鋼混結(jié)合連續(xù)梁橋施工受力與工藝研究

摘要：鋼混組合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，在進(jìn)行構(gòu)件加工制造和設(shè)備運(yùn)輸安裝過程中，需根據(jù)組焊和分段拼裝總體方案進(jìn)行工藝與施工策略優(yōu)化。以懷洪新河特大橋鋼混結(jié)合梁建設(shè)工程為例，分析吊裝施工、鋼管柱支架施工、吊籃懸臂法施工組合的混合式分段吊裝施工過程中的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，結(jié)合預(yù)制板濕接縫拼裝工藝需求，進(jìn)行簡(jiǎn)支變連續(xù)施工工藝優(yōu)化，從而降低負(fù)彎矩區(qū)橋面板的徐變開裂風(fēng)險(xiǎn)，提升梁橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與耐久性。

關(guān)鍵詞：鋼混組合梁；力學(xué)分析；分段吊裝；體系

0" "引言

同等跨度的鋼混結(jié)合連續(xù)梁橋自身質(zhì)量，約為傳統(tǒng)橫向裝配式梁箱結(jié)構(gòu)的65%，梁高約為梁箱結(jié)構(gòu)的95%，需要結(jié)合橫斷面布置進(jìn)行力學(xué)分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而發(fā)揮組合結(jié)構(gòu)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。充分考慮到彎矩區(qū)域的拉力狀態(tài)，連接件的類型和間距需要從整體構(gòu)造的角度進(jìn)行調(diào)整。施工過程中荷載分布與材料性能的變化，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系影響值波動(dòng)，為此通過控制施工關(guān)鍵技術(shù)精度提高工程質(zhì)量演成為了主流研究思路。

本文以懷洪新河特大橋鋼混結(jié)合梁建設(shè)工程為例，分析吊裝施工、鋼管柱支架施工、吊籃懸臂法施工組合的混合式分段吊裝施工過程中的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，結(jié)合預(yù)制板濕接縫拼裝工藝需求，進(jìn)行簡(jiǎn)支變連續(xù)施工工藝優(yōu)化，從而降低負(fù)彎矩區(qū)橋面板的徐變開裂風(fēng)險(xiǎn)，提升梁橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與耐久性。

1" "鋼混連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)分析

1.1" "結(jié)構(gòu)布置與主要設(shè)計(jì)參數(shù)

本文以新建合肥至新沂鐵路安徽段站前Ⅱ標(biāo)段中的懷洪新河特大橋建設(shè)工程為例，其施工地位于安徽省蚌埠市五河縣。橋梁設(shè)計(jì)采用（76+160+76）m鋼混連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，連續(xù)梁總長313.6m，橋梁軸線與河流流向呈81°夾角，以保證良好的穩(wěn)定性。其中，中跨72m橋段內(nèi)包含兩個(gè)4m的鋼混結(jié)合段，整體為鋼混結(jié)合梁結(jié)構(gòu)，是全橋施工質(zhì)量控制的核心關(guān)鍵點(diǎn)[1]。

1.2" "整體設(shè)計(jì)與施工特點(diǎn)

鋼混結(jié)合梁由中間32m的等高結(jié)合梁、4段8m的變高鋼箱梁以及2段4m的鋼混結(jié)合段組合而成。梁體采用雙邊箱鋼箱加混凝土橋面板的結(jié)構(gòu)形式，梁高在5097～6.52m范圍內(nèi)，頂板寬度為12.63m，底板寬度為7.00m，既滿足了橋梁的承載需求，又優(yōu)化了橋梁的流線型外觀，減少風(fēng)阻，從而提高了行車的舒適性和安全性[2]。鋼混分界面箱梁截面如圖1所示。

