異步施工波腹板PC 組合箱梁橋模型試驗(yàn)研究

代浩 ，鄭和暉 ，杜松

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430013；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430014；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能建造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430014）

0 引言

在混凝土箱梁中采用鋼腹板的設(shè)計(jì)思想最早由法國工程師提出，后經(jīng)逐步優(yōu)化將最初的平面鋼腹板改為波形鋼腹板，從而定型為一種更為合理的波形鋼腹板PC 組合箱梁橋。外力作用下，波腹板幾乎不承受軸力和彎矩，預(yù)應(yīng)力的保證具有先天優(yōu)勢，波腹板主要承受剪力，結(jié)構(gòu)受力明確，與同跨徑的普通PC 箱梁相比，波腹板PC 箱梁自重可減輕25%~30%，近年來得到廣泛的推廣應(yīng)用[1-2]。

在施工工藝方面，滿堂支架法、懸臂澆筑法、頂推施工是波腹板PC 組合箱梁橋施工的主流方法。異步施工法則是一種新型的掛籃懸澆施工工藝，最初由日本發(fā)明，目前資料記載的案例僅有日本信樂橋、日本津久見川橋、四川頭道河大橋，武西高速桃花峪黃河大橋，運(yùn)寶黃河大橋副橋等，相關(guān)研究比較匱乏。

王達(dá)、黃海珊等[3-5]以頭道河大橋?yàn)檠芯繉ο?，利用ANSYS 建立局部精細(xì)化有限元模型，分析了施工全過程關(guān)鍵截面和掛籃的受力及變形。結(jié)果表明，異步施工工藝操作簡單、經(jīng)濟(jì)效益好且根部混凝土和波腹板剪力均符合規(guī)范要求。

羅炎波等[6]依托寧波奉化江大橋介紹了異步施工工藝流程，建議下翼緣角鋼連接件采用“開孔板+焊釘”形式，并利用局部模型驗(yàn)證了可行性。

黃強(qiáng)[7]以武西高速桃花峪黃河大橋?yàn)槔?，對新型異步懸臂澆筑工藝和掛籃構(gòu)造進(jìn)行了介紹，進(jìn)一步探討了波腹板PC 組合箱梁橋的應(yīng)用范圍。

岳宏智等[8]以山東小清河特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用Midas FEA 軟件建立全橋上部結(jié)構(gòu)精細(xì)化實(shí)體模型模擬了異步施工全過程，研究了混凝土和波形鋼腹板的應(yīng)力及變形。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)受力合理，應(yīng)力始終處于安全范圍內(nèi)，驗(yàn)證了工法的可行性。

由相關(guān)資料調(diào)研可知，目前對于異步施工的相關(guān)研究大多停留在理論分析及數(shù)值模擬階段，鑒于異步施工工藝尚不成熟，為確?！爱惒绞┕しā苯Y(jié)構(gòu)安全與施工可行性，更好地研究實(shí)際條件下的主梁變形和內(nèi)力控制，本文針對運(yùn)寶黃河大橋副橋進(jìn)行了大縮尺比模型試驗(yàn)，對重要施工節(jié)點(diǎn)的截面應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，同時(shí)建立了TDV 精細(xì)化計(jì)算模型進(jìn)行對比分析，以對異步施工的研究及推廣應(yīng)用提供有益借鑒。

1 工程簡介

運(yùn)寶黃河大橋副橋全長906 m（48 m+9×90 m+48 m），為雙幅波形鋼腹板剛構(gòu)-連續(xù)組合體系梁橋，其橋墩F1—F3、F8—F11 為墩梁分離連續(xù)體系，F(xiàn)4—F7 為墩梁固結(jié)剛構(gòu)體系。主梁采用C55混凝土單箱單室結(jié)構(gòu)，箱梁頂面寬15.5 m，底寬8.5 m，跨中高度為2.7 m。

箱梁腹板采用波形鋼腹板，腹板與主梁頂板采用“T-PBL”（雙開孔板）連接件，與底板采用外包式連接件，運(yùn)寶大橋副橋施工采用新型異步施工法懸臂澆筑工藝。

2 模型試驗(yàn)

2.1 目的

1）驗(yàn)證“異步施工法”工藝條件下，施工階段主體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，尤其是波腹板的變形和應(yīng)力水平；

2）對比分析傳統(tǒng)后支點(diǎn)菱形掛籃和專用輕質(zhì)掛籃工藝，驗(yàn)證異步施工法的便利性（頂?shù)装濯?dú)立工作面施工），專用輕質(zhì)掛籃在波腹板上行走的可行性（圖 1）。

