疊合梁斜拉橋混凝土橋面板濕接縫澆筑工序研究

劉發(fā)梁,王榮輝,張卓杰

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510641；2.石家莊鐵道大學 省部共建交通工程結構力學行為 與系統(tǒng)安全國家重點實驗室，河北 石家莊 050043)

疊合梁斜拉橋的施工內容多，施工工序繁雜，施工工序對最終的成橋的線型及內力密切相關。不同的施工工序決定了主梁的內力分配，若施工考慮不充分，則可能會導致橋面板在施工或運營中開裂現(xiàn)象的發(fā)生，影響結構的安全耐久性。所以確保結構安全、保證施工及成橋合理狀態(tài)、保證工期合理的前提下，如何確定主梁的最優(yōu)施工工序是確保疊合梁斜拉橋質量的關鍵。

由于計算機技術的快速發(fā)展、超靜定結構分析理論以及斜拉橋結構本身具有跨越能力大、結構性能好、外形美觀、造價相對便宜等優(yōu)點，拉橋得到了迅速發(fā)展[1-2]，國外學者MACORINI[3]等針對組合梁橋面板方法進行了研究，國內學者朱力等[4]對組合梁橋剪力滯效應進行了研究，伍彥斌等[5]對疊合梁斜拉橋的主梁鋼混結合段傳力機理進行了研究。張健[6]針對疊合梁斜拉橋橋面板濕接縫澆筑時間的合理性和雙節(jié)段循環(huán)施工可行性進行了研究。祝海燕、易云焜[7-8]等對疊合梁斜拉橋的主梁的施工工序進行了詳細的比選。胡俊等[9]對橋面板滯后澆筑濕接縫的工序進行了研究。王梓龍[10]對疊合梁斜拉橋滯后澆筑濕接縫的工序進行了解讀分析。洪麗娟等[11]對組合梁斜拉橋的主梁雙節(jié)段循環(huán)安裝施工技術進行了研究。余毅等[12]以平塘特大橋為背景將一次澆筑一個節(jié)段濕接縫優(yōu)化成為一次澆筑兩個節(jié)段的濕接縫，并且該優(yōu)化方案在工程中得到了應用。李連海[13]對疊合梁斜拉橋雙節(jié)段循環(huán)施工的工法實用性進行了探究。沈盧明等[14]對主梁的拼裝工序對鋼梁應力的應力進行了計算分析。徐江洋[15]對單節(jié)段、雙節(jié)段循環(huán)施工當中對比分析中跨合攏階段和成橋階段主梁下緣和橋面板應力分布的情況，分析不同的施工順序對疊合梁斜拉橋受力的影響。在此基礎上，本文以一座主跨305 m的疊合梁斜拉橋為背景，對混凝土的濕接縫澆筑工序進行研究，對比分析三種濕接縫澆筑工序在施工當中以及成橋狀態(tài)的受力特點，選擇出最佳的施工方案，結果可為同類型的橋梁施工提供參考。

1 工程概況

作為研究背景的洛溪大橋主橋設計為(30+95+305+110+30)m的雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，如圖1所示。主梁采用鋼箱梁結合預制鋼筋混凝土橋面板的疊合梁，二者通過剪力釘相結合，鋼梁部分由兩片箱型縱梁，橫梁以及小縱梁共同組成鋼梁格體系。箱型主縱梁的中心間距為13.4 m，主橋寬度為14.5 m。預制混凝土橋面板采用C60混凝土，厚25 cm，濕接縫處厚26 cm，為減少混凝土收縮、徐變對疊合梁產生的不利影響，橋面板在制梁場制作完成必須存放6個月才能安裝。

圖1 疊合梁斜拉橋橋型立面圖Fig.1 Elevation of composite beam cable-stayed bridge

2 混凝土橋面板濕接縫澆筑工序對結構的影響分析

濕接縫的澆筑順序不同會影響到疊合梁內的應力大小及分布，導致不同工況下的結構應力狀態(tài)不同。本文主要研究濕接縫的施工工序不同導致的結果差異性，已選擇最優(yōu)化的施工方案，根據(jù)以第n段梁為例，對比研究三種施工方案：方案一：單節(jié)段滯后1節(jié)澆筑濕接縫；方案二：單節(jié)段滯后2節(jié)澆筑濕接縫；方案三：雙節(jié)段滯后1節(jié)澆筑濕接縫。施工步驟詳細見表1：