在施工安排方面，鋼混結(jié)合段采用有格室的后承壓板形式，通過雙壁板設(shè)計(jì)內(nèi)置PBL剪力板和剪力釘，形成堅(jiān)固的鋼格室，并在其中填充混凝土，利用預(yù)應(yīng)力短束將鋼箱梁與混凝土箱梁緊密連接，有效增強(qiáng)了橋梁的承載能力和抗震性能。

2" "鋼混連續(xù)梁橋全過程受力分析

2.1" "梁橋結(jié)構(gòu)有限元分析

在進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)分析過程中，為掌握施工進(jìn)程中力學(xué)特征值變化，采用MIDAS工程建模與FEA有限元分析軟件，建立平面桿系模型。采用單元模塊分析的方式，模擬計(jì)算鋼梁的結(jié)構(gòu)重心和慣性矩的分布。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立面板與鋼梁之間的特殊連接點(diǎn)，通過分析剪力釘構(gòu)件的受力特征計(jì)算連接剛度。

根據(jù)模型分析結(jié)果，鋼混連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)包含360個(gè)離散點(diǎn)和230個(gè)節(jié)點(diǎn)[3]。模型分析過程中，采用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算取值，其中混凝土容重為25.63kN/m3，鋼梁結(jié)構(gòu)的容重取值為76.60kN/m，根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)研究結(jié)果，梁橋各類墩位沉降速率取15mm/a，相對(duì)空氣濕度0.79，工程設(shè)計(jì)壽命為120年。

2.2" "梁橋結(jié)構(gòu)全過程受力分析

鋼梁板采購預(yù)制工廠產(chǎn)品，運(yùn)輸?shù)绞┕?chǎng)地后，在總拼臺(tái)座上進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)拼裝，而后轉(zhuǎn)移至臺(tái)座，采用四點(diǎn)支撐法擱置至預(yù)定位置點(diǎn)。采用濕式混凝土澆注連接，檢測(cè)連接強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的90%以上時(shí)，處理預(yù)應(yīng)力鋼束，完成組合梁的拼裝。

在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，默認(rèn)墩頂鋼梁采用接焊接工藝進(jìn)鋼梁簡(jiǎn)支變連續(xù)的體系轉(zhuǎn)換。鋼梁與面板組合完成后進(jìn)行鋪裝等附屬設(shè)施的安裝，利用預(yù)測(cè)模型計(jì)算二恒荷載[4]。

MIDASFEA分析軟件可自動(dòng)計(jì)算在預(yù)定工況下，各節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力與應(yīng)力，其中剪力釘構(gòu)件采用BEAM188梁?jiǎn)卧K分析，混凝土橋面選用solid45進(jìn)行形態(tài)分析，鋼梁箱采用she11163模塊分析，剪力釘采用集束式布置方式[5]。有限元分析模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示。

2.3" "連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果分析

研究結(jié)果表明：在施工全過程中，集束式剪力釘布置可滿足后續(xù)整體拼裝施工要求。在施工階段，鋼梁底、頂板的最大應(yīng)力小于200MPa，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均處于標(biāo)準(zhǔn)施工壓力范圍內(nèi)，滿足施工規(guī)范要求。

在運(yùn)營期間，組合梁受到汽車荷載的沖擊，會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)內(nèi)重力分布變化。隨著混凝土收縮徐變效應(yīng)增強(qiáng)，鋼梁的應(yīng)力增長趨勢(shì)加大，通過模型模擬計(jì)算運(yùn)行120年后的鋼梁底板和混凝土橋面的應(yīng)力大小，發(fā)現(xiàn)受力性能仍能滿足運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)構(gòu)整體壽命滿足設(shè)計(jì)規(guī)范[6]。

3" "鋼混連續(xù)梁橋安裝架設(shè)技術(shù)優(yōu)化

3.1" "永久支座安裝優(yōu)化

完成基礎(chǔ)和墩身建設(shè)后，安裝永久支座和臨時(shí)支墩，進(jìn)行支架現(xiàn)澆施工。在支座設(shè)置過程中，需要根據(jù)工程實(shí)際預(yù)留偏離量。精確計(jì)算支座的預(yù)計(jì)偏移量，有助于確定合理的支座單樁位置點(diǎn)，從而減小支座上鋼板的縱向偏移。支座的布置安裝設(shè)計(jì)如圖2所示。

