公鐵合建鋼桁結(jié)合梁混凝土橋面板橫向分析研究

焦亞萌,簡(jiǎn)方梁,張世基,彭 澍

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司,北京 100055)

鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋全長(zhǎng)34.322 km，其中公鐵合建段長(zhǎng)12.180 km，為鄭濟(jì)高鐵、市域鐵路、鄭新快速路共四線鐵路、六線公路跨越黃河的共同通道。合建段范圍內(nèi)共設(shè)置4種鋼桁結(jié)合梁橋，依次是跨越北大堤(73+139+73) m連續(xù)鋼桁結(jié)合梁[1]，跨越主河槽7-112 m簡(jiǎn)支鋼桁結(jié)合梁、(112+6×168+112) m下變高連續(xù)鋼桁梁結(jié)合梁[2]，跨越南大堤120 m簡(jiǎn)支鋼桁結(jié)合梁。

鋼桁結(jié)合梁均采用上下雙層布置[3-4]，六線公路在上，四線鐵路在下，下面鋼桁梁為三主桁華倫式結(jié)構(gòu)[5-6]，標(biāo)準(zhǔn)段邊桁桁高15.0 m、中桁桁高15.24 m。桁寬(13.4+13.4) m。上層公路橋面板為預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板，總寬32.5 m，采用預(yù)制板+濕接縫組合形式[7-8]，橋面板內(nèi)設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋[9-10]，連續(xù)鋼桁結(jié)合梁橋面板內(nèi)還設(shè)有縱向預(yù)應(yīng)力筋。全橋斷面布置與橋面板平面分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 斷面布置(單位：mm)

圖2 公路橋面板局部平面(單位：mm)

1 橋面板結(jié)構(gòu)與施工順序

1.1 橋面板結(jié)構(gòu)

公路混凝土橋面板全寬32.5 m，支撐于鋼桁梁上弦桿上，為增大板跨越能力，公路橋面板結(jié)構(gòu)采用帶肋板的T形斷面形式，跨中板厚30 cm，肋高40 cm，肋寬39 cm，靠近支承附近加寬至52 cm。邊桁和中桁支點(diǎn)處板厚70 cm，邊桁外不再設(shè)置肋板。根據(jù)其部位及施工順序分為預(yù)制板、橫向濕接縫[15-16]、縱向濕接縫、剪力槽四部分。

預(yù)制板橫向分為2塊，每塊長(zhǎng)15.88 m，沿中桁中心線對(duì)稱(chēng)布置，橫橋向中桁頂兩塊預(yù)制板之間設(shè)置74～90 cm的縱向濕接縫，縱橋向兩塊預(yù)制板之間設(shè)置50～80 cm橫向濕接縫。一個(gè)主桁節(jié)間長(zhǎng)度內(nèi)布置4塊預(yù)制板，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制板塊分為A、B類(lèi)兩種類(lèi)型。A類(lèi)預(yù)制板縱向?qū)?.02 m， B類(lèi)預(yù)制板縱向?qū)?.3 m。兩類(lèi)橋面板與不同寬度的橫向濕接縫組合，適用于合建段4種鋼桁結(jié)合梁不同長(zhǎng)度的主桁節(jié)間組合。橋面板立面與截面布置分別見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 1/2橋面板結(jié)構(gòu)(括號(hào)內(nèi)為B類(lèi)板，單位：mm)

圖4 A類(lèi)橋面板截面(括號(hào)內(nèi)為B類(lèi)板，單位：mm)

為加強(qiáng)預(yù)制板與邊桁的結(jié)合，預(yù)制板在邊桁上間斷設(shè)置剪力釘槽，為提高現(xiàn)澆縫新老混凝土之間的縱、橫向抗剪能力，預(yù)制板邊緣開(kāi)有鋸齒形剪力槽，并按要求進(jìn)行鑿毛處理?？v向濕接縫與剪力槽內(nèi)設(shè)置有φ22 mm圓柱頭剪力釘來(lái)加強(qiáng)鋼桁梁與橋面板的連接[11-12]。

為減少混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響[13-14]，要求預(yù)制板存放時(shí)間不少于6個(gè)月。