圖1 異步施工法新型輕質(zhì)掛籃Fig.1 A new type of lightweight hanging basket with asynchronous construction method

2.2 相似分析

試驗(yàn)采用1∶4 幾何縮尺比，模型和原型應(yīng)力一致，根據(jù)相似理論，確定箱梁模型長度、寬度、截面慣性矩、外加荷載等幾何特性，再現(xiàn)實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)的響應(yīng)特征，由此達(dá)到控制原結(jié)構(gòu)的使用安全性和施工可行性。

2.3 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)前述幾何縮尺比，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)為全長8.1 m，模型0 號塊左側(cè)采用傳統(tǒng)菱形掛籃施工，施工節(jié)段為①—③；模型0 號塊右側(cè)采用異步施工法施工，施工節(jié)段為①—④；模型節(jié)段編號及詳細(xì)尺寸如圖2 所示。

圖2 縮尺模型示意圖（cm）Fig.2 Schematic diagram of scale model(cm)

異步施工法作業(yè)區(qū)施工順序?yàn)槭紫冗M(jìn)行N+1段波形鋼腹板安裝，其次為N 節(jié)段底板施工，最后施工N-1 節(jié)段頂板，上下作業(yè)面的增加有效提高了施工效率，減少了相互干擾，縮短了工期[9]。

2.4 測試斷面

測試斷面選取圖2 截面0 號—4 號，其中3號截面具體測點(diǎn)布置如圖3 所示，SP01—SP06 為混凝土應(yīng)力測點(diǎn)，SP07、SP08 為底板鋼混結(jié)合區(qū)和混凝土底板頂面的補(bǔ)充測點(diǎn)，ST01—ST06 為波形鋼腹板應(yīng)力測點(diǎn)。

圖3 測點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of measuring points

2.5 工藝流程

模型試驗(yàn)的總體工藝流程如表1 所示，總共劃分為13 個(gè)施工工序，其中在工序9、工序10及工序13 前后分別進(jìn)行應(yīng)變片數(shù)據(jù)的測試采集工作。

表1 總體工藝流程Table 1 Overall process flow chart

3 理論分析

分別建立運(yùn)寶黃河大橋副橋F4 橋墩1∶1 原型與1∶4 縮尺的TDV 模型如圖4 所示。模擬實(shí)橋0號塊—節(jié)段④的施工過程，最終狀態(tài)為0 號塊右側(cè)新型輕質(zhì)掛籃“4 底3 頂”施工完畢，左側(cè)傳統(tǒng)菱形掛籃節(jié)段③澆筑完成?？紤]最不利試驗(yàn)工況為“4 底3 頂”澆筑完成，選取圖2 中3號最不利截面的應(yīng)力與懸臂端位移值進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

圖4 理論模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of the theoretical model

由表2 可知，最大應(yīng)力和最小應(yīng)力相似比均在1 上下；原型懸臂端位移6.1 mm，模型懸臂端位移1.5 mm，位移相似比4.1，誤差在合理范圍內(nèi)，因此模型相似比關(guān)系吻合較好，本試驗(yàn)縮尺TDV 模型是合理、可用的。

表2 1∶1 原型與1∶4 縮尺模型計(jì)算結(jié)果對比表Table 2 Comparison of calculation results between 1∶1 prototype and 1∶4 scale model

圖 4 為 TDV 縮尺模型“4 底 3 頂”澆筑工況，根據(jù)計(jì)算可知，頂板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在4 號測試截面，且其值很小，這主要是由于4 號截面的頂板預(yù)應(yīng)力張拉抵消了頂板拉力。實(shí)際現(xiàn)場條件下，“4 底3 頂”節(jié)段在異步澆筑過程中，節(jié)點(diǎn)N1017截面并未形成閉口截面，由于其截面剛度較低無法抵抗承受的彎矩和剪力，因此底板最大壓應(yīng)力和波腹板最大應(yīng)力均出現(xiàn)在3 號測試截面N1015節(jié)點(diǎn)，這是符合理論分析的。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 0 號截面施工階段受力分析

用1∶4 縮尺TDV 模型模擬異步施工階段見表3，其中0 號塊0 號截面的測試結(jié)果見圖5~圖6。

表3 數(shù)值模擬施工階段Table 3 Numerical simulation construction stages

圖5 0 號塊根部應(yīng)力理論值Fig.5 Theoretical value of root stress of No.0 block

圖6 0 號塊波腹板應(yīng)力理論值Fig.6 Theoretical stress value of the corrugated steel web of No.0 block

