波形鋼腹板鋼-混組合梁橋RW 異步施工主梁受力性能研究

韓珠峰

(桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院 541004)

引言

20 世紀(jì)80 年代， 法國學(xué)者提出一種新型鋼-混組合結(jié)構(gòu)， 繼而波形鋼腹板PC 組合箱梁橋得以誕生[1]。 隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的逐步發(fā)展，波形鋼腹板鋼-混組合梁橋受到廣泛關(guān)注， 并在我國橋梁建設(shè)中占有不可或缺的地位。 針對傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土施工速度慢、 工期長、 受跨度限制的問題， 新型RW 異步錯(cuò)位施工方法在提高橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和效率方面具有一定優(yōu)勢。

由于RW 新型異步施工法與傳統(tǒng)懸臂施工法差異較大， 并直接影響結(jié)構(gòu)在建造過程中主梁的受力， 因此對于橋梁建設(shè)過程中以及成橋階段主梁不同部位的應(yīng)力和變形應(yīng)高度關(guān)注。 本文以某波形鋼腹板鋼-混組合梁橋?yàn)楸尘埃?采用數(shù)值分析軟件MIDAS FEA 建立全橋精細(xì)化模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算， 并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)， 對比RW 異步澆筑方法和傳統(tǒng)掛籃懸臂澆筑方法下主梁的應(yīng)力值， 為后續(xù)的研究和應(yīng)用提供了參考。

1 工程概況

該橋位于整體式路基段， 最大橋高93.4m，主橋采用跨徑為72m +125m +72m 的連續(xù)剛構(gòu)橋(圖1)， 單幅橋標(biāo)準(zhǔn)橋面寬度為12.5m。 主梁采用波形鋼腹板箱梁， 最大梁高為7.8m， 高跨比1/16.02， 跨中位置主梁梁高為3.5m， 全橋梁高按1.8 次拋物線線形變化。 腹板板厚由跨中至墩頂分別為16mm、 18mm、 22mm、25mm， 波形鋼腹板與上、 下翼緣板采用開口板連接+焊釘連接。

圖1 橋型布置示意(單位： m)Fig.1 Layout of bridge type (unit: m)

橋梁節(jié)段劃分為13m(0#塊) +6 ×4.8m +4× 6.4m + 3.2m，邊、中跨合龍段長度均為3.2m， 邊跨現(xiàn)澆段長度為37.74m。 其中0#塊采用在墩頂設(shè)置托架進(jìn)行現(xiàn)澆施工， 1 -10#塊采用RW 異步錯(cuò)位施工方法進(jìn)行施工， 合龍段采取將掛籃改制為吊架進(jìn)行施工， 邊跨現(xiàn)澆段采取搭設(shè)現(xiàn)澆支架法進(jìn)行施工。

預(yù)應(yīng)力采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力與體外預(yù)應(yīng)力結(jié)合的設(shè)置方式。 體內(nèi)預(yù)應(yīng)力采用φs15.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線、 群錨體系。 其中頂板懸澆束共計(jì)40 束， 邊跨合龍束共計(jì)14 束， 中跨合龍束共計(jì)14 束。 體外預(yù)應(yīng)力采用φs15.2 低松弛環(huán)氧涂層鋼絞線成品索， 抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk＝1860MPa， 設(shè)計(jì)錨下張拉控制應(yīng)力fcon＝0.6 ×1860 ＝1116MPa。