橫向預(yù)應(yīng)力采用先張束與后張束相結(jié)合的布置方式。先張束采用7φ5 mm的鋼絞線，后張束分為兩種，肋板內(nèi)布置為15-7φ5 mm鋼鉸線，頂板內(nèi)布置5-7φ5 mm鋼絞線。以A類(lèi)橋面板為例，預(yù)應(yīng)力截面布置見(jiàn)圖5。先張束全部布置在預(yù)制板范圍內(nèi)，預(yù)制時(shí)通過(guò)先張臺(tái)座進(jìn)行張拉，后張束則穿過(guò)縱向濕接縫和剪力釘槽，或者布置在橫向濕接縫內(nèi)，在橋面板吊裝就位，濕接縫混凝土完成后進(jìn)行張拉。

圖5 A類(lèi)橋面板預(yù)應(yīng)力布置截面(單位：mm)(點(diǎn)表示先張束，方框表示后張束)

1.2 橋面板施工順序

橋面板的施工順序，就是預(yù)制板、濕接縫、剪力槽三部分混凝土結(jié)構(gòu)和先張束、后張束兩部分預(yù)應(yīng)力鋼束相組合的施工順序，設(shè)計(jì)的施工順序如下。

(1)橋面板預(yù)制。綁扎橋面板鋼筋，在臺(tái)座上張拉第1批先張預(yù)應(yīng)力筋，澆筑橋面板，養(yǎng)生，待混凝土強(qiáng)度和彈模均達(dá)到設(shè)計(jì)值90%并不小于3 d后，放張先張預(yù)應(yīng)力，橋面板的移梁、存放。存放時(shí)間不少于6個(gè)月。

(2)澆筑縱縫和橫縫。安裝及焊接公路橋面板的縱縫內(nèi)鋼筋及橫縫鋼筋，澆筑縱縫及橫縫內(nèi)的自密實(shí)混凝土(注意預(yù)留橫縫內(nèi)對(duì)應(yīng)的邊桁上方剪力槽不澆筑)，待混凝土強(qiáng)度和彈模均達(dá)到設(shè)計(jì)值100%并不小于10 d后，張拉橋面板內(nèi)的后張橫向預(yù)應(yīng)力筋并封錨。

(3)縱向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉。

(4)最后澆筑預(yù)制板剪力槽和橫縫預(yù)留的剪力槽，待混凝土強(qiáng)度和彈模均達(dá)到設(shè)計(jì)值100%并不小于7 d后，進(jìn)行后續(xù)工作。

上述施工順序中，邊桁鋼梁與混凝土板的結(jié)合放在后張橫向預(yù)應(yīng)力筋張拉之后，可以有效提高預(yù)應(yīng)力筋的效力，同時(shí)要注意核實(shí)張拉后橋面板在邊桁上的支撐點(diǎn)不至于出現(xiàn)脫空。

以上施工步驟主要為橋面板橫橋向上相關(guān)的施工順序?？缰骱硬?112+6×168+112) m和跨北大堤 (73+139+73) m的兩聯(lián)連續(xù)鋼桁結(jié)合梁，在全橋施工方案中采取縱向分段澆筑濕接縫，分段張拉縱向預(yù)應(yīng)力筋，同時(shí)還伴有支點(diǎn)的頂落梁措施。因此，全橋的混凝土橋面板的施工組織上還需要結(jié)合縱橋向施工順序做全盤(pán)考慮。

2 帶肋板與無(wú)肋板對(duì)比分析

橋面板采用帶肋板結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行無(wú)肋板與帶肋板模型計(jì)算分析，對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)形式的受力特征。橋面板采用板單元模擬，兩側(cè)鋼桁上弦與混凝土加厚段采用梁?jiǎn)卧M，橫肋采用梁?jiǎn)卧M，間距3 m。邊界條件約束按間距15 m主桁節(jié)點(diǎn)考慮，建立3跨模型見(jiàn)圖6。

圖6 無(wú)肋板與帶肋板的分析模型

2.1 集中力

分別在無(wú)肋板和帶肋板跨中縱向不同位置單獨(dú)作用100 kN的集中力F1～F5，作用點(diǎn)位置見(jiàn)圖7。無(wú)肋板和帶肋板在對(duì)應(yīng)各工況下的橫向延米彎矩Myy、縱向延米彎矩Mxx及橫肋彎矩分別見(jiàn)圖8、圖9和表1。

