王　達(dá)，黃海珊，曹　政，劉　揚(yáng)

(1.長沙理工大學(xué)　土木與建筑學(xué)院，湖南　長沙　410064；2.橋梁工程安全控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南　長沙　410064)

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波形鋼腹板PC組合箱梁橋新型異步施工受力性能研究

王達(dá)，黃海珊，曹政，劉揚(yáng)

(1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙410064；2.橋梁工程安全控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410064)

為進(jìn)一步推廣波形鋼腹板PC組合箱梁橋的應(yīng)用范圍，在實(shí)橋中采用了一種新型異步懸臂澆注施工方法，提升波形鋼腹板PC組合箱梁橋的施工水平，以體現(xiàn)該橋型的經(jīng)濟(jì)效益。以工程實(shí)橋?yàn)檠芯繉ο?，對比分析了傳統(tǒng)掛籃施工法與異步澆注法的工藝流程及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)?；诖笮陀邢拊绦駻NSYS，建立了該橋的精細(xì)化有限元計算模型，對施工全過程結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的受力進(jìn)行了詳細(xì)分析，并與實(shí)時監(jiān)測應(yīng)力進(jìn)行了對比研究。研究表明，異步懸臂澆注法工藝流程簡潔、工期短、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)高，具有傳統(tǒng)掛籃施工法無可比擬的優(yōu)越性；異步施工法施工全過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化合理，始終處于安全范圍內(nèi)。

橋梁工程；PC組合箱梁；有限元法；波形鋼腹板；應(yīng)力

0　引　言

20世紀(jì)80年代，法國學(xué)者提出的一種新型鋼-混組合結(jié)構(gòu)，繼而波形鋼腹板PC組合箱梁橋得以誕生[1]。該橋型由于采用了輕型的波形鋼腹板代替厚重的混凝土腹板，從而大幅減輕了結(jié)構(gòu)自重，提高預(yù)應(yīng)力效率；加之結(jié)構(gòu)工程量的大幅減少，工程投入被大幅節(jié)約，施工工期也大幅縮短[2]；此外，相比傳統(tǒng)連續(xù)剛構(gòu)或連續(xù)梁，該橋型由于結(jié)構(gòu)輕盈，還具有良好的抗震性能。可見，該橋型具有良好的社會經(jīng)濟(jì)價值與受力性能，而備受工程界關(guān)注。經(jīng)過近十幾年的快速發(fā)展，波形鋼腹板PC組合箱梁橋已成為國內(nèi)外最具競爭能力的橋型之一，其中設(shè)計、施工等屬在日本發(fā)展最為迅速，技術(shù)也較為成熟[3]。近年來，該橋型在我國也呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢，已建成的或在建的主要有：滁河大橋、鄄城黃河大橋及頭道河大橋等波形鋼腹板PC組合箱梁橋[4]。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對波形鋼腹板組合箱梁橋的研究主要集中在結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度[5]、剪力連接件[6-11]、動力特性[12-14]及設(shè)計優(yōu)化[15]等方面，并取得了一系列的研究成果，為該橋型的迅速推廣起到了良好的促進(jìn)作用?？梢?，以往的研究多集中于結(jié)構(gòu)的受力，而結(jié)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特性及受力特點(diǎn)，開展該橋型施工工藝的創(chuàng)新方面的研究，迄今為止仍未見報道。現(xiàn)階段，波形鋼腹板PC組合梁橋常采用的傳統(tǒng)施工方法主要有滿堂支架法、懸臂施工法、頂推法等。在國內(nèi)外已建成的波形鋼腹板箱梁橋中，以傳統(tǒng)掛籃懸臂施工法居多[2]。盡管傳統(tǒng)的掛籃施工方法具有安全快捷、施工簡便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的局限性，比如傳統(tǒng)的掛籃結(jié)構(gòu)特殊構(gòu)造，嚴(yán)重干擾波形鋼腹板的吊裝安裝，對結(jié)構(gòu)的施工安全構(gòu)成極大危害，同時也大幅降低施工效率，延長了施工工期，對于氣候環(huán)境惡劣的區(qū)域，嚴(yán)重制約了該橋型的應(yīng)用推廣。鑒于此，本文以現(xiàn)有的理論研究為基礎(chǔ)[16]，在波形鋼腹板組合箱梁橋的實(shí)際施工中采用一種新型異步澆注施工法；該新型施工法以波形鋼腹板為勁性支撐，即做施工平臺，從而大幅減輕施工設(shè)備的自重，拓廣施工作業(yè)區(qū)面，繼而解決了傳統(tǒng)掛籃懸臂澆注工藝面臨的諸多問題，進(jìn)而可為該橋型的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供良好的技術(shù)支撐。

