波形鋼腹板PC組合箱梁橋異步施工法腹板受力性能研究

黃海珊 林本虎 陳蜀靜

摘要：文章以某高速公路波形鋼腹板PC組合箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃\(yùn)用數(shù)值模擬軟件ANSYS，分別建立橋梁根部附近和跨中合龍段附近施工階段的局部數(shù)值模型，研究異步澆筑施工的波形鋼腹板PC組合箱梁橋腹板的受力性能。結(jié)果表明：采用異步澆筑施工的波形鋼腹板PC組合箱梁橋根部附近腹板最大應(yīng)力為155MPa，跨中合龍段附近腹板最大應(yīng)力為167MPa，位置均出現(xiàn)在腹板上翼緣板。

關(guān)鍵詞：波形鋼腹板；組合箱梁；有限元法；應(yīng)力

中圖分類號(hào)：U448.21+3A220724

0引言

波形鋼腹板PC組合箱梁橋因采用輕型鋼結(jié)構(gòu)代替厚重的混凝土，使其具有自重輕、受力合理、能充分發(fā)揮組合材料各自性能等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于公路橋梁中。當(dāng)前，對(duì)于波形鋼腹板PC組合箱梁研究成果包括結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度［1］、抗彎性能［2-3］、模型抗剪性能［4］、動(dòng)力特性［5-6］等方面，這些研究成果對(duì)于該類橋梁的推廣具有積極的促進(jìn)作用。但對(duì)于實(shí)橋施工過(guò)程中的受力研究則涉及較少，特別是對(duì)于波形鋼腹板的受力性能研究更是鮮有報(bào)道。本文以實(shí)橋?yàn)閷?shí)施對(duì)象，采用數(shù)值模擬的分析方法，對(duì)波形鋼腹板PC組合箱梁橋采用異步法施工過(guò)程中腹板的受力性能進(jìn)行分析，研究成果可為類似組合橋梁的施工提供參考。

1工程概況

某高速公路大橋?yàn)椴ㄐ武摳拱錚C組合箱梁橋，跨徑組合為（72+130+72）m，橫截面形式為單箱單室，單幅箱梁頂板、底板寬分別為12 m、7 m；梁底從根部到跨中采取1.8次拋物線的變化形式；跨中位置梁高3.5 m，底板厚度0.3 m，根部位置梁高7.5 m，底板厚度1.1 m。橋梁縱向布置形式見圖1。橋梁腹板材質(zhì)為Q355NHC，單波長(zhǎng)度為1.6 m，波形高度為0.22 m，鋼板的厚度由跨中至根部14～24 mm依次變化。鋼腹板的構(gòu)造詳見圖2和圖3。

2施工工藝與結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1異步澆筑施工工藝

波形鋼腹板PC組合箱梁橋異步澆筑施工工藝步驟是將相同節(jié)段頂、底板混凝土分開澆筑，把掛籃安裝于第n節(jié)段，同時(shí)澆筑第n-1節(jié)段頂板混凝土和第n節(jié)段底板混凝土，并同步安裝第n+1節(jié)段波形鋼腹板，作業(yè)面由傳統(tǒng)掛籃施工法的單個(gè)工作面增加到n-1、n、n+1三個(gè)工作面，大大提高了施工效率［7］。

2.2結(jié)構(gòu)有限元模型某高速公路波形鋼腹板PC組合箱梁橋共分為13塊懸臂澆筑節(jié)段，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)腹板受力分析時(shí)，選取根部1#節(jié)段頂板、2#節(jié)段底板澆筑完成與3#節(jié)段鋼腹板安裝完成的施工工況和跨中合龍段附近9#梁段施工至11#梁段澆筑頂板施工工況，分別建立局部數(shù)值仿真模型（詳見圖4和圖5）。根部附近數(shù)值模型共分2 897節(jié)點(diǎn)、4 535個(gè)單元；跨中合龍段附近模型共分2 536節(jié)點(diǎn)，4 189個(gè)單元。建模時(shí)，主梁頂、底板混凝土材料采用C55，主墩為C40。數(shù)值模型中混凝土統(tǒng)一使用四面體實(shí)體單元solid92模擬；波形鋼腹板則使用板殼單元shell63模擬；為簡(jiǎn)化計(jì)算，結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力采用等效的方法進(jìn)行模擬；鋼腹板的上翼緣板與頂板的結(jié)合部位采用剪力釘（combin14彈簧單元）進(jìn)行模擬，避免端頭結(jié)合位置發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3結(jié)果分析

3.1根部附近腹板受力分析

對(duì)根部附近施工工況進(jìn)行建模分析時(shí)，根部端部及主墩底部固結(jié)，并在波形腹板前端設(shè)置兩道臨時(shí)橫撐，第一道橫撐與鋼腹板端頭相距0.8 m，第二道橫撐與前一道相距3.2 m。計(jì)算時(shí)，模型中該工況荷載選取已澆筑完成的混凝土和已安裝完成的波形鋼腹板自重、掛籃支點(diǎn)反力進(jìn)行組合，由此可計(jì)算得出掛籃前支點(diǎn)反力大小為62.5 kN，中支點(diǎn)單點(diǎn)反力大小為293.25 kN，后支點(diǎn)單點(diǎn)反力大小為230.75 kN。該模擬工況下，根部附近波形鋼腹板在各種荷載下各部位的應(yīng)力云圖詳見圖6～10。