圖7 帶肋板集中荷載工況作用點(diǎn)位示意

圖8 F4工況彎矩圖(上面為無(wú)肋板，下面是帶肋板)

圖9 F5工況彎矩圖(上面為無(wú)肋板，下面是帶肋板)

由表1可以看出：

表1 集中力下彎矩 kN·m

(1)兩邊鋼桁上弦與混凝土加厚梁段具有足夠的剛度。無(wú)肋板各工況下的橫向彎矩、縱向彎矩基本相同，與荷載作用點(diǎn)位無(wú)關(guān)。帶肋板作用于橫肋上或橫肋跨中時(shí)，其橫向彎矩值、縱向彎矩值也基本相同。

(2)集中力下，帶肋板由于橫肋的設(shè)置，相比無(wú)肋板，板的橫向彎矩與縱向彎矩均明顯減小。而且由于板肋的設(shè)置，板由橫向傳力為主變?yōu)榭v向傳力為主。

(3)當(dāng)集中力作用肋板位置處，由于肋的加勁作用，板的縱、橫向彎矩減小幅度相比集中力作用在兩肋中間時(shí)更大。當(dāng)集中力在兩肋中間位置時(shí)，橫向彎矩大約為無(wú)肋板的65%，縱向彎矩大約為無(wú)肋板的85%。

2.2 線荷載

分別在無(wú)肋板和帶肋板跨中作用F11=100 kN/m的線荷載。無(wú)肋板和帶肋板的橫向延米彎矩Myy、縱向延米彎矩Mxx分別見(jiàn)圖10和表2。

圖10 線荷載作用下彎矩圖(上面為無(wú)肋板，下面是帶肋板)

表2 線荷載下彎矩 kN·m/m

由表2可以看出：

(1)線荷載作用下，無(wú)肋板呈現(xiàn)出典型的單向板特性(由于泊松比存在，縱橫向彎矩值之比為0.2)。

(2)線荷載作用下，帶肋板由于橫肋的設(shè)置，相比無(wú)肋板，板的橫向彎矩與縱向彎矩均明顯減小。且橫肋和橫肋中間位置處的橫向、縱向彎矩值差別不大。

(3)線荷載作用下，帶肋板橫向彎矩大約為無(wú)肋板的22%，縱向彎矩大概為38%左右。

可見(jiàn)，通過(guò)橫肋的設(shè)置，無(wú)論在集中荷載下還是線荷載作用下，均可以有效減小橋面板的橫向和縱向彎矩。

以本橋中橋面板為例，甚至橫肋，單塊預(yù)制板肋增加約2 m3混凝土，折算板厚約4 cm。可見(jiàn)，帶肋板增加較少混凝土取得較大的跨越能力。而且將增加的肋板設(shè)置在預(yù)制板塊上，現(xiàn)場(chǎng)濕接縫的澆筑仍是面板之間的連接，不增加現(xiàn)場(chǎng)施工的復(fù)雜性。

3 橋面板橫向分析處理

橋面板橫向計(jì)算時(shí)，對(duì)預(yù)制板和濕接縫兩部分進(jìn)行分析[17-18]，可以看出：

(1)橫向濕接縫混凝土達(dá)到強(qiáng)度前，預(yù)制板自重、先張預(yù)應(yīng)力筋、濕接縫混凝土濕重等荷載僅由預(yù)制板結(jié)構(gòu)承擔(dān)。

(2)當(dāng)橫向濕接縫混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，二期恒載、活載、不均勻沉降、溫度等成橋荷載則由預(yù)制橋面板和濕接縫共同承擔(dān)。

由于橫向濕接縫達(dá)到強(qiáng)度前后，截面不同，承擔(dān)荷載也不同，很難用一個(gè)模型來(lái)進(jìn)行模擬。因此在設(shè)計(jì)中根據(jù)施工順序，采用了兩個(gè)模型分別計(jì)算，手動(dòng)進(jìn)行應(yīng)力疊加的方式進(jìn)行預(yù)制板和濕接縫部分各自應(yīng)力的詳細(xì)分析。

(1)第一個(gè)模型，按預(yù)制板的截面尺寸建立模型，包括以下施工過(guò)程：生成預(yù)制板—橫向先張預(yù)應(yīng)力張拉—放置6個(gè)月—橫向濕接縫濕重—中桁上縱縫固結(jié)，此時(shí)上下緣應(yīng)力記為σ1。