表1 混凝土橋面板濕接縫澆筑工序Tab.1 Wet joint casting procedure for concrete bridge panel

2.1 有限元模型建立及數(shù)據(jù)結果

利用Midas civil對此疊合梁斜拉橋建立空間有限元模型分析計算，如圖2所示，全橋主梁總共51個節(jié)段，斜拉索總共96根，全橋總共677個單元，872個節(jié)點，根據(jù)此斜拉橋工程實際情況添加邊界條件。主塔、輔助墩以及過渡墩采用空間梁單元進行模擬，斜拉索采用只受拉桁架單元進行模擬，主梁采用組合梁單元進行模擬，計算時需要考慮P-Δ效應與斜拉索的非線性影響。利用Midas civil將表1當中的三種不同的施工工序進行模擬仿真計算對比，得到施工過程和成橋狀態(tài)當中的鋼梁以及混凝土橋面板的受力大小。詳細數(shù)據(jù)見圖3—8。圖中梁段編號1—51對應主橋從小里程到大里程的順序。

Z3主塔邊跨合攏段為SB7、Z4主塔邊跨合攏段為SB8。由圖3和圖4可知，邊跨合攏段的鋼梁所受到的拉應力在方案一當中為最大，中跨部分隨著懸臂長度持續(xù)增加，邊跨合攏之后施工狀態(tài)由雙懸臂施工變成單懸臂施工，鋼梁所受到的應力也呈現(xiàn)遞增的趨勢。由于滯后澆筑濕接縫的原因導致在吊裝中跨12#節(jié)段的時候11#和12#節(jié)段在三種方案架設的時候所受的拉應力一樣，此時11#塊鋼梁位于梁端斜拉索梁端錨點截面處的拉應力在整個施工過程當中最大。主橋壓應力的差別主要體現(xiàn)在中跨10～12#節(jié)段以及合攏口鋼梁，這是由于雙節(jié)段滯后澆筑混凝土導致鋼梁和混凝土未形成鋼-混整體斷面的長度加大，從而應力分布長度加長，使得應力變小。

圖2 洛溪大橋Midas civil有限元模型Fig.2 Luoxi Bridge Midas civil finite element model

圖3 施工階段鋼梁最大拉應力Fig.3 Maximum tensile stress of steel beam during construction

圖4 施工階段鋼梁最大壓應力Fig.4 Maximum compressive stress of steel beam during construction

圖5 施工階段混凝土橋面板最大拉應力Fig.5 Maximum tensile stress of concrete bridge panel during construction

由圖5可知，混凝土橋面板所受到的拉應力，邊跨部分是滿堂支架施工，橋面板濕接縫澆筑完成之后不受拉力，中跨合攏口和12#節(jié)段橋面板濕接縫在澆筑之后張拉跨中預應力束，橋面板處于受壓狀態(tài)。對于標準節(jié)段上的橋面板的拉應力的大小不同則是因為濕接縫澆筑的順序不同導致的。在方案二中整體拉應力最小，但方案二中的最大拉應力達到1.899 MPa,接近規(guī)范設計值1.96 MPa。由圖6可知，三種不同的施工工序狀態(tài)下的混凝土橋面板的壓應力誤差在2 MPa以內。

圖6 施工階段混凝土橋面板最大壓應力Fig.6 Maximum compressive stress of concrete bridge panel during construction

由圖7和圖8可知，不同的施工工序會導致成橋狀態(tài)下的主梁內力分布不同。并且不同的施工工序主要對跨中部分內力分布效果更加明顯，混凝土橋面板和鋼主梁內力分布規(guī)律在不同方案中都呈現(xiàn)同一種趨勢。由于縱向預應力的作用使得存在預應力節(jié)段和中跨合攏段的壓應力相對無預應力區(qū)域梁段更大。

圖7 成橋狀態(tài)鋼梁壓應力Fig.7 Compressive stress of steel beam in completed bridge state

圖8 成橋狀態(tài)混凝土橋面板壓應力Fig.8 Compressive stress of concrete bridge panel in completed bridge state

表2 施工階段各方案最大應力Tab.2 The maximum stress of each scheme in the construction stage

表3 成橋狀態(tài)各方案最大壓應力Tab.3 Maximum compressive stress of each scheme in the completed bridge state MPa