圖5 為0 號塊根部頂?shù)装鍛?yīng)力理論值，由頂板應(yīng)力可以看出，0 號塊端部張拉完成后，頂板處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力為0.93 MPa，隨著施工工序的開展，應(yīng)力值小幅度緩慢增加，在節(jié)段①和節(jié)段②預(yù)應(yīng)力張拉階段（施工階段8、13），頂板壓應(yīng)力均呈現(xiàn)陡增變化，最大壓應(yīng)力分別達(dá)到2.6 MPa 和4.1 MPa。SP08 和SP05 分別代表底板中部的上下邊緣，隨著施工工序的開展，上緣點(diǎn)SP08應(yīng)力變化幅度較小，下緣點(diǎn)SP05 壓力逐漸增大，在兩次預(yù)應(yīng)力張拉階段均有小幅度減小，但相對頂板變化并不明顯，最大壓應(yīng)力在4 底3 頂施工階段達(dá)到0.35 MPa。

圖6 為0 號塊根部波形鋼腹板的應(yīng)力變化圖，3 條曲線分別代表截面上的等距3點(diǎn)ST01、ST02和ST03，ST01 為受拉，ST02 和ST03 呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，且隨著施工工序的開展，各點(diǎn)應(yīng)力值均不斷增加，ST02、ST03 的變化幅度較小，ST01 拉應(yīng)力增加比較明顯，最大拉應(yīng)力為15.5 MPa。

4.2 關(guān)鍵截面受力分析

根據(jù)前述試驗(yàn)預(yù)先布置好的應(yīng)力測點(diǎn)，對模型試驗(yàn)的關(guān)鍵施工階段（階段12—16）完成前后進(jìn)行實(shí)測，由于本試驗(yàn)0 號塊左側(cè)的菱形掛籃主要作為傳統(tǒng)懸臂工藝對照組，僅列出異步施工工藝下的應(yīng)力實(shí)測值，并將數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，典型結(jié)果如圖7 所示。

圖7 3 號截面波腹板應(yīng)力對比圖Fig.7 Stress comparison diagram of corrugated steel web of section 3

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著施工工序的開展，4 號測試截面和3 號測試截面波形鋼腹板、底板應(yīng)力的變化基本一致。對于波腹板來說，ST01 應(yīng)力點(diǎn)表現(xiàn)為拉力，且拉力值不斷增加，ST02、ST03 敏感性相對較小。對于底板來說，底板的下邊緣應(yīng)力點(diǎn)SP05 與上邊緣應(yīng)力點(diǎn)SP08 也有明顯差異，隨著懸臂長度的增加，底板下邊緣壓應(yīng)力不斷增加，模型試驗(yàn)測試分析結(jié)果應(yīng)力變化趨勢與TDV模型理論計(jì)算基本一致。

5 結(jié)語

本文以運(yùn)寶黃河大橋副橋?yàn)檠芯繉ο?，對比分析了波腹板PC 組合箱梁橋異步施工法和傳統(tǒng)菱形掛籃施工的工藝差別，并基于工藝模型試驗(yàn)和TDV 有限元計(jì)算分析了施工過程中各關(guān)鍵截面節(jié)點(diǎn)的受力情況，可得出以下研究結(jié)論：

1）相比傳統(tǒng)菱形掛籃懸臂澆筑，采用異步澆筑法施工時(shí)，波形鋼腹板PC 組合箱梁橋的作業(yè)面可擴(kuò)大到N-1，N 和N+1 節(jié)段，3 個(gè)作業(yè)面可同時(shí)流水施工；專用的輕質(zhì)掛籃可在波腹板剪力鍵內(nèi)直接行走，有效提高施工效率，縮短施工期。

2）波形鋼腹板PC 組合箱梁橋頂板預(yù)應(yīng)力的施加能夠有效控制頂板受力狀態(tài)，此模型試驗(yàn)條件下，節(jié)段①、②在預(yù)應(yīng)力張拉條件下頂板受力由拉力調(diào)整為壓應(yīng)力2.6 MPa 和4.1 MPa，保證了懸臂施工期間T 構(gòu)的線形。

3）異步施工法條件下，當(dāng)前施工節(jié)段的截面未形成閉口截面，截面抗彎及橫向抵抗能力低，為受力薄弱段，建議設(shè)置臨時(shí)支撐以增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，例如波腹板之間的橫撐及剪刀撐等。