2 RW 異步施工工藝

RW 異步施工方法又稱多部位斷面施工， 把1 個(gè)作業(yè)區(qū)擴(kuò)大到了3 個(gè)作業(yè)區(qū)， 合理利用工序銜接， 3 個(gè)節(jié)段同步施工， 各工作面互不影響，相較于傳統(tǒng)懸臂施工法只能在一個(gè)作業(yè)區(qū)進(jìn)行懸臂施工， 極大地提高了工作效率， 節(jié)約時(shí)間。 為了提高塔吊利用率和降低塔吊費(fèi)用， 在掛籃主桁架上安裝小型吊裝設(shè)備， 當(dāng)塔吊把鋼腹板及其他材料吊裝到橋面時(shí)， 用軌道小車把材料運(yùn)輸?shù)绞┕す?jié)段， 用掛籃吊裝設(shè)備安裝。 施工流程見圖2。流程一: 掛籃行走到N節(jié)段， 對N節(jié)段底板鋼筋和N-1 節(jié)段頂板鋼筋進(jìn)行施工。 流程二: 澆筑混凝土， 養(yǎng)生， 同時(shí)對N+1 節(jié)段波形鋼腹板進(jìn)行安裝。 循環(huán)上述流程， 直至合龍。

圖2 異步施工流程Fig.2 Process of asynchronous construction

主橋主要施工工序和關(guān)鍵技術(shù)包括: 0#塊支架的設(shè)計(jì)與搭設(shè)、 0#塊梁段混凝土澆筑施工、RW 掛籃設(shè)計(jì)與拼裝、 懸臂澆筑標(biāo)準(zhǔn)段施工、 邊跨現(xiàn)澆段施工、 合龍段施工、 預(yù)應(yīng)力施工。 主橋懸臂施工采用RW 掛籃在每個(gè)T 構(gòu)兩端對稱懸臂澆筑各梁段， 利用塔吊進(jìn)行RW 掛籃以及波形鋼腹板的安裝， 采用4 對、 8 只掛籃同時(shí)施工4 個(gè)T 構(gòu)， 混凝土由拌合站集中拌合， 采用混凝土運(yùn)輸車運(yùn)輸， 輸送泵(車)灌注混凝土， 施工以及合龍順序完全按照設(shè)計(jì)給定的程序進(jìn)行。 1#塊體內(nèi)預(yù)應(yīng)力張拉完成后， 進(jìn)行3#號塊腹板安裝， 綁扎2#塊頂板和3#塊底板鋼筋， 再進(jìn)行混凝土澆筑，張拉2#塊頂板體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束。 以此類推，N節(jié)段體內(nèi)預(yù)應(yīng)力張拉完成后， 進(jìn)行N+2 節(jié)段波形鋼腹板的安裝， 綁扎N+1 節(jié)段頂板和N+2 節(jié)段底板鋼筋， 澆筑混凝土， 張拉N+1 節(jié)段體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束。

3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 有限元模型

采用數(shù)值分析軟件MIDAS FEA 建立了圖3所示的主橋精細(xì)化模型。 共計(jì)203646 個(gè)節(jié)點(diǎn)，557476 個(gè)單元。 采用四面體實(shí)體單元模擬頂板、底板， 采用板單元模擬腹板， 模型中體內(nèi)預(yù)應(yīng)力和體外預(yù)應(yīng)力分別通過建立植入式鋼筋單元與桁架單元進(jìn)行模擬。 掛籃荷載與壓重的模擬采用在主梁頂板位置建立剛域的形式進(jìn)行模擬。

圖3 全橋精細(xì)化實(shí)體模型Fig.3 Refined solid model of the whole bridge

3.2 施工階段應(yīng)力分析

主橋RW 異步施工過程共分為12 個(gè)施工階段， 兩側(cè)對稱懸臂施工。 在各施工階段完成前后， 均對主梁各截面不同位置的應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。 本文選擇主跨根部截面和1/8 截面主梁應(yīng)力進(jìn)行分析， 現(xiàn)將有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比如圖4 所示。

圖4 施工階段應(yīng)力對比Fig.4 Stress contrast in construction stage

由圖4 可知， 采用RW 異步施工法進(jìn)行施工時(shí)， 主梁在根部和1/8 截面正應(yīng)力的實(shí)測值與數(shù)值解基本吻合。 在澆筑7#塊以前， 頂板正應(yīng)力隨施工進(jìn)行逐漸增大， 澆筑7#塊至邊跨合龍階段，頂板正應(yīng)力逐漸減小， 但變化幅度較小。 其中產(chǎn)生最大正應(yīng)力為-13.98MPa； 隨著施工的進(jìn)行，底板應(yīng)力值基本逐漸增大， 在中跨合龍后應(yīng)力減小， 其中正應(yīng)力值最大為11.52MPa。 主跨根部位置處的腹板正應(yīng)力隨施工的進(jìn)行逐漸增大，1/8 截面的腹板正應(yīng)力先減小， 再增大。

