波形鋼腹板PC組合箱梁橋異步施工對比分析

吳春旭,陳紀杰,盧發(fā)亮*

1.山東交通學院交通土建工程學院,山東 濟南 250357;2.濟南軌道交通集團有限公司,山東 濟南 250101

0 引言

波形鋼腹板預應力混凝土(prestressed concrete,PC)組合箱梁整體質(zhì)量較輕,抗剪性能優(yōu)越,預應力利用效率高,適合低碳環(huán)境,在亞洲得到廣泛應用[1-3]。對波形鋼腹板PC組合箱梁橋的研究主要集中在結(jié)構(gòu)受力及設計優(yōu)化等方面[4-6]。近年來,為提高波形鋼腹板大跨度箱梁橋的施工效率,工程師們改進了傳統(tǒng)的掛籃結(jié)構(gòu),采用異步澆筑快速施工(以下簡稱為異步施工)方法,以波形鋼腹板為承重構(gòu)件,直接支撐掛籃和梁段[7-9],可組建多個可移動平臺系統(tǒng),施工更方便、高效[10-12]。異步施工法于2015年首次應用于四川的頭道河大橋工程建設中[13],在其他波形鋼腹板PC梁橋的架設工程實踐中,多次證明此法施工效率較高,施工風險較低。

在理論及試驗研究方面,鄧文琴[14]主要對波形鋼腹板結(jié)構(gòu)合理性和關(guān)鍵受力部位展開研究,結(jié)合有限元模型進行分析,提出關(guān)鍵部位的優(yōu)化建議;岳宏智等[15]、夏紹見[16]、陳小寧[17]、祝豐平等[18]研究橋梁異步施工的優(yōu)勢和大跨徑波形鋼腹板梁橋異步施工的關(guān)鍵技術(shù),分析施工過程中關(guān)鍵截面和關(guān)鍵施工階段的混凝土和波形鋼腹板應力及結(jié)構(gòu)的撓度;陳水生等[19]、金建敏等[20]綜述國內(nèi)波形鋼腹板箱梁橋的力學性能、剪力連接件、體外預應力轉(zhuǎn)向塊及工程應用等。我國波形鋼腹板力學性能研究逐步成熟,但異步施工的工程控制技術(shù)尚不夠完善?？刹捎糜邢拊浖κ┕るA段進行建模分析,得到各施工階段關(guān)鍵控制截面頂?shù)装宓膿隙茸冃巍⒗碚搼?應變)及其變化規(guī)律。將工程現(xiàn)場實測撓度、實測應力(應變)與仿真數(shù)據(jù)進行對比分析,指導下一施工階段的施工控制,確保達到理想成橋狀態(tài)。在施工過程中,根據(jù)模型分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù),為各施工階段制定控制目標,隨時調(diào)整,保證橋梁順利合龍且成橋線形滿足設計要求。

依托某特大橋工程項目,本文采用軟件MIDAS Civil,建立普通懸臂施工和異步施工方法的有限元模型,模擬、對比全橋各施工階段相同控制截面的應力和變形,以期提高施工效率,保障施工安全。

1 懸臂施工法概述

1.1 普通懸臂施工法

采用傳統(tǒng)的懸臂施工方法,在掛籃施工中,吊裝位置附近應力分布不均,底部混凝土易開裂。傳統(tǒng)的掛籃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜,占據(jù)空間較大,在施工荷載作用下,掛籃系統(tǒng)變形較大,波形鋼腹板管段吊裝空間有限,不便于安裝。傳統(tǒng)掛籃的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)掛籃的結(jié)構(gòu)示意圖

采用普通懸臂施工標準節(jié)段的流程為:將掛籃移至N#段,吊裝N#節(jié)段波形鋼腹板;安裝N#節(jié)段頂板和底板模板,綁扎鋼筋,安裝波紋管;澆筑N#節(jié)段頂板和底板混凝土;進行混凝土養(yǎng)護;混凝土的抗壓強度達到要求后,張拉N#節(jié)段縱向預應力筋和(N-1)#節(jié)段橫向預應力筋;完成后將掛籃前移,進行下節(jié)段施工。

進行普通懸臂施工時,施工作業(yè)面局限在N#節(jié)段,施工效率和工作空間有限,施工作業(yè)面重疊,存在一定的安全隱患。

1.2 異步施工法

為適應波形鋼腹板快速施工大跨度箱梁橋的工程要求,改進傳統(tǒng)掛籃的結(jié)構(gòu)類型,縮短施工時間。重新設計的掛籃系統(tǒng)有3個施工平臺,可同時進行相鄰3個節(jié)段的頂部混凝土、底部混凝土和波形鋼腹板的錯位施工。在改進的掛籃施工技術(shù)中,以波形鋼腹板為主要承重構(gòu)件,承擔掛籃系統(tǒng)的荷載作用。異步掛籃的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 異步掛籃的結(jié)構(gòu)示意圖