2.2 應力對比分析

通過數(shù)據(jù)可知施工階段中三種方案的應力差異，三種方案的鋼梁的應力均滿足規(guī)范要求，最大拉應力均為132.688 MPa，而壓應力結果顯示方案一中的鋼梁壓應力比方案二中的鋼梁壓應力大9.55%，方案二中的鋼梁壓應力比方案三中的鋼梁壓應力大5.88%；對于橋面板部分則是拉應力則是方案一中的橋面板的應力比方案二中的橋面板的應力大0.025 MPa，方案二中的橋面板的應力比方案三中的橋面板的應力大0.055 MPa，設計規(guī)范當中規(guī)定C60混凝土的最大拉應力不得大于1.96 MPa，而方案一橋面板的拉應力最接近規(guī)范要求的1.96 MPa。

三種方案成橋狀態(tài)下應力結果同樣也是方案一中的鋼梁壓應力大于方案二中的鋼梁壓應力，方案二的鋼梁壓應力大于方案三的鋼梁壓應力；三種方案成橋狀態(tài)下的混凝土橋面板的壓應力差值不超過1 MPa。

由論文中所選擇的三種施工工序方案可知道，在雙節(jié)段滯后一次澆筑濕接縫的施工工序當中，不僅主梁鋼梁和預制混凝土橋面板的應力要優(yōu)于其他兩種方案，而且在施工過程以及成橋狀態(tài)下的鋼梁和混凝土橋面板的應力均不超限，鋼梁應力和預制混凝橋面板應力在施工過程當中處于安全狀態(tài)。

2.3 施工周期對比分析

方案一：吊裝與焊接n#鋼梁(4 d)→n#斜拉索安裝與第一次張拉(2 d)→安裝n#預制混凝土橋面板(1 d)→n#第二次張拉斜拉索(0.5 d)→吊機前移至n#塊(0.5 d)→澆筑n-1#濕接縫并等強(7 d)；

方案二：吊裝與焊接n#段鋼梁(4 d)→n#斜拉索安裝與第一次張拉(2 d)→安裝n#預制混凝土橋面板(1 d)→第二次張拉n#斜拉索(0.5 d)→吊機前移至n#塊(0.5 d)→澆筑n-2#濕接縫并等強(7 d)；

方案三：吊裝與焊接n#段鋼梁(4 d)→n#斜拉索安裝與第一次張拉(2 d)→安裝n#預制混凝土橋面板(1 d)→第二次張拉n#斜拉索(0.5 d)→吊機前移至n#塊(0.5 d)→澆筑n-1#，n-2#濕接縫并等強(7 d)。

三個方案對比分析：方案一完成一個標準節(jié)段所需要的15 d，方案二完成一個標準節(jié)段所需要15 d，方案三完成兩個標準節(jié)段所需要23 d，平均每個階段需要11.5 d，方案三明顯比方案一和方案二的施工周期短3.5 d。能夠省下一個階段澆筑濕接縫的時間以便提高工程施工進度。由此可知，整個施工過程中濕接縫澆筑及等強工序占用的時間比較長，怎樣縮短此工序的所用時間是提高施工效率的關鍵，對于項目本身來說，按照實際情況和監(jiān)控計算的結果，在實際施工過程中往往都是采用雙節(jié)段甚至多節(jié)段循環(huán)施工以加快施工進度。

通過對比分析，對于施工周期來說，每個標準節(jié)段的使用天數(shù)也比前兩種施工方案減少3.5 d，對于此工程來說，每個主塔有12個標準節(jié)段，架設主梁總共可以減少至少42 d施工周期。

3 結語

本文以疊合梁斜拉橋為背景，根據(jù)施工現(xiàn)場工期的需要，開展了疊合梁斜拉橋單、雙節(jié)段循環(huán)施工的施工狀態(tài)以及施工周期的對比研究。通過Midas civil軟件對洛溪大橋進行模擬仿真計算，分析得到以下主要兩點結論：

(1)在進行施工監(jiān)控計算的過程中，不僅要考慮成橋狀態(tài)的主梁內力和成橋索力滿足要求，還必須保證在施工當中的鋼主梁和預制混凝土橋面板的應力不超限。通過對此疊合梁斜拉橋的監(jiān)控計算結果表明，鋼主梁和預制混凝土橋面板的應力在施工節(jié)段都處于安全狀態(tài)。

(2)此疊合梁斜拉橋的實際施工效果驗證了雙節(jié)段循環(huán)滯后一次澆筑濕接縫方案的可行性，并且可以有效地縮短工期，可為以后同類型的斜拉橋工程提供借鑒。