新型異步澆注施工法與傳統(tǒng)施工法具有顯著的區(qū)別，而該橋型的施工方法直接影響到結(jié)構(gòu)的受力。對于新型的澆注施工法，可供參考的研究基礎(chǔ)并不多，在其施工過程中，結(jié)構(gòu)的受力、變形及安全等方面的研究都急需解決；成橋后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布如何也有待于進(jìn)一步明確。因此，本文將以結(jié)構(gòu)工程實(shí)橋?yàn)檠芯繉ο?，基于大型空間有限元程序ANSYS建立精細(xì)化有限元計算模型，并對施工全過程中的應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，對采用新型異步澆注法施工的波形鋼腹板PC組合箱梁橋進(jìn)行相關(guān)研究，以為后續(xù)進(jìn)行的相關(guān)研究及推廣應(yīng)用提供有益借鑒。

1　工程簡介

頭道河大橋地處四川省西南邊陲，橫跨古藺河的支流頭道河是敘古高速公路重點(diǎn)工程之一，該連續(xù)剛構(gòu)橋上部采用了波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)，跨徑布置為(72+130+72) m；主梁采用分幅式的單箱單室截面，每幅箱梁頂板寬12 m，底板寬7 m；梁底采用1.8次拋物線，跨中處梁高為3.5 m，底板厚30 cm，根部梁高為7.5 m，底板厚110 cm，橋型布置如圖1所示。波形鋼腹板鋼材為Q355NHC，波長1.6 m，波高0.22 m，鋼板厚14～24 mm，水平折疊角度為30.7°，彎折內(nèi)徑R為15t(t為波形鋼腹板厚度)，細(xì)部構(gòu)造如圖2及圖3所示。

圖1　橋梁示意圖(單位: m)Fig.1　Arrangement of bridge (unit: m)

圖2　波形鋼腹板節(jié)段示意圖Fig.2　Segment of corrugated steel web

圖3　單位波長構(gòu)造圖(單位:mm)Fig.3　Unit of wavelength structure (unit: mm)

2　異步澆注施工法

2.1工藝流程

頭道河大橋施工過程中，階段結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。比較該圖可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前施工階段，該結(jié)構(gòu)主要包括：(1)異步澆注施工平臺；(2)當(dāng)前施工節(jié)段(第n節(jié)段)的底板；(3)當(dāng)前施工節(jié)段(第n節(jié)段)的波形鋼腹板；(4)上一施工階段已完成的(第n-1節(jié)段)頂板；(5)上一施工階段已完成的(第n-1節(jié)段)波形鋼腹板；(6)當(dāng)前施工節(jié)段安裝的下一節(jié)段(第n+1節(jié)段)的波形鋼腹板。

圖4　結(jié)構(gòu)節(jié)段示意圖Fig.4　Schematic diagram of structural segment

頭道河大橋是國內(nèi)首座采用異步懸臂澆注施工的波形鋼腹板PC組合箱梁橋，其施工基本流程如圖5所示，圖6(a)，6(b)，6(c)分別為波形鋼腹板的安裝、頂板及底板的現(xiàn)場施工圖。

圖5　施工流程圖Fig.5　Construction process

圖6　施工現(xiàn)場Fig.6　Construction site

對于采用傳統(tǒng)掛籃進(jìn)行施工的波形鋼腹板PC組合箱梁橋，掛籃安裝就位后，作業(yè)區(qū)內(nèi)安裝波形鋼腹板、立模、頂?shù)装邃摻罱壴?、混凝土澆注均只能在n節(jié)段工作面進(jìn)行，作業(yè)面受限，交叉作業(yè)多，周期長。由圖4、圖6可看出，和傳統(tǒng)掛籃相比，采用異步澆注法施工時，作業(yè)區(qū)由原來的單個節(jié)段工作面擴(kuò)大到n-1，n，n+1共3個節(jié)段工作面。n-1節(jié)段頂板施工、n節(jié)段底板施工、n+1節(jié)段波形鋼腹板安裝，3個作業(yè)面流水施工，極大地提高了施工效率，縮短施工周期。

2.2經(jīng)濟(jì)性分析

傳統(tǒng)掛籃施工，由于施工掛籃笨重，大多為100 t，設(shè)備過大的自身質(zhì)量，對施工階段橋梁的受力影響較大，并且造價也很昂貴。而異步澆注法主要是以波形鋼腹板為勁性支撐，在已安裝的波形鋼腹板之上設(shè)置澆注施工平臺，其結(jié)構(gòu)形式簡單，受力明確，易于控制，且施工操作十分方便。傳統(tǒng)掛籃與異步澆注法所用掛籃施工平臺性能參數(shù)對比如表1所示。