采用異步施工法的波形鋼腹板梁橋標準段,即支承端段與中間閉合段間的施工步驟為:將掛籃移至N#段,臨時焊接頂板、底板與穿孔板間的縫隙;在精確放置(N-1)#節(jié)段頂板模板的同時,安裝N#節(jié)段底板模板,同時平行安裝(N-1)#節(jié)段頂板和N#節(jié)段底板的鋼筋,吊裝(N+1)#節(jié)段波形鋼腹板;在(N-1)#節(jié)段頂板和N#節(jié)段底板同時澆筑混凝土;養(yǎng)護(N-1)#節(jié)段頂板混凝土,達到設計抗壓強度后,張拉(N-1)#節(jié)段的縱向預應力筋和(N-2)#節(jié)段頂板橫向預應力筋,將掛籃前移至(N-1)#節(jié)段,并進行下節(jié)段施工。

2 異步施工法建模

2.1 工程概況

主橋上部結(jié)構(gòu)為77 m+136 m+72 m的波形鋼腹板變截面組合梁,分幅設置,單幅橋?qū)?6.5 m,單向橫坡,坡度為2%,單箱單室截面。箱梁底寬8.5 m,兩側(cè)翼緣板懸臂長4.0 m,全寬16.5 m。箱梁橫橋向底板保持水平,頂面設單向橫坡,坡度為2%,由高度不同的箱梁腹板形成。中支點處箱梁中心高8.5 m,邊支點及跨中箱梁中心高3.8 m,梁高以1.8次拋物線變化。頂板厚0.30 m,懸臂板端部厚0.20 m,根部厚0.75 m,按折線變化;波形鋼腹板厚16～26 mm,按各懸臂澆筑階段變化;底板厚0.35～1.80 m,按1.8次拋物線變化。主橋結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 主橋結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 有限元模型

采用軟件MIDAS Civil建立波形鋼腹板PC組合梁橋在普通懸臂施工和異步施工下的全橋模型,如圖4所示。

將全橋劃分為75個施工階段,分析橋梁上部結(jié)構(gòu),對比分析梁橋的受力性能。

a)普通懸臂施工 b) 異步施工 圖4 2種施工方法的模型

普通懸臂施工和異步施工方法的不同主要體現(xiàn)在掛籃荷載、混凝土濕重荷載和施加荷載位置。在普通懸臂施工過程中,主要由上節(jié)段承擔掛籃荷載和混凝土的自重荷載,荷載分布如圖5a)所示。異步施工的標準節(jié)段施工時,荷載分布如圖5b)所示,由波形鋼腹板、翼緣鋼板和剪力連接鍵組成的工字形截面承擔掛籃荷載和混凝土自重荷載,如圖6所示。

a)普通懸臂施工 b) 異步施工 圖5 2種施工方法下的施工荷載分布 圖6 異步施工荷載承擔結(jié)構(gòu)

普通懸臂施工的荷載

F=(mU,(N+1)+mF,(N+1)+mD,(N+1)+mM,(N+1))g/a,

式中:mU,(N+1)為(N+1)#塊頂板的質(zhì)量,mF,(N+1)為(N+1)#塊波形鋼腹板的質(zhì)量,mD,(N+1)為(N+1)#塊底板的質(zhì)量,mM,(N+1)為(N+1)#塊掛籃的質(zhì)量,g為重力加速度,a為均布荷載長度。

異步施工的荷載

F1=(mU,(N-1)+mD,N+mF,N+mF,(N+1)+mM)g/(2bN),

式中:mU,(N-1)為(N-1)#塊頂板的質(zhì)量,mD,N為N#塊底板的質(zhì)量,mF,N為N#塊波形鋼腹板的質(zhì)量,mF,(N+1)為(N+1)#塊波形鋼腹板的質(zhì)量,mM為掛籃的質(zhì)量,bN為N#塊波形鋼腹板的長度。

3 2種施工方法對成橋力學性能的影響

3.1 應力分析

為實時掌握橋梁施工過程中結(jié)構(gòu)的受力狀況,在所建橋梁模型中跨根部分析截面上布置傳感器,監(jiān)測普通懸臂施工和異步施工方法下梁橋結(jié)構(gòu)所受應力,分析截面的位置及傳感器布置示意圖如圖7所示(圖7a)上數(shù)字為箱梁塊段號)。

a)分析截面位置 b)傳感器布置示意圖 圖7 控制截面圖

普通懸臂施工和異步施工的階段劃分不同,荷載分布、激活時間和邊界條件不同,選取普通懸臂施工和異步施工相似且重要的施工階段進行對比,結(jié)果如表1、2所示。繪制普通懸臂施工和異步施工方法下表1、2各施工階段中頂板和底板的應力變化曲線,如圖8所示。由圖8可知:在普通懸臂施工和異步施工的各階段(不包括0#塊施工),混凝土的頂板、底板均處于受壓狀態(tài),2種施工方法頂板的最大壓應力分別為-10.14、-9.17 MPa,均出現(xiàn)在張拉中跨體外預應力鋼筋階段;底板的最大壓應力分別為-11.42、-12.02 MPa,均出現(xiàn)在橋面鋪裝和護欄施工階段。

