濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應(yīng)研究

玉新華，王榮輝，甄曉霞，蔣志豪

(1.廣西交科集團有限公司,南寧 530007; 2.華南理工大學土木與交通學院,廣州 510640)

引言

疊合梁斜拉橋橋面板處于壓彎共同作用下,混凝土橋面板寬而薄,剪力滯效應(yīng)顯著且橋面板應(yīng)力分布規(guī)律難以分析。國內(nèi)外研究學者開展了疊合梁斜拉橋橋面板的剪力滯效應(yīng)相關(guān)研究,謝澤福[1]對雙工字鋼疊合梁斜拉橋橋面板濕接縫澆筑前、后疊合梁橋面板剪力滯效應(yīng)進行有限元分析,指出壓彎荷載共同作用下橋塔區(qū)域梁段剪力滯效應(yīng)顯著;胡俊[2]根據(jù)實際施工工序,模擬分析恒載作用下疊合梁在懸臂施工階段、成橋階段、收縮徐變十年狀態(tài)下的橋面板應(yīng)力變化情況,指出施工階段剪力滯效應(yīng)較成橋階段更為顯著;郭飛[3]研究分析橋面板自重、斜拉索張拉力及二期恒載作用下,疊合梁橋面板剪力滯效應(yīng)及其施工過程變化規(guī)律,提出懸臂施工階段剪力滯效應(yīng)較成橋階段更值得關(guān)注。

疊合梁斜拉橋懸臂施工時,將單節(jié)段澆筑并養(yǎng)護濕接縫的懸臂施工方案優(yōu)化為濕接縫滯后澆筑的施工方案,可大幅縮短工時[4]。疊合梁斜拉橋通過現(xiàn)澆濕接縫使預(yù)制橋面板與鋼梁形成共同工作的整體,隨之帶來了齡期不同的混凝土收縮、徐變對疊合梁性能產(chǎn)生影響的復(fù)雜問題。HUANG D W[5]對考慮混凝土時隨效應(yīng)的疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應(yīng)進行試驗研究,分析指出,隨著時間推移混凝土收縮徐變會使橋面板壓應(yīng)力減小,甚至發(fā)展成拉應(yīng)力;FANG Y[6]研究混凝土收縮徐變對疊合梁長期荷載性能的影響,指出混凝土橋面板與混凝土接縫齡期不同時,混凝土收縮徐變效應(yīng)導(dǎo)致疊合梁混凝土面板抗裂性下降;HAN C X[7]基于徐變力學和有限元法對疊合梁長期荷載性能進行研究分析,指出混凝土收縮徐變效應(yīng)使混凝土板內(nèi)力重分布,導(dǎo)致其壓應(yīng)力儲備下降;WANG G M[8]研究混凝土收縮徐變效應(yīng)對連續(xù)組合梁橋內(nèi)力的影響進行研究分析,指出在混凝土早期齡期的1～10 d內(nèi),混凝土板應(yīng)力顯著變化。

基于以上研究分析,依托一座雙塔雙索面疊合梁斜拉橋工程實例,采用有限元法對濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應(yīng)進行研究。疊合梁斜拉橋施工方案(主要考慮斜拉索張拉時機)的不同會使混凝土收縮徐變對橋面板剪力滯效應(yīng)產(chǎn)生不同影響?；诨炷潦湛s徐變對疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應(yīng)影響研究,給出優(yōu)化施工方案(斜拉索第二次張拉合理時機),計算得到施工方案優(yōu)化前、后橋面板的剪力滯系數(shù)及有效寬度系數(shù),并進行對比,為考慮剪力滯效應(yīng)的疊合梁斜拉橋橋面板設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 工程概況

洛溪大橋拓寬工程兩幅新橋均為全長570 m雙塔雙索面疊合梁斜拉橋,跨徑布置為(30+95+305+110+30) m。斜拉橋主梁采用剪力釘與混凝土橋面板結(jié)合而成的雙邊箱疊合梁,其組合為:0.5 m防撞墻+11.5 m車行道(0.5 m路緣帶+3×3.5 m車行道+0.5 m路緣帶)+2.5 m人行道=14.5 m。主梁采用雙邊箱形鋼-混凝土疊合梁結(jié)構(gòu)形式,設(shè)置單向1.5%橫坡;預(yù)制橋面板厚度為25 cm,橫截面中部位置設(shè)有一道小縱梁;斜拉索標準索距12 m;橋面寬15 m,縱向標準梁段長12 m。單幅斜拉橋總體布置如圖1所示,疊合梁橫斷面如圖2所示。

