間有限元模擬結(jié)果。而且兩種情況下采用簡(jiǎn)化均布荷載方式的計(jì)算結(jié)果均小于空間有限元計(jì)算結(jié)果，表明簡(jiǎn)單按均布荷載方式計(jì)算，結(jié)構(gòu)結(jié)果遠(yuǎn)小于按空間有限元模擬結(jié)果，對(duì)于偏載工況是偏于不安全的。主要是由于主梁?jiǎn)卧臋M向影響線（或橫向分布系數(shù)）在遠(yuǎn)離計(jì)算單元時(shí)是急劇變小的，因此采用空間有限元模擬時(shí)，上層結(jié)構(gòu)自重荷載是可以直接加載接觸單元的峰值處的，而采用均布荷載時(shí)，上層結(jié)構(gòu)自重荷載的大部分是加在非峰值處的。

c）由于鋼箱梁縱橋梁向剛度較大，其底板與下部空心板之間處于單向受壓的連接與分離的交替狀態(tài)，運(yùn)輸過程中最不利荷載效應(yīng)并不總是發(fā)生在跨中截面，同時(shí)由于鋼箱梁為空間結(jié)構(gòu)，荷載并不是均布于結(jié)構(gòu)橫橋向的影響線上，直接作用于腹板下緣的空心板內(nèi)力明顯大于其他相鄰板塊，因此，按均布荷載計(jì)算時(shí)，無法考慮腹板下緣直接作用于空心板橫橋向影響線峰值時(shí)的工況，是偏于不安全的。

3.3.2 剪力效應(yīng)驗(yàn)算結(jié)果

不同工況下舊混凝土橋剪力效應(yīng)驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

圖6 沿橋面中心線對(duì)稱布置頂推位移——空心板最大剪力圖

表2 不同工況下剪力效應(yīng)驗(yàn)算結(jié)果表 kN

由圖6和表2可以看出：偏載沿防撞護(hù)欄工況下，簡(jiǎn)化均布荷載作用下空心板的剪力效應(yīng)和空間有限元模擬結(jié)果均大于邊板的設(shè)計(jì)活載效應(yīng)，而中載對(duì)稱布置條件下，簡(jiǎn)化均布荷載作用下空心板的剪力效應(yīng)和空間有限元模擬結(jié)果均小于中板的設(shè)計(jì)活載效應(yīng)，其他規(guī)律與主梁彎矩效應(yīng)類似。

4 結(jié)論及建議

a）單向受壓連接的疊合結(jié)構(gòu)，上下部結(jié)構(gòu)在施工全過程中始終處于單向受壓的連接與分離的交替狀態(tài)，新舊疊合結(jié)構(gòu)本身均具有剛度，在滑移過程中，同一時(shí)刻，二者接觸面不可能全部密貼，同一節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)的不同時(shí)刻也會(huì)呈現(xiàn)密貼—分離—再密貼—再分離…的交替狀態(tài)，這種邊界連接方式屬于非線性接觸問題，不能簡(jiǎn)單套用傳統(tǒng)靜力結(jié)構(gòu)影響線和荷載橫向分布系數(shù)理論進(jìn)行計(jì)算。

b）直接作用于腹板下緣的空心板內(nèi)力明顯大于其他相鄰板塊，簡(jiǎn)單地按均布荷載計(jì)算時(shí)，無法考慮腹板下緣直接作用于空心板橫橋向影響線峰值時(shí)的工況，是偏于不安全的。

c）鑒于鋼箱在運(yùn)輸過程中施工荷載在施工過程中存在動(dòng)力放大效應(yīng)等不確定性因素較多，建議頂推過程中采用沿橋梁中線，對(duì)稱布置。

d）由于該橋的橋面鋪裝為10 cm現(xiàn)筑混凝土+5 cm瀝青混凝土，同時(shí)鋼箱梁底板為24 mm整體鋼板，局部支點(diǎn)附近鋼箱梁底板鋼板厚度達(dá)32 mm，而且鋼箱梁每隔2 m距離均設(shè)置一道橫隔板。鋼箱梁橫橋向全寬范圍內(nèi)可跨過4～5塊空心板及其鉸縫，并可直接作用于空心板腹板頂混凝土上緣。因此，鋼箱梁底板、橫隔板和空心板橋面鋪裝混凝土可同時(shí)跨過多片空心板的腹板和鉸縫，具有較強(qiáng)的荷載橫向分配能力，鋼箱梁荷載亦可直接通過空心板腹板傳遞至支座和下部結(jié)構(gòu)，不存在局部較大集中荷載直接作用于空心板頂板中間和鉸縫一側(cè)的現(xiàn)象，可不進(jìn)行橋面板局部強(qiáng)度檢算及鉸縫抗剪檢算。