斜彎組合梁橋關(guān)鍵施工階段負彎矩區(qū)力學(xué)性能研究

唐 翔,應(yīng)黃誠,彭衛(wèi)兵

(1.杭州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 310012;2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

為探究斜彎橋及相應(yīng)鋼混組合梁橋的力學(xué)性能,國內(nèi)外學(xué)者采用包括理論、現(xiàn)場試驗及數(shù)值分析等方法進行研究。耿傳鵬等[1]、Gupta等[2]和Shamsabadi等[3]通過建立斜彎橋模型,以斜交角及曲率半徑為因素,研究分析斜彎橋的撓曲效應(yīng)和抗震性能。魏燕玲[4]和王景全等[5]根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析鋼混組合梁的不同施工階段。Liu等[6-7]研究了鋼混組合梁對于空間任意彎曲情況下的非線性時變分析的數(shù)值公式,并得出收縮徐變效應(yīng)會影響曲線組合梁橋的長期性能。樊建生等[8-9]研究混凝土收縮徐變、開裂對長期受力性能的影響,表明在正彎矩段混凝土變形將達到初始彈性變形的2.5倍,提出采用預(yù)制板可以有效降低混凝土收縮徐變效應(yīng)引起的不利拉應(yīng)力。

目前,國內(nèi)外學(xué)者主要從數(shù)值分析的角度研究了組合梁負彎矩區(qū)的混凝土抗裂性能,實際開展的斜彎組合梁現(xiàn)場有效試驗數(shù)據(jù)相對匱乏。筆者依托實際工程案例,通過負彎矩區(qū)應(yīng)力和變形監(jiān)測,探究應(yīng)力以及空間力學(xué)性能變化,為有效提升斜彎組合梁橋負彎矩混凝土抗裂性能提供理論和數(shù)據(jù)支持。

1 工程概況

依托工程為一座兩跨的斜彎鋼混組合梁橋,位于杭州繞城西復(fù)線的汪家埠樞紐F匝道,橋長85 m,跨徑布置為(45+40) m,橋面橫坡4%。鋼混組合梁上跨杭州繞城高速主線,受高速中間分隔帶寬度限制,中墩錯孔布置。F匝道2號橋平面圖如圖1所示,標(biāo)準(zhǔn)斷面圖如圖2所示。

圖1 F匝道2號橋平面圖(單位:cm)Fig.1 Floor plan of No.2 bridge on F ramp (unit: cm)

圖2 F匝道2號橋標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位:mm)Fig.2 Standard sectional drawing of No.2 bridge on F ramp (unit: mm)

2 有限元模型的建立

2.1 有限元參數(shù)設(shè)置

筆者案例橋模型單元類型均選擇梁單元,鋼箱部分采用Q345d低合金高強度鋼,混凝土橋面板采用C40混凝土,以Midas的彈塑性模型為本構(gòu),并根據(jù)規(guī)范對混凝土設(shè)置了時間依存特性,可充分考慮其收縮徐變特性。各材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

根據(jù)設(shè)計圖紙,模型共設(shè)置了6個球型支座,支座型號和約束方向如圖3所示。

圖3 支座布置圖Fig.3 Support layout

用彈性連接的方式模擬主梁單元與支座節(jié)點的連接,分別按照約束方向設(shè)定相應(yīng)的剛度,如表2所示。

表2 支座彈性連接剛度

全橋施工共分為7個階段,如表3所示。

表3 全橋施工階段劃分

2.2 施工階段應(yīng)力分析

因為施工過程中,在中墩頂部設(shè)置了臨時支座,并于完成相關(guān)施工工況后進行了拆除,所以施工過程中該處的應(yīng)力變化較大。將拆除臨時支撐階段、落梁階段及施加二期恒載階段作為關(guān)鍵施工階段,研究中墩頂部位于負彎矩區(qū)段的應(yīng)力變化。

