施工過程配重對連續(xù)鋼箱梁支點處橋面板受力改善的研究

嚴(yán)春明

(保利長大工程有限公司，廣東 廣州511431)

鋼箱梁結(jié)構(gòu)具有自重輕、施工時間短、承載能力大、跨度大等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國及世界橋梁中。為提高鋼箱梁結(jié)構(gòu)橋面鋪裝的耐久性，往往在鋼梁上先現(xiàn)澆混凝土橋面板，再進(jìn)行橋面鋪裝，但對連續(xù)結(jié)構(gòu)而言，活載作用會使得支點區(qū)域產(chǎn)生負(fù)彎矩，導(dǎo)致混凝土橋面板產(chǎn)生拉應(yīng)力并開裂。

謝悅[1]通過有限元軟件MIDAS/FEA，研究了不同梁高、上翼緣厚度和上翼緣寬度對負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板受力和開裂問題的影響，并比較三種方案的經(jīng)濟(jì)性，得出效率最高的優(yōu)化方案。張洪祥[2]通過建立 MIDAS/FEA 局部有限元模型，分析了負(fù)彎矩區(qū) UHPC 與普通混凝土結(jié)合段的受力性能、傳力機(jī)制；并采用全壽命經(jīng)濟(jì)分析的方法，對負(fù)彎矩區(qū)設(shè)置普通混凝土橋面板結(jié)合頂落梁施工和負(fù)彎矩區(qū)設(shè)置 UHPC 橋面板結(jié)合簡支變連續(xù)施工的全壽命經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析。李劍鸞[3]以4×25 m鋼混組合連續(xù)梁橋為研究對象,通過有限元軟件ALGOR計算分析發(fā)現(xiàn),結(jié)合應(yīng)用支座橋面板滯后施工方法和支座頂升方法,能夠較好地解決鋼混組合連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板的拉應(yīng)力問題。劉少華[4]分析了影響組合梁負(fù)彎矩區(qū)受力性能的因素,改進(jìn)了拉應(yīng)力的技術(shù)措施及負(fù)彎矩的設(shè)計方法。陳林[5]比較了各種減小負(fù)彎矩區(qū)內(nèi)混凝土橋面板的拉應(yīng)力的方法，負(fù)彎矩區(qū)橋面板受力性能的改善可確保結(jié)構(gòu)的耐久性和使用性能。曾德禮等[6]研究先簡支后連續(xù)、中支點橋面板滯后結(jié)合并采用支點升降法的施工措施，監(jiān)測結(jié)果表明,體系轉(zhuǎn)換完成后、二期恒載鋪設(shè)前各墩墩頂混凝土頂板壓應(yīng)力儲備為3.01～4.70 MPa，在二期恒載鋪裝前橋面線形的實測值與設(shè)計值偏差普遍在3 cm以內(nèi)，墩頂體系轉(zhuǎn)換時應(yīng)力和線形控制較好。

本文以香海大橋支線工程坦洲樞紐互通G匝道上跨西部沿海高速主跨跨徑31 m的3跨連續(xù)鋼箱梁橋為對象，研究施工過程中不同區(qū)域內(nèi)施加配重并在成橋后卸載對支點處橋面板混凝土的受力改善。通過建立有限元模型，研究邊跨區(qū)域配重、中跨區(qū)域配重以及邊、中跨同時配重對橋面板受力的影響規(guī)律，并通過現(xiàn)場應(yīng)力監(jiān)測對其實施效果加以驗證。

1 工程概況

香海大橋支線工程位于廣東省珠海市，是東部城區(qū)西北部的主要門戶道路，也是珠海市對外交通聯(lián)系的重要高速公路通道。本文以香海大橋支線工程坦洲樞紐互通G匝道3×31 m連續(xù)鋼箱梁橋為研究對象，其橋梁上部結(jié)構(gòu)為鋼箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩，樁基為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋面板采用15 cm厚的C50現(xiàn)澆鋼纖維混凝土并與鋼箱梁之間采用剪力釘連接，橋面鋪裝采用10 cm厚的瀝青混凝土。該橋的立面布置圖和鋼箱梁橫斷面圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 3×31 m連續(xù)鋼箱梁立面布置圖(單位：cm)