以?L1為鋼混連續(xù)梁施工階段彈性變形、收縮徐變導(dǎo)致的支點(diǎn)處偏移量，以?L2為溫度引起的支點(diǎn)處偏移量。安裝過程中的環(huán)境溫度和進(jìn)行灌注施工時(shí)澆注混凝土溫度存在一定的溫差，溫差會(huì)導(dǎo)致支座處產(chǎn)生縱向偏移，將其計(jì)為?T，計(jì)算公式如下：

式中：T1為施工合攏時(shí)候全天最低溫度，T2為澆注混凝土溫度。

由于溫差引起的梁體的自由伸長量以下式計(jì)算[7]：

式中：α為鋼混連續(xù)梁混凝土線膨脹系數(shù)，取值為1×105/℃；χ為計(jì)算范圍內(nèi)的梁體長度，單位為m。

支點(diǎn)處的計(jì)算偏移量?L計(jì)算公式如下：

以項(xiàng)目的422#墩體為例計(jì)算，其在4至9月期間施工，支座的預(yù)計(jì)偏量為5.1mm

支座安裝工程過程中，上座板頂面高程需符合鐵路橋的驗(yàn)收規(guī)定，與臨時(shí)支座頂面的高差需控制在1.5mm范圍內(nèi)。

3.2" "簡(jiǎn)支變連續(xù)技術(shù)優(yōu)化

3.2.1" "梁段配切

梁端配切在橋位處進(jìn)行鋼槽梁施工時(shí)，簡(jiǎn)支變連續(xù)過程中，各環(huán)節(jié)需要根據(jù)策劃進(jìn)行細(xì)致配合執(zhí)行。技術(shù)人員需按施工要求，下發(fā)詳細(xì)的梁段配切指令，確定各梁段的尺寸、規(guī)格及切割要求。施工人員依據(jù)指令，在鋼槽梁材料上劃出配切線，使用專業(yè)切割設(shè)備按照預(yù)定長度進(jìn)行精確切割。切割完成的梁段分批次運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)，放置在預(yù)設(shè)中轉(zhuǎn)位置上。

3.2.2" "梁段放置點(diǎn)位調(diào)整

施工人員根據(jù)施工平面圖及設(shè)計(jì)要求，對(duì)梁段的放置點(diǎn)位進(jìn)行二次調(diào)整，確保它們與周邊結(jié)構(gòu)或已安裝的梁段能夠準(zhǔn)確對(duì)接。此時(shí)，對(duì)接口處的錯(cuò)臺(tái)需要進(jìn)行3次精確調(diào)整，使得接口平面平整無錯(cuò)位，從而保證后續(xù)焊接精度[8]。

3.2.3" "梁段接口焊接與涂裝

焊接工藝和參數(shù)可參考往期工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)調(diào)整好的梁段接口進(jìn)行環(huán)縫焊接。焊接過程中，施工人員需定期檢查焊接質(zhì)量，以保證焊縫強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。焊接完成后，立即對(duì)焊縫進(jìn)行探傷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)并修補(bǔ)焊接缺陷，保證焊接質(zhì)量。

焊接完成后，需對(duì)整個(gè)鋼槽梁進(jìn)行整體檢驗(yàn)，包括尺寸、形狀、位置以及焊縫質(zhì)量，對(duì)通過檢驗(yàn)的焊縫進(jìn)行涂裝處理，以保護(hù)焊縫免受腐蝕。涂裝前，對(duì)焊縫表面進(jìn)行徹底清潔，確保涂裝質(zhì)量。