2.2.1 橋面板部分

橋面板關(guān)鍵施工階段最大應(yīng)力和關(guān)鍵施工階段橋面板應(yīng)力如圖4,5所示。由圖4,5可知:橋面板的關(guān)鍵施工階段最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別出現(xiàn)在拆除臨時支撐和施加二期恒載階段。可以明顯發(fā)現(xiàn):在落梁之后,橋面板的拉應(yīng)力減小,內(nèi)外側(cè)橋面板的負彎矩區(qū)范圍分別減少93.5%和87.3%。由此可得在拆除臨時支撐之后再進行落梁施工能減小橋面板的拉應(yīng)力以及負彎矩區(qū)范圍。

圖4 橋面板關(guān)鍵施工階段最大應(yīng)力圖Fig.4 Maximum stress diagram of bridge decks in key construction stage

圖5 關(guān)鍵施工階段橋面板應(yīng)力Fig.5 Stress of bridge panel during key construction stages

2.2.2 鋼箱梁部分

鋼箱梁關(guān)鍵施工階段最大應(yīng)力和關(guān)鍵施工階段鋼箱梁應(yīng)力如圖6,7所示。由圖6,7可知:鋼箱梁關(guān)鍵施工階段的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別出現(xiàn)在施加二期恒載和拆除臨時支撐階段。落梁之后,外側(cè)的鋼箱梁受壓區(qū)顯著減小,而內(nèi)側(cè)的鋼箱梁處于受拉狀態(tài)。由此可知落梁施工之后能減小鋼箱梁的受壓區(qū)范圍。

圖6 鋼箱梁關(guān)鍵施工階段最大應(yīng)力圖Fig.6 Maximum stress diagram of steel box girder in key construction stage

圖7 關(guān)鍵施工階段鋼箱梁應(yīng)力Fig.7 Stress of steel box girder in key construction stage

3 現(xiàn)場實測方案驗證

現(xiàn)場的實測,首先通過在不同監(jiān)測截面安裝應(yīng)變計,得到混凝土橋面板與鋼箱梁的不同部位的應(yīng)力值;然后通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、整理,并與有限元計算結(jié)果進行對比從而驗證可靠性。組合梁橋截面位置圖如圖8所示,分別在3個監(jiān)測截面的橋面板共使用24個振弦式埋入應(yīng)變計,在鋼箱梁共使用24個振弦式表面應(yīng)變計。2號截面為橋墩正上方,1號及3號截面分別位于2號截面左右相距3.5 m處。各截面測點布置圖如圖9所示。圖9(a)中,2號截面處的橋面板設(shè)置6個監(jiān)測點,而1號截面與3號截面各設(shè)置4個監(jiān)測點。圖9(b)中,3個截面處的鋼箱處均設(shè)置8個監(jiān)測點,分別布置在鋼箱的四角。

圖8 組合梁橋截面位置圖Fig.8 Composite girder bridge section location diagram

圖9 各截面測點布置圖(單位:mm)Fig.9 Layout of measuring points of each section (unit: mm)

傳感器布置如圖10所示。圖10(a)中,橋面板頂板測點處的應(yīng)變計均布置了順橋向和橫橋向的,而底板測點處的分別按圖10(a)所示布置。圖10(b)中,每個截面處的鋼箱四角測點處的應(yīng)變計均布置順橋向。

圖10 傳感器布置圖Fig.10 Strain layout

3.1 實測數(shù)據(jù)處理

在2020年7月中旬至11月期間,經(jīng)歷了頂升、落梁等多個施工階段,且在自然環(huán)境的溫度作用下,橋梁混凝土?xí)蛎浭湛s,梁體會產(chǎn)生相應(yīng)的溫度應(yīng)力。而結(jié)構(gòu)某點的總應(yīng)力主要包括混凝土收縮徐變引起的應(yīng)力、結(jié)構(gòu)的恒荷載和各種活荷載以及相應(yīng)的溫度應(yīng)力等。為了便于進行相對分析,以采樣頻率為每10 min采集一次數(shù)據(jù),每天每個傳感器共有144個數(shù)據(jù),特選取2號截面2020年7月至11月的橋面板以及鋼梁的數(shù)據(jù)進行分析,原始監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖11,12所示。由圖11,12可知:2020年7月中旬至11月,每日氣溫變化明顯,數(shù)據(jù)存在較大波動,溫度變化對數(shù)據(jù)的影響較為顯著,可見斜彎組合梁橋中結(jié)構(gòu)應(yīng)力值與其對應(yīng)的溫度之間具有相關(guān)性。

