波形鋼腹板自承重組合剛構(gòu)橋施工過(guò)程分析*

蔡昊初,王思豪,魏 俊,劉玉擎

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092; 2.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311112)

0 引言

波形鋼腹板組合橋具有自重小、避免腹板開(kāi)裂及預(yù)應(yīng)力施加效率高等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到大量工程應(yīng)用[1]。隨著建設(shè)數(shù)量的增多,腹板自承重的懸臂澆筑法因其可以充分發(fā)揮鋼腹板的承載力、提升橋梁建設(shè)經(jīng)濟(jì)性而開(kāi)始受到關(guān)注[2-3]。因施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力性能受工法的影響較大,腹板自承重施工方法的應(yīng)用直接關(guān)系到組合結(jié)構(gòu)的受力。為此,需針對(duì)波形鋼腹板自承重施工過(guò)程進(jìn)行力學(xué)分析,為該工法的合理應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

現(xiàn)有研究大多采用有限元模擬的方法進(jìn)行施工過(guò)程分析。He等[4]通過(guò)有限元計(jì)算對(duì)比分析傳統(tǒng)懸澆與異步澆筑2種施工方法,結(jié)果表明異步澆筑由于掛籃直接作用在波形鋼腹板上,會(huì)增加腹板的剪應(yīng)力及變形。姚紅兵等[5]采用工況疊加法對(duì)前3個(gè)節(jié)段進(jìn)行施工模擬,計(jì)算分析了主要構(gòu)件的受力情況及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。岳宏智等[6]基于有限元法進(jìn)行施工全過(guò)程模擬,結(jié)果表明異步施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力均處于安全范圍內(nèi)。可見(jiàn),既有研究成果主要基于施工過(guò)程的數(shù)值模擬,驗(yàn)算結(jié)果缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐。

本研究以跨徑55m+100m+55m的葛溪大橋左線1號(hào)橋?yàn)橐劳泄こ?結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)橋測(cè)試的方法,對(duì)腹板自承重施工過(guò)程進(jìn)行受力分析。建立施工至最大懸臂狀態(tài)有限元模型,研究各施工段的構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)及腹板穩(wěn)定性,基于構(gòu)件受力特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)橋測(cè)試,驗(yàn)證腹板自承重懸臂澆筑施工方法的適用性;考慮施工過(guò)程中可能產(chǎn)生的不利情況,提出相應(yīng)的優(yōu)化建議,并進(jìn)行合理布置分析,為后續(xù)的相關(guān)研究及推廣應(yīng)用提供有益借鑒。

1 波形鋼腹板自承重施工工法

1.1 工藝流程

傳統(tǒng)懸臂澆筑法為了避免頂、底板混凝土澆筑相互干擾,常采用先后澆筑的施工流程,工期較長(zhǎng)。波形鋼腹板自承重施工將工作面擴(kuò)展到3個(gè),即(N-1)節(jié)段頂板、N節(jié)段底板的混凝土澆筑和(N+1)節(jié)段波形鋼腹板的安裝同步進(jìn)行,可大幅度縮短工期,提高經(jīng)濟(jì)效益。波形鋼腹板自承重施工流程如圖1所示,主要施工步驟為:①掛籃移動(dòng)到N節(jié)段,支模并綁扎N節(jié)段底板鋼筋和(N-1)節(jié)段頂板鋼筋;②同時(shí)澆筑N節(jié)段底板和(N-1)節(jié)段頂板混凝土,等待混凝土養(yǎng)護(hù)并安裝(N+1)節(jié)段波形鋼腹板;③待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,張拉(N-1)節(jié)段頂板預(yù)應(yīng)力束,使掛籃行走至(N+1)節(jié)段,進(jìn)入下一循環(huán)。

圖1 波形鋼腹板自承重施工流程

1.2 工法特點(diǎn)

相較于采用懸臂澆筑施工的掛籃,波形鋼腹板自承重施工掛籃大多采用簡(jiǎn)支體系的鋼桁架吊籃形式,無(wú)須設(shè)置復(fù)雜的掛籃錨固裝置,施工荷載通過(guò)掛籃立柱直接作用在腹板上方的翼緣板上[7-8]。

由于支撐體系的不同,掛籃的行走機(jī)制也發(fā)生轉(zhuǎn)變。如圖2所示,可利用上翼緣板和開(kāi)孔板形成的凹槽作為行走軌道,液壓千斤頂作為動(dòng)力裝置,千斤頂前端與立柱相連,后端通過(guò)銷軸與開(kāi)孔板孔洞連接,以開(kāi)孔作為反力點(diǎn)頂推前進(jìn)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)掛籃移動(dòng)裝置