涂裝完成后，對(duì)涂裝層進(jìn)行仔細(xì)檢驗(yàn)，確保其厚度、均勻性及附著力等均滿足要求[9]。組合梁梁段焊縫、涂裝等工作需遵守施工手冊(cè)規(guī)定，并在特制的施工平臺(tái)上進(jìn)行，從而保證施工安全性，提升施工效率。

4" "鋼混連續(xù)梁橋體系轉(zhuǎn)換技術(shù)優(yōu)化

4.1" "鋼混連續(xù)梁橋體系轉(zhuǎn)換要點(diǎn)

項(xiàng)目建設(shè)鐵路橋設(shè)計(jì)采用（76+160+76）m鋼混連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，體系轉(zhuǎn)換施工工序復(fù)雜，需頻繁頂落梁。保證梁體應(yīng)力可控，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，是體系轉(zhuǎn)換施工研究重點(diǎn)。從懷洪新河特大橋鋼混連續(xù)梁橋施工特點(diǎn)與環(huán)境出發(fā)，負(fù)彎矩區(qū)橋面板施工過程中，采用面板滯后組合、支點(diǎn)位移、增加縱向鋼束布置等組合工藝，有效解決負(fù)彎矩區(qū)橋面板的開裂問題。

在組合梁頂升、頂落施工過程中，調(diào)整施工工序采用雙向監(jiān)控法，實(shí)時(shí)分析頂升點(diǎn)的起頂量與鋼主梁應(yīng)力變化。選擇鋼主梁應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)作為主要參考標(biāo)準(zhǔn)，判斷鋼主梁應(yīng)力是否超過設(shè)計(jì)容許值。

為嚴(yán)格控制組合梁頂升的同步性，工程施工過程中引入千斤頂?shù)鬼?xiàng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，通過對(duì)應(yīng)力線形動(dòng)態(tài)監(jiān)控，避免鋼主梁局部承壓應(yīng)力超限現(xiàn)象發(fā)生，保障組合梁體系轉(zhuǎn)換效率[10]。

4.2" "體系轉(zhuǎn)環(huán)中的應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析

應(yīng)力監(jiān)測(cè)過程中，首先測(cè)定鋼槽梁簡(jiǎn)支變連續(xù)后應(yīng)力，以此為標(biāo)準(zhǔn)值，分析施工頂升過程中的底板、梁的應(yīng)力變化，從而判斷頂升過程中梁結(jié)構(gòu)是否受到破壞。

在頂升監(jiān)測(cè)過程中，組合梁的應(yīng)力監(jiān)測(cè)覆蓋全過程，分5個(gè)工況進(jìn)行測(cè)定，提升量每增加25%進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取，以底板應(yīng)力變化為例，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。

研究結(jié)果表明，鋼梁合龍完成后，拆除中支點(diǎn)水平方向臨時(shí)約束，底板應(yīng)力變化的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值偏差小于5%，預(yù)測(cè)模型精度可以滿足工程分析應(yīng)用要求。根據(jù)預(yù)測(cè)模型分析結(jié)果，可反向推斷實(shí)際項(xiàng)目結(jié)構(gòu)安全性基本可控，基本可以滿足預(yù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

5" "結(jié)束語

本文以懷洪新河特鐵路橋建設(shè)工程為例，針對(duì)（76+160+76）m鋼混連續(xù)梁結(jié)構(gòu)施工過程，利用MIDAS工程建模與FEA有限元分析軟件進(jìn)行了施工全過程受力分析。從鋼混連續(xù)梁橋安裝架設(shè)、體系轉(zhuǎn)化兩方面出發(fā)，對(duì)支座預(yù)計(jì)偏量進(jìn)行計(jì)算，通過優(yōu)化簡(jiǎn)支變連續(xù)施工流程，嚴(yán)格控制體系轉(zhuǎn)換過程中組合梁頂升的同步性，有效提升了施工精度。施工過程中的應(yīng)力線形監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示，施工過程中應(yīng)力變化的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值偏差小于5%，可以滿足工程分析應(yīng)用要求。

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