圖1 洛溪大橋總體布置(單位:m)

2 疊合梁斜拉橋有限元模型建立

針對濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋,選取圖1所示斜拉橋中跨S1～S6節(jié)段最大雙懸臂施工階段進行剪力滯效應(yīng)研究,即鋼梁、橋面板安裝完成后,且該節(jié)段斜拉索完成初次、二次張拉后進行濕接縫澆筑養(yǎng)護施工。建立局部分析模型,研究濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋橋面板的剪力滯效應(yīng),如圖3所示。

圖3 疊合梁斜拉橋局部模型

為真實模擬疊合梁混凝土橋面板與鋼梁頂?shù)装宓膽?yīng)力分布規(guī)律,局部模型混凝土板、鋼箱梁頂、底板均采用實體單元SOLID 45模擬。疊合梁鋼箱梁腹板的厚度尺寸遠小于截面長度與寬度,可采用SHELL 181殼體單元進行鋼箱梁腹板模擬。研究分析時,假定疊合梁混凝土橋面板與鋼箱梁緊密結(jié)合,不發(fā)生相對滑移;在鋼箱梁頂、底板對應(yīng)的節(jié)點上設(shè)置TARGE 170目標單元,然后于腹板頂、底部設(shè)置CONTA 175接觸單元,利用SHSD命令建立接觸對,以此實現(xiàn)具有不同節(jié)點自由度的兩種單元的連接,保證了局部模型的準確性。

對局部模型邊界條件模擬時,塔根附近梁段設(shè)置有臨時支架,故在該梁段的箱梁底部施加固結(jié)約束模擬。為施加彎矩、扭矩等力邊界條件于塔根截面實體單元,用剛域連接全部節(jié)點;考慮局部模型具有平動及轉(zhuǎn)動位移邊界條件,將剛域?qū)蚬?jié)點位置設(shè)在疊合梁形心位置處,采用剛域命令CERIG連接所有塔根截面節(jié)點、施加位移及力邊界條件。

同時進行如下近似處理:①不考慮疊合梁疊合面的滑移效應(yīng),即疊合梁雙邊箱梁、橫梁及小縱梁與混凝土橋面板間不發(fā)生相對滑移效應(yīng);②將連接疊合梁鋼梁與混凝土橋面板的剪力釘模型進行簡化,雙邊鋼箱梁頂板與混凝土橋面板用共節(jié)點的方式模擬處理,橫梁及小縱梁與混凝土橋面板連接建立接觸對模擬;③實際施工過程中,疊合梁斜拉橋雙懸臂施工基本處于對稱狀態(tài),所以僅建立跨中1/2跨模型進行簡化計算,并在局部模型施加力、位移邊界條件;④由于斜拉索空間位置的局限,將拉索索力以水平軸向分力與豎向分力施加于鋼錨箱對應(yīng)腹板位置處。

3 疊合梁斜拉橋混凝土收縮徐變本構(gòu)關(guān)系及其實現(xiàn)

3.1 疊合梁斜拉橋混凝土收縮徐變本構(gòu)關(guān)系

在未考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)時,疊合梁斜拉橋混凝土橋面板的混凝土彈性模量為常數(shù),保證了瞬時加載計算時應(yīng)力-應(yīng)變的線性關(guān)系,也稱為疊合梁的短期荷載性能?？紤]混凝土收縮徐變效應(yīng)時,疊合梁的長期荷載性能與加載時間有關(guān),且隨著時間歷程增加,混凝土徐變變形在總變形不變的原則下逐漸取代彈性變形占據(jù)主導(dǎo),使彈性變形降低的同時引起應(yīng)力減小,混凝土的本構(gòu)關(guān)系與徐變的特性有關(guān)。因此,合理確定混凝土收縮徐變本構(gòu)關(guān)系對濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋橋面板的剪力滯效應(yīng)研究至關(guān)重要。疊合梁斜拉橋收縮徐變效應(yīng)問題較為復(fù)雜,通過有限元法計算收縮徐變對疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應(yīng)影響。結(jié)合學者對混凝土收縮徐變效應(yīng)的研究[9-12],采用有限元軟件ANSYS給出的第11號隱式蠕變方程模擬混凝土收縮徐變本構(gòu)關(guān)系,如式(1)所示。