對比采用RW 異步施工法與傳統(tǒng)懸臂法的應(yīng)力值可知， 對于頂板， 采用RW 異步施工法產(chǎn)生的應(yīng)力均小于采用傳統(tǒng)懸臂施工法所產(chǎn)生的應(yīng)力； 對于底板與腹板， 采用RW 異步施工法產(chǎn)生的應(yīng)力大于采用傳統(tǒng)懸臂法所產(chǎn)生的應(yīng)力。 說明在采用異步施工工藝進(jìn)行懸臂澆筑時(shí)， 由于同一節(jié)段主梁的頂板與底板分別在不同階段進(jìn)行澆筑， 其受力狀態(tài)與采用傳統(tǒng)懸臂澆筑法時(shí)主梁的應(yīng)力也有所不同。

3.3 成橋狀態(tài)應(yīng)力分析

對于超靜定結(jié)構(gòu)， 采用不同的施工工藝對成橋內(nèi)力和主梁的應(yīng)力均有不可忽視的影響。 通過有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 對比在成橋狀態(tài)下RW 異步施工法和傳統(tǒng)懸臂澆筑法對主梁正應(yīng)力的影響， 如圖5 所示。

圖5 成橋狀態(tài)下主梁正應(yīng)力對比Fig.5 Normal stress contrast in completion state of bridge

通過對主梁頂板、 底板的理論解與實(shí)測值的分析發(fā)現(xiàn)， 在成橋狀態(tài)下， 主梁全截面受壓， 頂板產(chǎn)生的壓應(yīng)力極值為-15.89MPa， 底板產(chǎn)生的壓應(yīng)力極值為-15.12MPa。 但在采用RW 異步施工法時(shí)， 成橋狀態(tài)下除在邊跨位置外， 全橋頂板壓應(yīng)力均大于傳統(tǒng)懸臂施工法的應(yīng)力值， 而底板與之相反。 主跨范圍內(nèi)， 采用RW 異步施工法時(shí)， 主梁頂板處的應(yīng)力變化幅值為8.81MPa， 主梁底板處的應(yīng)力變化幅值為9.81MPa； 采用傳統(tǒng)懸臂法時(shí)， 主梁頂板處的應(yīng)力變化幅值為9.12MPa， 主梁底板處的應(yīng)力變化幅值為12.12MPa。 說明采用RW 異步施工法的主梁應(yīng)力變化幅度更小， 應(yīng)力分布相較傳統(tǒng)懸臂法更為均勻， 成橋狀態(tài)的整體性能更好。

4 結(jié)論

本文以實(shí)際工程為依托， 基于數(shù)值分析軟件建立了波形鋼腹板連續(xù)梁橋全橋?qū)嶓w模型， 并對比現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論:

1. 對比傳統(tǒng)懸臂施工法， 在采用RW 異步施工法施工時(shí)， 同一節(jié)段主梁的頂板與底板澆筑時(shí)間不同， 其主梁受力狀態(tài)也不同。 采用RW 異步施工法時(shí)， 由于前一節(jié)段的頂板滯后于相鄰節(jié)段的腹板施工， 而前一節(jié)段的底板超前于相鄰節(jié)段腹板的施工， 導(dǎo)致在施工過程中，底板先參與整體受力， 當(dāng)懸臂狀態(tài)穩(wěn)定后， 頂板參與受力， 因此頂板應(yīng)力更小而底板與腹板應(yīng)力更大。

2. 采用RW 異步施工法施工的波形鋼腹板PC 組合梁橋， 相較于傳統(tǒng)懸臂施工法， 在成橋狀態(tài)下主梁應(yīng)力變化更小， 分布更均勻， 結(jié)構(gòu)受力更合理。