當(dāng)(N-1)節(jié)段頂板、N節(jié)段底板混凝土同時(shí)澆筑,施工荷載較傳統(tǒng)懸臂澆筑法大幅度增加。波形鋼腹板作為主要傳力構(gòu)件,在施工過(guò)程中腹板自身的受力特點(diǎn)及各傳力部位的受力狀態(tài)有待進(jìn)一步探究。

2 施工節(jié)段數(shù)值模擬

2.1 工程概況

葛溪大橋左線1號(hào)橋位于浙江省溫州市泰順縣境內(nèi),是浙閩界公路控制性工程之一。該橋的總體布置和典型斷面如圖3,4所示,上部結(jié)構(gòu)采用波形鋼腹板組合箱梁連續(xù)剛構(gòu),跨徑布置為55m+100m+55m。主梁為分幅式單箱單室截面,每幅箱梁頂板寬12.05m、底板寬6.9m。梁高和底板厚度均以二次拋物線形式由跨中向根部變化,跨中梁高3m,根部梁高6.25m。主橋腹板波長(zhǎng)1.6m,波高0.22m,跨中至中墩墩頂厚度依次為16,18,20,22mm。波形鋼腹板與頂板通過(guò)雙開(kāi)孔板連接,與底板通過(guò)埋入式角鋼連接。

圖3 橋梁總體布置(單位:cm)

圖4 箱梁典型斷面(單位:cm)

2.2 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS建立施工至最大懸臂狀態(tài)的有限元模型,如圖5所示。頂?shù)装濉M梁、內(nèi)襯混凝土均采用solid 95單元,波形鋼腹板及體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束分別采用shell 63及l(fā)ink 8單元模擬,開(kāi)孔板連接件采用combine 14三向彈簧單元模擬。通過(guò)單元尺寸敏感性分析,并考慮計(jì)算效率,混凝土構(gòu)件單元尺寸0.2m,鋼構(gòu)件單元尺寸0.1m,預(yù)應(yīng)力束單元尺寸0.5m。除了在頂板和上翼緣板間建立接觸關(guān)系外,其余構(gòu)件間均采用結(jié)點(diǎn)-單元耦合。

圖5 有限元模型

通過(guò)約束中橫梁端面結(jié)點(diǎn)全部自由度模擬固定端,約束中橫梁底面結(jié)點(diǎn)的3個(gè)方向位移自由度模擬主梁與橋墩的剛接。頂?shù)装?、橫梁和內(nèi)襯的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C55,波形鋼腹板采用Q345D鋼,材料特性根據(jù)JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]和GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》進(jìn)行取值[10]。

計(jì)算荷載包括掛籃自重、現(xiàn)澆混凝土濕重及預(yù)應(yīng)力荷載,施工荷載通過(guò)掛籃前、后支點(diǎn)等效作用于上翼緣板處。對(duì)于最大懸臂狀態(tài),掛籃支撐在10號(hào)節(jié)段,前、后支點(diǎn)的等效集中荷載分別為282.7,466.3kN。預(yù)應(yīng)力荷載通過(guò)等效降溫法進(jìn)行模擬。

建模中采用改變材料屬性、最后工況疊加的方法模擬節(jié)段施工過(guò)程,考慮構(gòu)件應(yīng)力累積,其具體過(guò)程如下:①建立全部節(jié)段有限元模型,將所有未澆節(jié)段材料密度、彈性模量均設(shè)為0;②將待澆節(jié)段的等效集中力施加于掛籃支點(diǎn)處,模擬混凝土的現(xiàn)場(chǎng)澆筑;③恢復(fù)②中現(xiàn)澆節(jié)段材料的彈性模量及密度,將集中力等值反向加載,模擬掛籃前移;④保持已澆節(jié)段彈性模量,密度設(shè)為0以避免重力重復(fù)作用,施加下一待澆節(jié)段等效集中力;⑤循環(huán)②～④步,最后對(duì)各荷載步計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加,得到各工況應(yīng)力狀態(tài)。

2.3 主要構(gòu)件受力分析

2.3.1施工過(guò)程主梁變形

施工至最大懸臂狀態(tài)時(shí)主梁的豎向撓度如圖6所示,掛籃所在10號(hào)節(jié)段變形最大,為56.4mm,越靠近懸臂根部變形越小。最大撓度滿足規(guī)范l/300=130.67mm(l為懸臂長(zhǎng)度)的限值要求。