(1)

式中,εcr為徐變應(yīng)變;εsh為收縮應(yīng)變;C1～C7為方程的常系數(shù);σ為t時刻混凝土應(yīng)力;T為t時刻環(huán)境溫度。式(1)右邊第1項為徐變應(yīng)變,第2項為收縮應(yīng)變。

考慮混凝土的徐變與時間有關(guān),且混凝土的應(yīng)力與徐變應(yīng)變速率成線性關(guān)系,則取C2=1;計算中考慮應(yīng)變強化準則,其假定徐變應(yīng)變速率取決于材料中應(yīng)變,取C3=0;同時由于在計算徐變系數(shù)時已考慮溫度的影響,取C4=0。

最終可以得到同時考慮收縮徐變的蠕變方程為

εcr=C1σt+C5t

(2)

式(2)中C1與C5可以通過JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[13]附錄C,求解t時刻的徐變系數(shù)與收縮應(yīng)變后求得,C1及C5與時間t有關(guān)。

3.2 疊合梁斜拉橋混凝土收縮徐變的實現(xiàn)

在有限元軟件ANSYS中,混凝土收縮徐變的實現(xiàn)流程表述為:通過ANSYS建立有限元模型并施加對應(yīng)的斜拉索索力及外荷載,同時施加力與位移邊界條件進行彈性階段應(yīng)力求解;在分析混凝土收縮徐變時先計算隱式蠕變方程常系數(shù)C1與C5及相應(yīng)計算時間t,然后通過單元重啟動技術(shù)將齡期不同的混凝土單元材料屬性進行改變;通過分析計算時長是否達到收縮徐變需要的計算時長上限來判斷是否進入后處理,從而進行剪力滯效應(yīng)分析研究,如圖4所示。

圖4 ANSYS軟件實現(xiàn)收縮徐變流程

4 疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應(yīng)研究

4.1 濕接縫滯后澆筑的橋面板剪力滯效應(yīng)研究

由圖4所述流程,對考慮不同齡期混凝土收縮徐變濕接縫滯后澆筑施工的橋面板剪力滯效應(yīng)研究時,先求解得到彈性階段解,然后在此基礎(chǔ)上求解收縮徐變對剪力滯效應(yīng)的影響。因此,先對彈性階段疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應(yīng)的求解進行闡述。

疊合梁斜拉橋每一個標準節(jié)段的疊合梁施工流程通?？杀硎鰹?架設(shè)雙邊鋼箱梁—安裝橫梁、小縱梁與斜拉索—斜拉索第一次張拉—安裝橋面板—斜拉索第二次張拉—吊機前移—濕接縫澆筑養(yǎng)護。對疊合梁斜拉橋的懸臂施工方案進一步優(yōu)化,由較耗費工時的單節(jié)段施工完畢后澆筑一次濕接縫,改為可將工期縮短的雙節(jié)段施工完畢后澆筑一次濕接縫,稱其為濕接縫滯后兩節(jié)段澆筑懸臂施工,采用此施工方案可使較為耗時的濕接縫澆筑養(yǎng)護時間大幅縮短。

濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋在最大雙懸臂階段施工時,懸臂最前端梁段未澆筑濕接縫,橋面板尚未由靜定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定狀態(tài),故僅將橋面板荷載加載于未澆筑濕接縫的疊合梁鋼梁上,即在局部模型模擬時僅將橋面板作為豎向荷載加載于對應(yīng)位置的梁段上,以真實模擬濕接縫未澆筑前的情況。作為施工時梁段與橋面板等施工部件與施工臨時荷載吊裝、運輸作用的橋面吊機,考慮其前支點與后支點站位后將其荷載施加于對應(yīng)位置上。斜拉索索力加載于局部模型的位置對于疊合梁斜拉橋的剪力滯效應(yīng)研究十分重要;考慮斜拉索錨固于鋼錨箱的空間位置,將斜拉索索力在局部模型中以斜拉索的水平與豎向分力加載于對應(yīng)鋼梁的腹板位置上。綜上所述,局部模型加載后情況如圖5所示。

圖5 疊合梁斜拉橋局部模型加載示意

利用有限元軟件ANSYS可計算得到橋面板沿疊合梁橫向的應(yīng)力計算值,結(jié)合局部模型有限元解與初等梁理論解可以得出剪力滯系數(shù),疊合梁斜拉橋剪力滯系數(shù)可表示為疊合梁斜拉橋考慮剪力滯效應(yīng)計算得到的有限元應(yīng)力解與初等梁理論解的比值[14]

(3)

一般情況下,剪力滯系數(shù)總是≥1,產(chǎn)生正剪力滯效應(yīng);但由于外荷載作用方式與邊界條件的改變,有限元得到的應(yīng)力解小于初等梁理論解,此時,剪力滯系數(shù)<1,產(chǎn)生負剪力滯效應(yīng)。

在有限元應(yīng)力解計算結(jié)果提取時,主要關(guān)注濕接縫滯后澆筑施工中斜拉索錨固截面與斜拉索中間截面混凝土橋面板的正應(yīng)力分布規(guī)律,因此,分別選取已完成濕接縫澆筑形成整體工作狀態(tài)的12 m疊合梁節(jié)段的斜拉索錨固截面(x=5 000,17 000,29 000,41 000,53 000 mm)、斜拉索中間截面(x=9 000,21 000,33 000,45 000,57 000 mm),對斜拉索錨固截面與斜拉索中間截面的應(yīng)力解進行剪力滯效應(yīng)分析。

4.2 考慮收縮徐變影響的濕接縫滯后澆筑橋面板剪力滯效應(yīng)研究

通過4.1節(jié)分析可以得到疊合梁斜拉橋混凝土橋面板在彈性階段剪力滯效應(yīng)研究方法。濕接縫滯后澆筑施工工序優(yōu)化后,必然會使原本較為簡單的線彈性問題轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的非線性問題。主要原因是,濕接縫滯后澆筑時需考慮混凝土收縮徐變對疊合梁長期荷載性能的影響,混凝土收縮徐變本構(gòu)關(guān)系并非簡單的線性關(guān)系,且混凝土齡期差異使得混凝土收縮徐變問題復(fù)雜化。

考慮混凝土收縮徐變對疊合梁橋面板剪力滯效應(yīng)影響時,濕接縫對應(yīng)于局部有限元模型的位置為每一標準節(jié)段疊合梁混凝土橋面板對應(yīng)于橫梁頂板及雙邊箱梁頂板。分析該位置混凝土單元的收縮徐變可表征濕接縫滯后澆筑施工時新齡期混凝土收縮徐變對橋面板剪力滯效應(yīng)的影響。圖6所示為考慮濕接縫滯后兩次澆筑混凝土收縮徐變時,選取濕接縫澆筑后每一節(jié)段的混凝土單元(共6個標準節(jié)段,選取5段混凝土單元)。

圖6 考慮收縮徐變效應(yīng)時選取的混凝土單元

研究混凝土收縮徐變對疊合梁剪力滯效應(yīng)影響時,考慮濕接縫養(yǎng)護期結(jié)束第7天疊合梁橋面板的剪力滯效應(yīng),通過計算可以得到剪力滯系數(shù)沿雙邊箱疊合梁橋面板橫向位置分布的規(guī)律。

研究最大雙懸臂階段(架設(shè)至MB6號梁段)濕接縫滯后兩次澆筑施工混凝土收縮徐變對疊合梁橋面板剪力滯效應(yīng)的影響,原施工方案簡述為:架設(shè)MB6號梁段鋼梁—初次張拉S6號斜拉索—安裝MB6號梁段混凝土橋面板—第二次S6號張拉斜拉索—吊機前移至MB6號梁段前端—澆筑MB4與MB5號梁段濕接縫并養(yǎng)護。具體施工方案及所需時間如表1所示。