由圖6～10可知，采用異步法施工完成1#梁段頂板、2#梁段底板混凝土澆筑與3#梁段鋼腹板安裝后，波形鋼腹板最大豎向剪應(yīng)力僅為37.4MPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)規(guī)定值170MPa；腹板最大順橋向正應(yīng)力僅為80.8MPa，亦小于設(shè)計(jì)規(guī)定值295MPa；波形鋼腹板上翼緣板順橋向與底部鋼板順橋向最大正應(yīng)力分別為155MPa和-79MPa，也低于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許應(yīng)力值；整個(gè)鋼構(gòu)件von-mises應(yīng)力最大值僅為136MPa。由此可見，該階段鋼腹板最大應(yīng)力出現(xiàn)在上翼緣鋼板，位于1#節(jié)段和2#節(jié)段鋼腹板結(jié)合部附近；同時(shí)由以上分析結(jié)果得出，對(duì)于采用異步施工法施工的波形鋼腹板PC組合梁橋，上翼緣鋼板的受力十分關(guān)鍵，應(yīng)采取措施進(jìn)行加強(qiáng)；其余各類型應(yīng)力除在局部發(fā)生少許應(yīng)力集中外，大部分部位應(yīng)力分布較為合理。

3.2合龍段附近腹板受力分析

對(duì)跨中合龍段附近施工工況進(jìn)行建模時(shí)，主梁頂?shù)装寤炷敛捎肅55，9#梁段端部邊界條件采用固結(jié)的形式模擬。計(jì)算時(shí)，模型中該工況荷載選取已澆筑完成的混凝土與已安裝完成的波形鋼腹板自重、掛籃支點(diǎn)反力等進(jìn)行組合，由此可計(jì)算得出掛籃前支點(diǎn)反力為150.5 kN，中支點(diǎn)單點(diǎn)反力為381.3 kN，后支點(diǎn)單點(diǎn)反力為230.75 kN。

根據(jù)施工需要，設(shè)置了兩道臨時(shí)橫撐構(gòu)造，第一道橫撐與鋼腹板端頭相距0.8 m，第二道橫撐與前一道相距3.2 m?？缰泻淆埗胃浇摳拱逶诟鞣N荷載作用下各部位的應(yīng)力云圖詳見圖11～15。

由圖11～15可知，采用異步法施工完成9#梁段頂板、10#梁段底板混凝土澆筑與11#梁段鋼腹板安裝后，波形鋼腹板最大豎向剪應(yīng)力僅為33.7MPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)規(guī)定值170MPa；腹板最大順橋向正應(yīng)力為114MPa，亦小于設(shè)計(jì)規(guī)定值295MPa；波形鋼腹板上翼緣板順橋向與底部鋼板順橋向最大正應(yīng)力分別為167MPa和-76.9MPa，也低于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許應(yīng)力值；整個(gè)鋼構(gòu)件von-mises應(yīng)力最大值為180MPa，位于第二道橫撐和波形鋼腹板的連接處。由此可見，該階段鋼腹板最大應(yīng)力出現(xiàn)在上翼緣鋼板，位于9#節(jié)段與10#節(jié)段鋼腹板結(jié)合部附近；同時(shí)，由以上分析結(jié)果得出，對(duì)于采用異步施工法施工的波形鋼腹板PC組合梁橋，上翼緣鋼板的受力較為重要。另外，鋼構(gòu)件von-mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在橫撐和波形鋼腹板的連接處，說(shuō)明鋼腹板與臨時(shí)橫撐的連接亦應(yīng)受到重視，應(yīng)采取措施進(jìn)行加強(qiáng)。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)采用異步澆筑法施工的某高速公路波形鋼腹板PC組合箱梁橋腹板進(jìn)行局部受力分析，可得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)局部模型分析，根部至3#梁段波形鋼腹板施工工況下最大應(yīng)力出現(xiàn)在上翼緣鋼板，應(yīng)力值達(dá)155MPa，表明上翼緣鋼板的受力十分關(guān)鍵；其余各類型應(yīng)力除在局部發(fā)生少許應(yīng)力集中外，大部分部位應(yīng)力分布比較合理。

（2）在完成9#梁段頂板、10#梁段底板混凝土澆筑與11#梁段鋼腹板安裝后，波形鋼腹板最大應(yīng)力亦出現(xiàn)在上翼緣鋼板，應(yīng)力值達(dá)167MPa；鋼構(gòu)件von-mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在橫撐和波形鋼腹板的連接位置，說(shuō)明鋼腹板與臨時(shí)橫撐的連接亦應(yīng)受到重視，應(yīng)采取措施進(jìn)行加強(qiáng)。

（3）采用異步法施工的波形鋼腹板PC組合箱梁橋，除關(guān)注主梁混凝土結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力、腹板剪應(yīng)力外，腹板上翼緣板的順橋向應(yīng)力亦應(yīng)成為關(guān)注的重點(diǎn)，施工過(guò)程中需對(duì)該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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作者簡(jiǎn)介：黃海珊（1990—），碩士，工程師，研究方向：橋梁檢測(cè)與施工控制。