鋼-混組合梁斜拉橋懸臂施工過程精細化分析

王子豪

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司）

0 引言

鋼-混組合梁的特點在于能夠在使用中充分發(fā)揮鋼材與混凝土的材料性能優(yōu)勢[1]，與此同時，通過預(yù)制拼裝的方式進行施工能夠大幅度提高施工效率，具有較好的經(jīng)濟優(yōu)勢，因而我國在近20 年里對這種結(jié)構(gòu)形式進行了大量的研究應(yīng)用，并達到了國際先進水平[1]。

現(xiàn)代組合梁斜拉橋施工方式多采用懸臂施工法，此過程中，施工步驟繁雜，且主梁會出現(xiàn)多次體系轉(zhuǎn)換，鋼梁、混凝土板及連接二者的剪力釘內(nèi)力狀態(tài)復(fù)雜。為了更好地控制施工質(zhì)量，對懸臂施工過程中主梁各部分結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律進行探究是有必要的。

1 工程概況

潮汕大橋主橋采用獨塔雙索面組合梁斜拉橋，橋跨布置為（205+205）m，橋長410m，橋?qū)?5m。

全橋采用可轉(zhuǎn)換半漂浮體系，在主塔處設(shè)置球形鋼支座、橫向彈塑性鋼阻尼、縱向彈塑性鋼阻尼，在過渡墩處設(shè)置球形鋼支座，橫向彈塑性鋼阻尼、縱向粘滯阻尼器。索塔采用A 型索塔，索塔兩側(cè)各布置15 對斜拉索。主梁采用雙邊“工”字型邊主梁結(jié)合橋面板的整體斷面，全寬35m，梁高3.2m（邊主梁中心處）。其中鋼主梁部分包括縱梁、橫梁、小縱梁和錨拉板等組成；橋面板支承在由鋼主梁的邊主梁、小縱梁及橫梁組成的梁格系上，主梁截面示意如圖1 所示。

圖1 主梁截面示意圖

2 計算模型

2.1 空間梁單元模型

通過MIDAS CIVIL 軟件建立潮汕大橋梁單元有限元模型進行施工過程分析模型，并采用ANSYS 軟件針對施工過程中最大懸臂端五個節(jié)段建立局部實體有限元模型，采用生死單元法進行施工過程分析。其中，鋼梁模擬采用SHELL181 板殼單元，混凝土橋面板采用SOLID95 實體單元，剪力釘在X（順橋向）、Y（橫橋向）、Z（豎向）三個方向上采用COMBIN14 彈簧單元模擬。由于施工過程中結(jié)構(gòu)體系及荷載基本橫向?qū)ΨQ，因此本模型采用建立1/2 結(jié)構(gòu)模型并施加對稱約束的形式進行模擬，總單元數(shù)為320182，實體有限元模型基本情況分別如圖2所示。

圖2 空間實體有限元模型

2.2 結(jié)構(gòu)材料

主梁鋼材為Q370qD；橋面混凝土板采用C60，普通鋼筋為HRB400 熱軋帶肋鋼筋；剪力釘材料為ML15，直徑為22mm。

2.3 邊界條件

對11#號節(jié)段近橋塔向根部橫斷面建立剛域，施加UX（縱橋向）、UZ（豎向）及各向轉(zhuǎn)動自由度約束，并根據(jù)Midas 模型給于剛域時變的ROTY（豎彎）轉(zhuǎn)動位移；對全部節(jié)段橋梁中心線處縱斷面施加UY（橫橋向）平動約束。

3 主梁施工階段分析

3.1 施工工況設(shè)置

對潮汕大橋最外側(cè)11#、12#、13#、14#、15# 五個節(jié)段的施工過程進行了模擬，為重點考察15#節(jié)段施工時14#節(jié)段的受力狀況，15#節(jié)段施工過程的模擬相對更為細化，總共20 個計算工況，詳細內(nèi)容如下。

工況1：11# 鋼梁激活，11# 索初張拉，索力為1374.7kN。

工況2：11#鋼梁上激活混凝土濕重荷載。

工況3：11#混凝土板激活，鈍化濕重荷載，11#索二次張拉，索力為4245.1kN。

工況4：吊機移至11#梁段，12#鋼梁激活，12#索初張拉，索力為1449.8kN。

工況5：12#鋼梁上激活混凝土濕重荷載。

工況6：12#混凝土板激活，鈍化濕重荷載，12#索二次張拉，索力為4528.9kN。

工況7：11#至12#混凝土板預(yù)應(yīng)力激活。

工況8：吊機移至12#梁段，13#鋼梁激活，13#索初張拉，索力為1519.4kN。

工況9：13#鋼梁上激活混凝土濕重荷載。

工況10：13#混凝土板激活，鈍化濕重荷載，13#索二次張拉，索力為4793.3kN。

工況11：吊機移至13#梁段，14#鋼梁激活，14#索初張拉，索力為1555.2kN。

工況12：14#鋼梁上激活混凝土濕重荷載。

工況13：14#混凝土板激活，鈍化濕重荷載，13#索二次張拉，索力為5051.9kN。

工況14：13#至14#梁段混凝土板預(yù)應(yīng)力激活。

工況15：吊機移至14#梁段，15#主梁吊裝過程，起吊一半鋼梁。

工況16：15#主梁吊裝拼接完成，吊機卸載。

工況17：15#索初張拉，索力為1598.1kN。

工況18：吊機吊裝15#橋面板過程，起吊一半橋面板荷載，鋼梁上激活一半濕重。

工況19：吊機卸載，15#鋼梁上激活全部混凝土濕重荷載。

工況20：15#混凝土板激活，鈍化濕重荷載，15#索二次張拉，索力為5214.3kN。

3.2 計算結(jié)果匯總

對全部懸臂施工過程20 個工況進行計算后，著重關(guān)注了14#節(jié)段工況11 至工況20 主梁的剪力釘縱向內(nèi)力、橋面板縱向應(yīng)力、縱梁縱橋向應(yīng)力、橫梁橫橋向應(yīng)力，結(jié)果如表1 所示。剪力釘縱向應(yīng)力以遠離主塔方向鋼梁拉伸橋面板為正，壓縮橋面板為負，橋面板及鋼梁正應(yīng)力以縱向受拉為正，受壓為負。