表1　施工方法比較Tab.1　Comparison of different construction methods

由表1可看出，異步澆注法設(shè)備質(zhì)量約為傳統(tǒng)掛籃懸臂施工法的34.5%，結(jié)構(gòu)用鋼量約為后者的52.6%，全橋共投入的設(shè)備費(fèi)用前者為后者的40%，直接節(jié)省費(fèi)用約為270萬；同時由于工作平臺作業(yè)面的增加，提高人員及機(jī)械設(shè)備的工作效率，進(jìn)而可將每個節(jié)段的施工周期相對減少33.3%，使得施工進(jìn)度大幅加快，對于工期緊迫的波形鋼腹板組合箱梁橋具有極大的優(yōu)勢。此外，異步澆注法掛籃施工平臺不具有傾覆性，極大增強(qiáng)了施工設(shè)備的穩(wěn)定性。

可見，新型異步澆注施工法，結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡潔，施工方便，且投入低，施工效率高，對應(yīng)的工期短。但由于該方法在施工過程中，波形鋼腹板在與上下翼板形成穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)之前，是施工荷載及混凝土濕重主要承重構(gòu)件，其施工過程中及成橋狀態(tài)的受力性能如何，需通過有限元分析及現(xiàn)場監(jiān)測，以進(jìn)行深入研究。

3　結(jié)構(gòu)受力分析

3.1有限元模型

借助大型有限元分析軟件ANSYS，建立了圖7所示的有限元基本模型，共分2 897節(jié)點(diǎn)，4 535單元。模型中混凝土采用四面體實(shí)體單元solid92，波形鋼腹板采用板殼單元shell63；模型中預(yù)應(yīng)力通過等效法進(jìn)行處理；波形鋼腹板上翼緣板與混凝土采用剪力釘(combin14彈簧單元)連接，以消除端頭混凝土應(yīng)力集中，其余部位翼緣板與頂、底板混凝土在交界面上進(jìn)行節(jié)點(diǎn)耦合。

圖7　有限元模型Fig.7　Finite element model

3.2關(guān)鍵截面受力分析

限于文章篇幅，本文僅以0號塊與1號塊交界處截面為例，對該處截面的受力進(jìn)行分析。經(jīng)計算可得出第一個循環(huán)，即在完成第一節(jié)段頂、底板混凝土及第二節(jié)段底板混凝土澆注后的計算結(jié)果，對應(yīng)的截面應(yīng)力如圖8及圖9所示。

圖8　節(jié)段結(jié)構(gòu)應(yīng)力(單位:MPa)Fig.8　Structural stresses of segment(unit:MPa)

圖9　波形鋼腹板剪應(yīng)力(單位：MPa)Fig.9　Shear stress distribution of corrugated steel web(unit:MPa)

由圖8、圖9可以看出，在采用異步澆注施工法完成第一節(jié)段頂板混凝土及第二節(jié)段底板混凝土澆注后，混凝土最大主壓應(yīng)力為6.3 MPa，遠(yuǎn)低于設(shè)計允許使用應(yīng)力24.4 MPa；最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)于0號塊鋼腹板，其大小為15.3 MPa，更低于設(shè)計允許值295 MPa；波形鋼腹板最大豎向剪應(yīng)力為37.4 MPa，也低于設(shè)計允許值170 MPa。

比較圖8(a)可發(fā)現(xiàn)，在頂板與腹板的交界處附近，出現(xiàn)應(yīng)力集中，該現(xiàn)象表明在對于波形鋼腹板PC組合梁橋，鋼腹板與頂?shù)装逶诮Y(jié)合部位的受力十分關(guān)鍵。因此，在保證鋼-混有效組合的前提下，連接件要能有效地防止混凝土和鋼腹板之間發(fā)生相對滑移，抵抗兩種材料之間的縱向剪切力，并且還要抵抗它們之間的掀起作用。這也對鋼-混連接部位連接件的設(shè)計提出了更高的要求，該橋中通過在波形鋼腹板的頂?shù)拙壴O(shè)置綴板以改善該處結(jié)構(gòu)的局部受力。此外，結(jié)合圖9可發(fā)現(xiàn)，波形鋼腹板除在該處發(fā)生少許應(yīng)力集中以外，其余各處應(yīng)力沿截面腹板高度方向分布均勻。