4.3 濕接縫滯后澆筑的疊合梁斜拉橋優(yōu)化方案

疊合梁斜拉橋懸臂施工時,可通過斜拉索的幾次張拉力來控制橋面標高與主梁應(yīng)力。濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋,合理地擬定施工方案可使其橋面板的剪力滯效應(yīng)得到控制,混凝土橋面板抗裂性得到保證。對比表1所述的施工方案,給出表2所示的另一施工方案,該方案將斜拉索第二次張拉時機變更至4、5號梁段濕接縫澆筑并養(yǎng)護之后。

表2 濕接縫滯后兩節(jié)段澆筑的優(yōu)化施工方案

綜上所述,分別對采用表1與表2所述施工方案的橋面板剪力滯效應(yīng)進行研究,計算得到疊合梁斜拉橋施工過程橋面板斜拉索錨固截面、斜拉索中間截面的剪力滯系數(shù)沿截面橫向分布規(guī)律,分別如圖7、圖8所示。

圖7 施工方案優(yōu)化后斜拉索錨固截面剪力滯系數(shù)對比

圖7為優(yōu)化方案優(yōu)化前、后斜拉索錨固截面剪力滯系數(shù)沿截面橫向位置分布對比。由圖7(a)～圖7(e)剪力滯系數(shù)變化規(guī)律可知,斜拉索第二次張拉時機對混凝土橋面板斜拉索錨固截面剪力滯效應(yīng)產(chǎn)生影響。對比圖7中原方案與優(yōu)化方案可知,在濕接縫澆筑養(yǎng)護后第二次張拉懸臂最前端S6號斜拉索可使剪力滯系數(shù)沿斜拉橋縱向提高,S1號斜拉索錨固截面剪力滯系數(shù)提升幅度較大,提升約47%,而S2～S4號斜拉索錨固截面提升幅度分別為18%、13%、11%;S6號斜拉索進行張拉,使得S5號斜拉索錨固截面剪力滯系數(shù)略有下降,約為13%。

由圖7(e)可知,雖然S6號斜拉索第二次張拉會使S5號斜拉索錨固截面產(chǎn)生一定程度的負剪力滯效應(yīng),但S1～S5號斜拉索錨固截面剪力滯系數(shù)均得到提高,減緩了斜拉索錨固截面混凝土收縮徐變導(dǎo)致的負剪力滯效應(yīng)。由以上分析可知:雖然張拉懸臂前端斜拉索會使附近一兩個節(jié)段的剪力滯系數(shù)有輕微下降,但是較大程度地減緩了塔根附近斜拉索錨固截面的負剪力滯效應(yīng)。

與斜拉索錨固截面剪力滯系數(shù)沿截面橫向位置分布規(guī)律相似,在優(yōu)化濕接縫滯后澆筑施工的斜拉索張拉時機后,圖8(a)、圖8(b)所示的斜拉索中間截面剪力滯系數(shù)得到一定程度提高,提升幅度為8%～15%,表明將懸臂前端S6號斜拉索第二次張拉時機調(diào)整至濕接縫澆筑與養(yǎng)護完成后,對斜拉索中間截面的剪力滯效應(yīng)也產(chǎn)生一定程度的有利影響。

綜上所述,濕接縫滯后澆筑兩節(jié)段施工,由于混凝土收縮徐變的影響,疊合梁橋面板產(chǎn)生一定程度的負剪力滯效應(yīng),但經(jīng)過合理地調(diào)整斜拉索第二次張拉這一關(guān)鍵施工工序,將其調(diào)整至濕接縫澆筑并養(yǎng)護完成后,可使混凝土收縮徐變影響下疊合梁混凝土橋面板產(chǎn)生的負剪力滯效應(yīng)得到一定程度緩解。