表1 14# 節(jié)段計算結(jié)果極值

3.3 剪力釘計算結(jié)果分析

為探究懸臂施工過程中剪力釘縱向內(nèi)力的分布與變化特性，對14#節(jié)段的剪力釘順橋向剪力云圖進行了觀察，部分云圖如圖3 至6 所示。

圖3 14#節(jié)段剪力釘順橋向剪力云圖（單位：N）

圖4 14#節(jié)段剪力釘順橋向剪力云圖（單位：N）

圖5 14#節(jié)段剪力釘順橋向剪力云圖（單位：N）

圖6 14#節(jié)段剪力釘順橋向剪力云圖（單位：N）

當15#懸臂鋼梁拼裝完成時，14#節(jié)段梁端處鋼梁拉伸橋面板，使得14#節(jié)段鋼梁剪力釘?shù)捻槝蛳蚣袅Ξa(chǎn)生的正向剪力驟增，而當15#節(jié)段處拉索初張拉時，由于張拉力由15#鋼梁直接傳遞給14#鋼梁，導(dǎo)致14#鋼梁對橋面板作用由拉伸變?yōu)閴嚎s，剪力釘產(chǎn)生負向剪力。在之后的階段，14#節(jié)段剪力釘縱向剪力無大幅度變化，15#節(jié)段施工完成時最大值為-33.5/15.4kN。

3.4 橋面板計算結(jié)果分析

分析了混凝土橋面板順橋向正應(yīng)力云圖，以判斷其分布規(guī)律，部分云圖如圖7 至9 所示。

圖7 混凝土橋面板順橋向正應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖8 混凝土橋面板順橋向正應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖9 混凝土橋面板順橋向正應(yīng)力云圖（單位：MPa）

在懸臂施工過程中，15# 節(jié)段鋼梁及橋面板吊裝時，將使得14#節(jié)段橋面板吊機位置處出現(xiàn)較大的局部壓應(yīng)力；而在拉索二次張拉時，拉索附近范圍內(nèi)的橋面板將出現(xiàn)較大的局部拉應(yīng)力，且沿順橋向正應(yīng)力有明顯的應(yīng)力擴散趨勢。施工過程中，橋面板最大壓應(yīng)力為-18MPa，最大拉應(yīng)力為1.8MPa。

3.5 鋼梁計算結(jié)果分析

受篇幅所限，并考慮懸臂施工過程中鋼梁以縱向受力為主，本文僅列出部分縱梁順橋向正應(yīng)力云圖并進行分析，云圖見圖10 至圖12。

圖10 14#縱梁順橋向正應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖11 14#縱梁順橋向正應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖12 14#縱梁順橋向正應(yīng)力云圖（單位：MPa）

14#節(jié)段鋼縱梁在完成二次張拉及橋面板預(yù)應(yīng)力張拉后處于受壓彎懸臂上撓狀態(tài)，而15#節(jié)段拉索一二次張拉亦會增大14#節(jié)段的受彎上撓效應(yīng)，但除一二次張拉以外的施工階段則將對14#節(jié)段鋼縱梁內(nèi)的彎矩起到卸載作用；此外，鋼縱梁頂板在錨拉板后側(cè)位置處存在較大局部壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為119Mpa。

4 結(jié)論

⑴通過通用有限元軟件ANSYS 建立了潮汕大橋鋼混組合梁空間實體有限元計算模型，并通過MIDAS 梁單元整體模型提取了相應(yīng)施工工況的對應(yīng)索力，對主梁最外側(cè)11#、12#、13#、14#、15#五個節(jié)段的施工過程進行了模精細化擬。

⑵當后一節(jié)段懸臂鋼梁拼裝完成時，將導(dǎo)致前一節(jié)段梁端處鋼梁拉伸橋面板，使得該處剪力釘?shù)恼蚣袅E增，而后一節(jié)段拉索初張拉產(chǎn)生的軸力會直接傳遞給前一節(jié)段鋼梁，進而壓縮前一節(jié)段橋面板并使得剪力釘產(chǎn)生負向剪力，后一節(jié)段此外的施工過程中前一階段剪力釘剪力無劇烈變化。

⑶后一節(jié)段鋼梁及橋面板吊裝時，會使得前一節(jié)段橋面板吊機位置處出現(xiàn)較大局部壓應(yīng)力，而拉索附近范圍內(nèi)的橋面板在本節(jié)段拉索進行二次張拉時將出現(xiàn)較大的局部拉應(yīng)力，且沿順橋向正應(yīng)力有明顯的應(yīng)力擴散趨勢。

⑷當前節(jié)段完成二次張拉及橋面板預(yù)應(yīng)力張拉時，將處于受壓彎懸臂上撓狀態(tài)，而在后一節(jié)段施工過程中，拉索一二次張拉會增大前一節(jié)段的受彎上撓效應(yīng)，此外的過程則對前一節(jié)段鋼縱梁的彎矩起到卸載作用，另外，鋼縱梁頂板在錨拉板后側(cè)位置處存在較大局部壓應(yīng)力。