圖6 主梁豎向撓度

2.3.2混凝土構(gòu)件應(yīng)力

施工至最大懸臂狀態(tài)時(shí)腹板位置相應(yīng)混凝土頂、底板的縱向應(yīng)力包絡(luò)圖如圖7所示。頂板大部分區(qū)域均處于受壓狀態(tài),節(jié)段預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)存在應(yīng)力集中。由于施工荷載通過(guò)腹板與頂板的連接件傳遞至頂板,在鋼混過(guò)渡位置出現(xiàn)拉應(yīng)力,施工中應(yīng)采取措施防止端部混凝土開(kāi)裂。底板壓應(yīng)力由懸臂自由端向根部逐漸增大,并且由于施工荷載通過(guò)下翼緣板與底板的接觸承壓點(diǎn)傳遞至底板,導(dǎo)致底板的懸臂前端存在壓應(yīng)力峰值,但均不超過(guò)混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值25.3MPa。

圖7 頂、底板縱向應(yīng)力

2.3.3鋼構(gòu)件應(yīng)力

翼緣板的縱向應(yīng)力包絡(luò)圖如圖8所示,應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在節(jié)段分界處,過(guò)渡截面鋼與混凝土的應(yīng)變差較大,使其成為翼緣板受力的關(guān)鍵部位。上翼緣板最大拉應(yīng)力為86.1MPa,具有足夠的安全儲(chǔ)備;下翼緣板最大壓應(yīng)力為-96.2MPa,滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求,然而施工中還要注意受壓局部失穩(wěn)問(wèn)題。

圖8 翼緣板縱向應(yīng)力

掛籃前、后支點(diǎn)及頂、底板懸臂端部4個(gè)受力不利截面的腹板Mises應(yīng)力包絡(luò)圖如圖9所示。掛籃荷載的集中作用導(dǎo)致前、后支點(diǎn)位置腹板上緣存在較大應(yīng)力,局部應(yīng)力可達(dá)100MPa。在頂、底板懸臂端部截面,腹板上、下緣的局部應(yīng)力接近80MPa,這與波形鋼腹板剪切變形受到混凝土板的約束有關(guān)。應(yīng)指出,上述應(yīng)力均滿足腹板強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,但由于局部效應(yīng)的存在,施工過(guò)程中仍須關(guān)注腹板邊緣的穩(wěn)定性問(wèn)題。

圖9 波形鋼腹板Mises應(yīng)力

2.3.4施工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

對(duì)于鋼構(gòu)件而言,為防止結(jié)構(gòu)在達(dá)到屈服強(qiáng)度前率先發(fā)生失穩(wěn)破壞,針對(duì)最大懸臂工況進(jìn)行彈性屈曲穩(wěn)定分析,以充分發(fā)揮材料的承載性能。

施工至最大懸臂狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)前3階的屈曲模態(tài)及荷載系數(shù)如表1所示。根據(jù)表1,前3階的荷載系數(shù)均>4,滿足設(shè)計(jì)限值要求。施工荷載作用下,懸臂結(jié)構(gòu)的最不利失穩(wěn)模式為波形鋼腹板側(cè)向傾覆。為保證腹板的承載性能,避免發(fā)生整體失穩(wěn)破壞,在施工中應(yīng)采取一定的防側(cè)傾措施。

表1 施工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

3 實(shí)橋測(cè)試與施工優(yōu)化

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置

基于有限元分析獲得的波形鋼腹板自承重施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),以葛溪大橋作為依托工程,對(duì)最大懸臂工況關(guān)鍵部位進(jìn)行實(shí)橋測(cè)試,驗(yàn)證工法的適用性,并提出施工優(yōu)化建議。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)條件的復(fù)雜性,應(yīng)力測(cè)點(diǎn)采用高精度的振弦式傳感器。如圖10所示,頂板混凝土及上、下翼緣板測(cè)點(diǎn)沿縱向布置,波形鋼腹板測(cè)點(diǎn)分別在掛籃前、后支點(diǎn)截面沿豎向布置。為反映施工最不利工況下的構(gòu)件性能,分別在混凝土澆筑前后進(jìn)行讀數(shù),考察最大施工荷載下構(gòu)件的應(yīng)力變化。