圖2 鋼箱梁橫斷面圖(單位：mm)

2 施工過程中配重對鋼箱梁橋面板受力的影響分析

2.1 有限元模型建立

香海大橋支線工程坦洲樞紐互通G匝道的3×31 m連續(xù)鋼箱梁橋主梁采用Q345鋼材，橋面板采用C50鋼纖維混凝土。采用Midas Civil有限元軟件建立結(jié)構(gòu)模型，通過組合截面模擬鋼箱梁和橋面板，并通過定義施工過程聯(lián)合截面來模擬鋼箱梁和混凝土橋面板在不同施工過程中的結(jié)合；結(jié)構(gòu)的邊界按照連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)施加。連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的Midas模型見圖 3。

圖3 坦洲樞紐互通G匝道3×31 m連續(xù)梁結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 橋面板正負(fù)彎矩的區(qū)域劃分

香海大橋支線工程坦洲樞紐互通G匝道在結(jié)構(gòu)施工過程中先架設(shè)鋼梁，再在已架設(shè)鋼梁上進(jìn)行混凝土橋面板的澆筑及組合，因此橋面板的恒載主要由鋼箱梁承受。運營期間，橋面板主要受溫度和活載的影響，有限元的計算結(jié)果表明溫度對橋面板受力的影響較小，然而活載作用下橋面板尤其是中支點區(qū)域會產(chǎn)生較大的負(fù)彎矩，活載作用下橋面板的彎矩圖見圖4。

由G匝道3×31 m連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)的活載彎矩分布可知，在中支點順橋向前后10 m范圍的區(qū)域會出現(xiàn)較大的負(fù)彎矩，因此需要采取一定的措施，否則運營階段將會出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土橋面板開裂。本文以中支點順橋向前后10 m范圍作為結(jié)構(gòu)正負(fù)彎矩的劃分區(qū)域，如圖5所示，其中中支點順橋向前后10 m范圍內(nèi)的②、④區(qū)域均為控制的負(fù)彎矩區(qū)，需要對其進(jìn)行處理。

圖4 3×31 m連續(xù)鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)的活載彎矩圖

圖5 連續(xù)梁結(jié)構(gòu)正負(fù)彎矩區(qū)劃分平面示意圖(單位：cm)

2.3 施工過程中配重施加對中支點橋面板壓應(yīng)力的影響

基于正負(fù)彎矩區(qū)域的劃分，在施工過程中，先澆筑正彎矩區(qū)混凝土并與鋼梁結(jié)合，等到其混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，在正彎矩區(qū)施加配重；再澆筑負(fù)彎矩區(qū)混凝土并與鋼梁結(jié)合，之后對配重進(jìn)行卸載。本文研究施工時配重的加、卸載過程中橋面板受力，尤其是中支點區(qū)域的改善情況。

根據(jù)實際情況并考慮配重的施工空間，將配重在正彎矩區(qū)①、③、⑤內(nèi)的施加范圍確定為順橋向17 m+9 m+17 m，配重區(qū)域分布見圖6。

首先研究邊跨配重對橋面板受力的影響，先對邊跨正彎矩①、⑤區(qū)域橋面板澆筑完成后進(jìn)行配重，負(fù)彎矩②、④區(qū)域橋面板澆筑完成后再卸載。通過有限元軟件Midas Civil分別計算得到邊跨①、⑤區(qū)域配重為10,20,30,40,50,60,70,80,90,100 kN/m時橋面板卸載后的應(yīng)力情況，其中邊跨配重為10 kN/m時卸載后的橋面板應(yīng)力圖如圖7所示。由結(jié)果可見，對邊跨①、⑤區(qū)域進(jìn)行配重再卸載后對橋面板的壓應(yīng)力影響范圍主要在中跨位置。

進(jìn)一步研究中跨配重對橋面板受力的影響，先對中跨③區(qū)域橋面板澆筑完成后進(jìn)行配重，②、④區(qū)域澆筑完成后再卸載。通過有限元軟件Midas Civil分別計算得到中跨③區(qū)域配重為10,20,30,40,50,60,70,80,90,100 kN/m時橋面板卸載后的應(yīng)力情況，其中中跨配重為10 kN/m時卸載后的橋面板應(yīng)力圖見圖8。由結(jié)果可見，對中跨③區(qū)域進(jìn)行配重再卸載后對橋面板的壓應(yīng)力影響范圍主要在邊跨位置。