表1 普通懸臂施工各施工階段對應內(nèi)容

表2 異步施工各施工階段對應內(nèi)容

圖8 2種施工方法下各施工階段的應力變化曲線

由圖8a)、b)、c)可知:在懸臂澆筑階段,普通懸臂施工和異步施工2種施工方法下頂板所受壓應力都先增大后減小。施工方法不同,成橋后應力狀態(tài)也不同,經(jīng)分析計算可得:異步施工法中,10#塊預應力筋張拉時頂板所受壓應力最大,為-8.89 MPa,隨后壓應力逐漸減小;普通懸臂施工中,11#塊澆筑時頂板所受壓應力最大,為-8.11 MPa,隨后壓應力減小;2種施工方法下,底板所受壓應力整體處于增大狀態(tài),在橋梁合龍后、二期鋪裝前小幅減小,隨后大幅增大。

由圖8d)e)可知:采用異步施工法時,全橋頂板與底板所受最大壓應力之差小于普通懸臂施工法,說明采用異步施工法成橋后頂板、底板所受應力變化較均勻,結(jié)構(gòu)整體性能較好。采用普通懸臂施工時,底板所受壓應力隨懸臂長度的增大而增大,梁體節(jié)段的自重效應逐漸增大,12#塊張拉后梁體的自重效應大于預應力效應,表現(xiàn)為底板所受壓應力超過頂板,此現(xiàn)象出現(xiàn)時間比異步施工法略早。

3.2 撓度分析

對比普通懸臂施工和異步施工方法下各施工階段最不利荷載組合工況下的撓度變化,即混凝土澆筑后未張拉時的撓度變化。2種施工方法下0#、1#塊端頭撓度及撓度變化曲線如圖9所示。

a) 0#塊端頭 b) 1#塊端頭 c) 2種施工方法0#、1#塊端頭撓度差 圖9 2種施工方法下0#、1#塊端頭撓度及撓度差變化曲線

由圖9可知:在各施工階段最不利荷載組合作用下,0#、1#塊端頭均處于向下變形狀態(tài);異步施工時,0#、1#塊端頭最大撓度分別為0.95、1.88 mm;普通懸臂施工時最大撓度分別為0.42、1.72 mm;從整體上看,同一階段采用異步施工法0#、1#塊端頭撓度較大。主要原因是在N#節(jié)段施工中,采用異步施工法已澆筑(N+1)#節(jié)段的底板,自重效應較大,懸臂長度相同時產(chǎn)生的撓度較大,與造成應力差異的原因相同。

普通懸臂施工和異步施工方法下,0#、1#塊端頭的撓度整體減小。異步施工可提前澆筑下塊底板,安裝下一塊腹板,施工荷載變化較平緩,0#、1#塊端頭撓度更合理。采用異步施工法時施工荷載分布更有利于控制橋梁線形,保障施工安全。

橋梁最大懸臂狀態(tài)下2種施工方法各節(jié)段撓度如圖10所示,中跨體外預應力筋張拉完后各節(jié)段撓度如圖11所示。

圖10 最大懸臂狀態(tài)下2種施工方法各塊段撓度 圖11 中跨體外預應力筋張拉后2種施工方法下各塊段撓度

由圖10可知:在最大懸臂狀態(tài)下,2種施工方法各節(jié)段端頭均處于向下變形狀態(tài)。普通懸臂施工法的整體撓度大于異步施工法,普通懸臂施工最大撓度發(fā)生在邊跨11#塊,異步施工最大撓度發(fā)生在中跨13#塊,施工時需注意。異步施工法中,0#塊附近的撓度與普通懸臂施工接近,其余塊段的撓度均小于普通懸臂施工,隨懸臂長度的增大,異步施工與普通懸臂施工在相同塊段產(chǎn)生的撓度差逐漸增大。

由圖11可知:異步施工產(chǎn)生的撓度均小于普通懸臂施工,尤其是在中跨合龍段附近,橋梁上拱幅度較大,施工時需注意此階段橋梁的變形。

4 結(jié)束語

以工程實例為依托,采用有限元分析軟件MIDAS Civil,建立普通懸臂施工和異步施工方法下波形鋼腹板PC組合梁橋的有限元模型,模擬全部施工階段,對比分析2種施工過程中的關(guān)鍵截面和關(guān)鍵施工階段的應力及撓度。

采用異步施工法,新型掛籃質(zhì)量較小,將普通掛籃的懸挑狀態(tài)優(yōu)化到簡支狀態(tài),將傳統(tǒng)菱形掛籃構(gòu)造的單一工作平臺優(yōu)化為剛性掛籃的多個工作平臺,節(jié)約施工成本,提高施工效率。采用異步施工成橋后,截面混凝土應力分布較普通懸臂施工均勻,成橋狀態(tài)較合理,結(jié)構(gòu)整體性能較好。

在最大懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài),采用異步施工法后橋梁變形比普通懸臂施工小,施工荷載分布更有利于控制橋梁線形?；诓ㄐ武摳拱錚C組合梁橋的自身結(jié)構(gòu)特點,在施工過程中采用異步施工結(jié)構(gòu)受力更合理,成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的整體性較好,可在實際工程中推廣應用。