(2)第二個(gè)模型，按照橫向濕接縫達(dá)到強(qiáng)度后的整體板的截面尺寸建立模型，包括以下施工過(guò)程：生成整體板(預(yù)制板+濕接縫截面，不計(jì)這兩部分自重)—橫向后張預(yù)應(yīng)力張拉—二期恒載加載—收縮徐變完成，此時(shí)上下緣應(yīng)力記為σ2。

在第二模型上，進(jìn)行成橋階段的各工況的荷載分析，分別統(tǒng)計(jì)上下緣應(yīng)力結(jié)果：沉降工況σ3，活載工況σ4，溫度工況σ5。

預(yù)制板和濕接縫各部分應(yīng)考慮的應(yīng)力組合見(jiàn)表3。

表3 各部分應(yīng)力組合

需要說(shuō)明的是，由于肋板設(shè)置在預(yù)制板上，所以預(yù)制板的截面下緣點(diǎn)在整體截面肋板下緣。而濕接縫部分的下緣點(diǎn)則不在整體截面肋板下緣，而位于橋面板下，考慮其值不控制，所以統(tǒng)計(jì)濕接縫部分的應(yīng)力時(shí)，不考慮整體截面中肋板部分的下緣應(yīng)力值。

按照公路設(shè)計(jì)規(guī)范[19-20]，標(biāo)準(zhǔn)組合和頻遇組合下預(yù)制板和濕接縫上、下緣應(yīng)力分別見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)組合下各部位上、下緣壓應(yīng)力(半幅)

圖12 頻遇組合下各部位上、下緣拉應(yīng)力(半幅)

由圖11、圖12可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)組合和頻遇組合下，預(yù)制板、濕接縫的上、下緣應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 預(yù)制板局部應(yīng)力分析

為提高橫向預(yù)應(yīng)力的效力，設(shè)計(jì)后張橫向預(yù)應(yīng)力束張拉后再進(jìn)行邊桁上方的剪力槽的澆筑，實(shí)現(xiàn)邊桁與橋面板的結(jié)合。

每個(gè)剪力槽內(nèi)穿過(guò)有1束5-7φ5 mm的鋼絞線，需要先進(jìn)行錨固再澆筑剪力槽。相當(dāng)于預(yù)應(yīng)力筋要錨固在剪力槽空洞的前方，需通過(guò)有限元實(shí)體單元對(duì)該工況下的局部應(yīng)力情況進(jìn)行分析。實(shí)體單元有限元模型見(jiàn)圖13，剪力槽側(cè)壁主拉應(yīng)力云圖見(jiàn)圖14。

圖13 實(shí)體單元有限元模型

圖14 剪力槽側(cè)壁主拉應(yīng)力云圖

從圖14可見(jiàn)，預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后，在剪力槽側(cè)壁大約出現(xiàn)5 MPa左右的主拉應(yīng)力。為此，在預(yù)制板剪力槽橫向側(cè)面內(nèi)，設(shè)計(jì)中采用φ25 mm的鋼筋，豎向間距100 mm布置進(jìn)行了加強(qiáng)，保證預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)預(yù)制板的局部安全。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合鄭濟(jì)高鐵黃河特大橋公鐵合建鋼桁結(jié)合梁混凝土橋面板結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)其橋面板結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力筋、橫向計(jì)算等方面的分析研究，結(jié)論如下。

(1)相較于無(wú)肋板，帶肋混凝土橋面板在集中荷載和線荷載作用下，板的橫向彎矩與縱向彎矩均大幅降低。橋面板通過(guò)設(shè)置肋板，板的橫向跨越能力會(huì)得到較大增強(qiáng)。

(2)通過(guò)先張預(yù)應(yīng)力與后張預(yù)應(yīng)力的合理布置，可以很好地匹配預(yù)制板+濕接縫的橋面板形式，充分發(fā)揮先張預(yù)應(yīng)力與后張預(yù)應(yīng)力各自特點(diǎn)。

(3)預(yù)制板+濕接縫的橫向分析，由于其截面形式與承受荷載的不同，通過(guò)采用兩個(gè)模型，按照其施工成形時(shí)間與對(duì)應(yīng)荷載情況，可實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)制板和濕接縫兩部分分別進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算。