圖6 配重區(qū)域分布圖(單位：cm)

圖7 邊跨配重為10 kN/m時卸載后橋面板的應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖8 中跨配重為10 kN/m時卸載后橋面板的應(yīng)力圖(單位：MPa)

通過對以上兩種情況的分析，對邊跨①、⑤區(qū)域和中跨③區(qū)域分別進(jìn)行配重再卸載，只對部分橋面板產(chǎn)生壓應(yīng)力儲備，因此在實際中需要對邊中跨①、③、⑤區(qū)域同時進(jìn)行配重再卸載，可得邊中跨①、③、⑤區(qū)域分別均配重10,20,30,40,50,60,70,80,90,100 kN/m時中支點處橋面板壓應(yīng)力。對不同區(qū)域進(jìn)行配重再卸載，得到不同配重下在中支點處橋面板壓應(yīng)力圖如圖9所示。

由圖9可知，邊跨①、⑤區(qū)域進(jìn)行配重再卸載時，配重越大，中支點壓應(yīng)力儲備越大，當(dāng)配重施加到100 kN/m時，橋面板中支點處的壓應(yīng)力儲備達(dá)到3.1 MPa。對中跨③區(qū)域進(jìn)行配重再卸載時，配重越大，中支點壓應(yīng)力儲備越大；當(dāng)配重施加到100 kN/m時，橋面板中支點處的壓應(yīng)力儲備達(dá)到2.1 MPa。同時對邊中跨①、③、⑤區(qū)域進(jìn)行配重再卸載，可以有效增大中支點橋面板的壓應(yīng)力值及其范圍。當(dāng)配重均為100 kN/m時，橋面板中支點處的壓應(yīng)力為-5.2 MPa。

圖9 不同區(qū)域配重下的配重大小與中支點橋面板壓應(yīng)力關(guān)系圖

根據(jù)綜合因素考慮，在橋面板澆筑過程中均選擇100 kN/m進(jìn)行壓重，進(jìn)一步得到對邊中跨①、③、⑤區(qū)域均施加100 kN/m的配重后橋面板的恒載受力及其與活載組合下的最大拉應(yīng)力，如圖10所示。最大壓應(yīng)力如圖11所示。

圖10 配重作用及活載組合下橋面板最大拉應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖11 配重作用及活載組合下橋面板最大壓應(yīng)力圖(單位：MPa)

由計算結(jié)果可知，在邊中跨均設(shè)置100 kN/m配重并卸載后，橋面板具有足夠的壓應(yīng)力儲備。在活載的組合下，橋面板最大拉應(yīng)力為0.6 MPa，中支點處橋面板最大壓應(yīng)力為-6.6 MPa，橋面板受力均滿足要求，且具有充足的壓應(yīng)力儲備。

2.4 實橋應(yīng)力監(jiān)測及效果驗證

基于上述理論分析結(jié)果，在正彎矩的邊中跨區(qū)域橋面板均設(shè)置100 kN/m配重荷載，待中支點負(fù)彎矩區(qū)域的橋面板澆筑并組合后進(jìn)行卸載，可使負(fù)彎矩區(qū)有足夠的壓應(yīng)力儲備。為驗證理論分析結(jié)果的可靠性，進(jìn)一步在實橋中對橋面板實施應(yīng)力監(jiān)測。

香海大橋支線工程坦洲樞紐互通G匝道的3×31 m連續(xù)鋼箱梁橋?qū)崢蚴┕すば驗椋?/p>

(1)相關(guān)橋墩完工后，安裝支座，設(shè)置臨時墩。

(2)根據(jù)施工組織安排，將各片預(yù)制鋼箱梁的加工單元運至施工現(xiàn)場，隨即吊裝至臨時墩墩頂上，并做臨時固定。重復(fù)上述工作程序，將所有預(yù)制鋼箱梁單元吊裝完畢。