圖11 2020年7月至11月橋面板2號截面應(yīng)力與溫度曲線Fig.11 Stress and temperature curve of No.2 section of bridge deck from July to November 2020

圖12 2020年7月至11月鋼梁2號截面應(yīng)力與溫度曲線Fig.12 Stress and temperature curve of No.2 section of steel box girder from July to November 2020

選取鋼箱梁的2號截面外側(cè)的上下測點的數(shù)據(jù)進行研究,具體情況如圖13所示。由圖13可知:2號截面鋼箱梁外側(cè)測點的右側(cè)上下的數(shù)據(jù)有明顯的變化規(guī)律,其中位于上側(cè)的測點處的應(yīng)力突然減小,而位于下側(cè)的測點處的應(yīng)力突然增大,且時間恰好處于落梁施工階段。由此可知,鋼箱梁在經(jīng)歷了落梁施工階段,應(yīng)力的變化幅度會由一個穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換為另一個穩(wěn)態(tài),梁體的拉壓應(yīng)力增量均處于安全范圍。而鋼箱梁因落梁施工造成的應(yīng)力差值取當(dāng)天11時與18時的圖中兩條應(yīng)力穩(wěn)定中心線的差值即可。

圖13 8月1日至8月7日鋼箱梁2號截面測點數(shù)據(jù)圖Fig.13 Data of the measuring point of the No.2 section of the steel box girder from August 1st to August 7th

3.2 有限元模擬結(jié)果驗證

Midas和實測結(jié)果落梁階段縱橋向差值匯總圖如圖14所示。由圖14可知現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)均偏小。Midas軟件計算得到的應(yīng)力差值和現(xiàn)場實測的應(yīng)力差值由折線可以判斷,各測點之間的數(shù)據(jù)變化較為一致,有限元數(shù)值模擬計算結(jié)果可以較安全地計算各階段混凝土主梁的應(yīng)力。

圖14 Midas和實測結(jié)果落梁階段縱橋向差值匯總圖Fig.14 Midas, the measured results of the longitudinal bridge direction difference in the falling beam stage summary chart

Midas和實測結(jié)果落梁階段差值匯總圖如圖15所示。由圖15可知:除2號截面右下測點外,其余各測點在落梁階段的實測差值均偏小。Midas軟件計算得到的差值與實測差值在各個測點的數(shù)據(jù)變化趨于一致。

圖15 Midas和實測結(jié)果落梁階段差值匯總圖Fig.15 Midas, the measured results of the drop beam stage difference summary chart

4 結(jié) 論

以杭州繞城西復(fù)線汪家埠樞紐F匝道2號橋為分析對象,通過有限元軟件模擬計算以及現(xiàn)場布置傳感器進行應(yīng)力監(jiān)測,研究斜彎鋼混組合梁橋關(guān)鍵施工階段負彎矩區(qū)的力學(xué)性能,得到以下結(jié)論:1) 在拆除臨時支撐之后再進行落梁施工能減小橋面板處拉應(yīng)力數(shù)值以及橋面板負彎矩區(qū)范圍,也能減小鋼箱梁受壓區(qū)范圍,由此可知落梁施工可作為斜彎連續(xù)組合梁的抗裂方法之一;2) 雖然現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)基本偏小,但是在施工階段中現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與Midas模擬所得結(jié)果的變化規(guī)律較為一致,說明數(shù)據(jù)具有良好的可靠性。