4.4 濕接縫滯后澆筑各方案對應(yīng)的橋面板有效寬度計算

對疊合梁斜拉橋混凝土橋面板有效寬度計算時,當前國內(nèi)外規(guī)范并未對壓彎共同作用下疊合梁斜拉橋混凝土橋面板的有效寬度進行規(guī)定[15-19],因此,引入橋面板有效寬度與截面寬度之比的有效寬度系數(shù)ρ概念進行分析[20]

(4)

式中,beff為疊合梁混凝土橋面板的有效寬度;b為疊合梁混凝土橋面板實際寬度。

同時,對于混凝土板的有效寬度為

(5)

式中,t為混凝土橋面板厚度;beff為混凝土橋面板的有效寬度;σc為混凝土橋面板正應(yīng)力;σmax為混凝土橋面板最大正應(yīng)力。

對疊合梁斜拉橋混凝土橋面板有效寬度進行研究時,通常利用式(5)對混凝土板橫向應(yīng)力分布進行二次、三次曲線擬合,對擬合得到的曲線進行定積分求解計算,然后除以橋面板橫向最大應(yīng)力即可得到混凝土板的有效寬度[21]。綜上,計算得到優(yōu)化施工方案前、后疊合梁斜拉橋混凝土橋面板有效寬度系數(shù)。對原施工方案(斜拉索第二次張拉時機為濕接縫澆筑養(yǎng)護前)與優(yōu)化方案的有效寬度系數(shù)進行對比分析,如圖9所示。

圖9 疊合梁斜拉橋混凝土橋面板有效寬度系數(shù)

由圖9可知,混凝土收縮徐變使疊合梁斜拉橋橋面板有效寬度系數(shù)有一定程度下降,懸臂前端MB5與MB6梁段下降較為嚴重,最大下降幅度為15%。同時,疊合梁在濕接縫滯后澆筑施工時,混凝土橋面板由于收縮徐變效應(yīng)出現(xiàn)橋面板有效寬度系數(shù)下降的情況。優(yōu)化斜拉索張拉順序施工方案,即通過調(diào)整懸臂前端梁段的斜拉索第二次張拉時機可以提高橋面有效寬度系數(shù),最大提升幅度可達到19%(x=41 000 mm,S5號斜拉索錨固截面位置)。

綜上所述,混凝土收縮徐變對橋面板有效寬度系數(shù)的影響不容忽視,優(yōu)化斜拉索張拉順序施工方案(濕接縫澆筑并養(yǎng)護完成后第二次張拉懸臂前端斜拉索)可使不同齡期混凝土收縮徐變造成有效寬度系數(shù)下降的影響降低。

5 結(jié)論

以濕接縫滯后澆筑的疊合梁斜拉橋橋面板為研究對象,采用有限元法對不同齡期混凝土收縮徐變效應(yīng)影響下,疊合梁斜拉橋施工過程橋面板剪力滯效應(yīng)進行分析。此外,基于疊合梁斜拉橋濕接縫滯后澆筑的施工方案進行剪力滯效應(yīng)優(yōu)化研究,主要結(jié)論如下。

(1) 混凝土收縮徐變會使疊合梁混凝土橋面板的斜拉索錨固與中間截面剪力滯系數(shù)沿截面橫向呈下降趨勢,對疊合梁混凝土橋面板的抗裂性產(chǎn)生不利影響。

(2) 疊合梁斜拉橋濕接縫滯后澆筑施工過程中,預(yù)制橋面板與現(xiàn)澆濕接縫齡期不同,使收縮徐變問題復(fù)雜化。對斜拉索張拉順序方案進行優(yōu)化,將斜拉索第二次張拉時機調(diào)整至濕接縫澆筑并養(yǎng)護完成后,可使混凝土收縮徐變對橋面板剪力滯效應(yīng)的不利影響降低,一定程度緩解負剪力滯效應(yīng)。

(3) 通過合理地擬定濕接縫滯后澆筑施工方案的斜拉索第二次張拉時機(即濕接縫澆筑養(yǎng)護完成后再進行懸臂前端斜拉索第二次張拉),可使不同齡期混凝土收縮徐變對橋面板有效寬度系數(shù)的不利影響降低,優(yōu)化方案可以使得混凝土橋面板有效寬度系數(shù)最高提升19%。