(3)鋼箱梁節(jié)段吊裝完成后，將第一片鋼箱梁拼接接頭調(diào)整到設(shè)計要求位置，按工藝要求完成拼接接頭施焊，余量修正段在最后施焊。重復(fù)上述工作程序，完成其余梁片的拼接接頭的施焊。

(4)撤除臨時支墩。

(5)在鋼箱梁頂板上焊接剪力釘：首先清除鋼板表面雜物，焊點處需露金屬光澤；然后從軸號中心起向跨中布置，零數(shù)在跨中調(diào)整，剪力釘縱向間距為結(jié)構(gòu)中線處的距離，剪力釘縱向順結(jié)構(gòu)中線布置、橫向沿曲線徑向布置；依次逐根焊接剪力釘，采用交錯焊接法，邊布料，邊焊接，專人操作焊槍；待剪力釘焊接、橋面板鋼筋等安裝完成后澆筑①、③、⑤區(qū)域鋼纖維混凝土。

(6)待①、③、⑤區(qū)域混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，按上述100 kN/m施加配重荷載；待壓重完成后，再澆筑②、④區(qū)鋼纖維混凝土；待②、④區(qū)混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，撤除壓重。

(7)澆筑防撞欄、瀝青混凝土鋪裝面層及完成橋面系余下工作。

在中支點②、④區(qū)鋼纖維混凝土澆筑過程中，采用預(yù)埋應(yīng)力應(yīng)變傳感器的方式對支點處墩頂橋面板的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，同時為驗證應(yīng)力沿橋面板橫向的均勻性，在墩頂橋面板的橫向共布置6個應(yīng)力測點，如圖12所示。卸載后的墩頂橋面板的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如表1所示。由配重卸載后中支點墩頂橋面板的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果可見，橋面板橫向6個測點的實測應(yīng)力均比較均勻，其實測平均值為-5.4 MPa，和理論值-5.2 MPa相差4%，驗證了該施工工藝的實施效果。

圖12 墩頂橋面板應(yīng)力測點布置圖(單位：mm)

表1 坦洲樞紐互通G匝道3×31 m連續(xù)鋼箱梁配重卸載后墩頂橋面板應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果(單位：MPa)

3 結(jié)論

本文研究了施工過程中不同區(qū)域內(nèi)施加配重并在成橋后卸載對支點處橋面板的受力改善情況，結(jié)論如下：

(1)連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)基于正負(fù)彎矩區(qū)的劃分，在施工過程中，先澆筑正彎矩區(qū)混凝土并與鋼梁結(jié)合，等到其混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，在正彎矩區(qū)施加配重；再澆筑負(fù)彎矩區(qū)混凝土并與鋼梁結(jié)合，之后對配重進(jìn)行卸載，配重的加、卸載過程可有效改善橋面板，尤其是中支點負(fù)彎矩區(qū)域的受力。

(2)以坦洲樞紐互通G匝道3×31 m連續(xù)鋼箱梁橋為對象，建立有限元模型，對比邊跨區(qū)域配重、中跨區(qū)域配重以及邊中跨同時配重對橋面板受力的影響規(guī)律。結(jié)果表明，單獨對邊跨區(qū)域進(jìn)行配重再卸載，壓應(yīng)力影響范圍主要在中跨橋面板混凝土；單獨對中跨區(qū)域進(jìn)行配重再卸載，壓應(yīng)力影響范圍主要在邊跨橋面板混凝土；同時對邊中跨區(qū)域進(jìn)行100 kN/m配重再卸載，可有效改善橋面板混凝土受力狀態(tài)，中支點橋面板混凝土壓應(yīng)力儲備可達(dá)-5.2 MPa。

(3)根據(jù)坦洲樞紐互通G匝道實橋結(jié)構(gòu)配重卸載后中支點墩頂橋面板的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果可知，橋面板橫向6個測點的實測應(yīng)力均比較均勻，其實測平均值為-5.4 MPa，和理論值-5.2 MPa相差4%，進(jìn)一步驗證了該施工工藝的實施效果，值得在同類型橋梁施工領(lǐng)域中廣泛推廣應(yīng)用。