圖10 測(cè)點(diǎn)布置

3.2 測(cè)試結(jié)果與施工優(yōu)化

3.2.1頂板縱向應(yīng)力變化

圖11比較了頂板懸臂自由端附近的縱向應(yīng)力。施工荷載作用下,實(shí)測(cè)值與有限元結(jié)果具有相同的變化趨勢(shì),靠近懸臂自由端縱向應(yīng)力較大,局部最大>2MPa,應(yīng)力沿縱向削減較快,距自由端1/2節(jié)段長(zhǎng)度處,應(yīng)力值已處于較低水平。實(shí)際施工過(guò)程中,可增加端部防裂鋼筋布置,限制裂縫開(kāi)展;或在端部開(kāi)孔板孔洞內(nèi)套設(shè)橡膠圈,通過(guò)弱化連接件剛度,促使剪力向后傳遞,改善應(yīng)力分布。在前端1個(gè)孔洞內(nèi)設(shè)置橡膠圈的計(jì)算結(jié)果如圖12所示,由圖可見(jiàn),設(shè)置橡膠圈后懸臂端部的頂板縱向應(yīng)力明顯降低,峰值點(diǎn)位置向內(nèi)側(cè)移動(dòng)。

圖11 頂板縱向應(yīng)力

3.2.2上、下翼緣板應(yīng)力變化

圖13比較了上、下翼緣板的縱向應(yīng)力。上翼緣板縱向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在頂板懸臂自由端外側(cè),下翼緣板最大值出現(xiàn)在底板懸臂自由端部截面,應(yīng)力峰值分別為80.7,-40.1MPa。施工過(guò)程中,應(yīng)重點(diǎn)考察底板自由端下翼緣板的受力,可在端部焊接加勁板,避免局部受壓發(fā)生屈曲。

圖13 上、下翼緣板縱向應(yīng)力

3.2.3波形鋼腹板應(yīng)力變化

圖14比較了掛籃前、后支點(diǎn)截面波形鋼腹板Mises應(yīng)力。在靠近掛籃支撐位置,腹板應(yīng)力逐漸增大,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果規(guī)律一致。施工過(guò)程中,為防止波形鋼腹板在掛籃支撐處發(fā)生局部變形而破壞,可在支點(diǎn)位置的腹板上緣設(shè)置豎向加勁肋,以保證足夠的安全儲(chǔ)備,腹板加勁肋布置如圖15所示。

圖14 波形鋼腹板Mises應(yīng)力

圖15 腹板加勁肋布置

3.2.4施工抗失穩(wěn)優(yōu)化

根據(jù)有限元彈性屈曲的分析結(jié)果,施工的懸臂結(jié)構(gòu)最不利失穩(wěn)模式為腹板的整體側(cè)向傾覆。實(shí)際施工過(guò)程中,為避免出現(xiàn)上述情況,可在相鄰2個(gè)波形鋼腹板間設(shè)置臨時(shí)橫撐。如圖16所示,通過(guò)將相鄰2個(gè)波形鋼腹板連成整體,確保橫撐自身?xiàng)U件和腹板在施工中均不發(fā)生失穩(wěn)。

圖16 臨時(shí)橫撐布置

通過(guò)變化臨時(shí)橫撐在高度方向的作用位置,對(duì)橫撐布置方式進(jìn)行討論。橫撐邊緣與翼緣板不同間距時(shí)施工結(jié)構(gòu)的首階屈曲模態(tài)及荷載系數(shù)如表2所示,不同間距下,結(jié)構(gòu)最不利失穩(wěn)模式均為底板懸臂端下翼緣板的局部屈曲,且橫撐邊緣與翼緣板的間距越小,荷載系數(shù)越大,結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備越高。因此,實(shí)橋施工中臨時(shí)橫撐應(yīng)盡量靠近上、下翼緣板布置,以充分發(fā)揮臨時(shí)橫撐的作用。

表2 不同間距結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合有限元分析獲得的主要構(gòu)件受力特點(diǎn)開(kāi)展了關(guān)鍵部位實(shí)橋測(cè)試,得到以下結(jié)論。

1)波形鋼腹板自承重懸臂施工過(guò)程中,混凝土頂、底板的整體應(yīng)力水平較低,在懸臂自由端部易產(chǎn)生應(yīng)力集中,實(shí)際施工中可通過(guò)增設(shè)防裂鋼筋或弱化端部連接件剛度來(lái)改善頂板的局部受力。

2)波形鋼腹板及上、下翼緣板在鋼混過(guò)渡處、掛籃支點(diǎn)位置應(yīng)力相對(duì)較大,但均處于安全范圍內(nèi),施工時(shí)可焊接加勁肋,避免發(fā)生局部屈曲。

3)施工結(jié)構(gòu)最不利屈曲模態(tài)為腹板的側(cè)向傾覆,屈曲荷載系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求,但為了避免結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)破壞,可設(shè)置臨時(shí)橫撐改善屈曲模態(tài),提高安全系數(shù),且橫撐宜盡量靠近翼緣板布置。

4)波形鋼腹板自承重懸臂施工方法整體結(jié)構(gòu)受力合理,工法適用性良好。