3.3關(guān)鍵階段結(jié)構(gòu)受力分析3.3.1應(yīng)力測點(diǎn)布置

施工過程中，為確保結(jié)構(gòu)安全，全過程中對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的應(yīng)力進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測，其中監(jiān)測的應(yīng)力主要是通過在0號塊根部截面、1/8截面及1/4截面的混凝土頂?shù)装搴筒ㄐ武摳拱迳喜贾酶呔鹊膽?yīng)力傳感器進(jìn)行監(jiān)測；其中頂?shù)装寤炷羶?nèi)沿縱向布置，波形鋼腹板上部沿縱向、豎向分別布置，分別如圖10及圖11所示。此外，為便于實(shí)時監(jiān)測成橋后箱梁的應(yīng)力狀態(tài)，在全橋范圍內(nèi)每一個施工懸臂節(jié)段的頂、底板及波形鋼腹板上均布置國外進(jìn)口的高精度應(yīng)力傳感器進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。

圖10　混凝土應(yīng)力傳感器布置Fig.10　Arrangement of stress sensor on concrete

圖11　波形鋼腹板應(yīng)力傳感器布置Fig.11　Arrangement of stress sensor on corrugated steel web

3.3.2施工階段應(yīng)力分析

頭道河大橋邊跨分為13個施工階段，中跨25個施工階段，兩側(cè)先行對稱懸臂施工12個階段，而后進(jìn)行邊、中跨合龍。在各施工階段結(jié)束前后，都將對圖10及圖11所示的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，若有需要還將對各施工階段的子階段數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析；現(xiàn)將有限元分析結(jié)果及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比如圖12所示。

圖12　主應(yīng)力實(shí)測值與理論值對比Fig.12　Comparison of principal stresses between measured value and theoretical value

由圖12可以看出，該橋在采用異步澆注施工工藝施工過程中，混凝土頂、底板壓應(yīng)力及波形鋼腹板剪應(yīng)力實(shí)測值與理論值的變化趨勢基本相同。隨著施工的進(jìn)行，各項(xiàng)應(yīng)力值均逐漸增大，0號塊根部波形鋼腹板剪應(yīng)力實(shí)測值在施工到8號懸臂節(jié)段時達(dá)到最大值23.3 MPa，但仍低于有限元計算值26.5 MPa，該階段波紋鋼腹板對應(yīng)的剪應(yīng)力已達(dá)最大值。

隨著施工階段的進(jìn)行，頂板預(yù)應(yīng)力的迅速增加，混凝土頂、底板壓應(yīng)力隨之增大，但其增大的幅度到后期變化增量相對較小，呈現(xiàn)出平穩(wěn)的態(tài)勢，最大壓應(yīng)力均不超過12 MPa。這是因?yàn)轫敯宀贾皿w內(nèi)預(yù)應(yīng)力束，施工過程中各主要截面的應(yīng)力逐漸趨于合理，表明采用異步澆注法施工具有合理性。

3.3.3成橋狀態(tài)應(yīng)力分析

對于超靜定結(jié)構(gòu)橋梁，施工方法的不同，將直接影響橋梁結(jié)構(gòu)成橋之后的應(yīng)力狀態(tài)。經(jīng)計算可得出，異步澆注法與傳統(tǒng)掛籃施工法對成橋之后結(jié)構(gòu)頂、底板的應(yīng)力狀態(tài)影響，分別比較如圖13所示。

圖13　成橋狀態(tài)下主應(yīng)力比較Fig.13　Comparison of principal stresses in bridge completion state

比較圖13(a)和13(b)可發(fā)現(xiàn)，在成橋狀態(tài)下，異步澆注法與傳統(tǒng)掛籃施工法計算結(jié)果及實(shí)測結(jié)果表明箱梁的頂、底板均處于壓應(yīng)力狀態(tài)，且沿全橋應(yīng)力變化趨勢基本相同。異步澆注法施工時，除兩端部分壓應(yīng)力較小外，全橋頂板壓應(yīng)力最大差值僅為2.34 MPa，明顯低于傳統(tǒng)掛籃法施工的4.49 MPa，底板壓應(yīng)力最大差值僅為3.72 MPa，亦小于傳統(tǒng)掛籃法施工的5.29 MPa。這說明異步澆注法較傳統(tǒng)掛籃施工法的橋梁，在成橋后頂、底板所受應(yīng)力變化更為均勻，狀態(tài)更為合理，結(jié)構(gòu)整體性能更好。此外，實(shí)測值與有限元計算結(jié)果十分接近，這說明波形鋼腹板PC組合箱梁橋采用異步澆注法施工具有可行性，并且成橋后受力合理，性能優(yōu)越。

4　結(jié)論

本文以工程實(shí)例為研究對象，對比分析了提出的波形鋼腹板PC組合箱梁橋新型異步澆注法的工藝流程及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，基于大型有限元計算程序，建立了精細(xì)化計算模型，對施工全過程結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行了詳盡的對比分析，可得出以下研究結(jié)論：

(1)本文提出的異步澆注法以波形鋼腹板為勁性支撐，其結(jié)構(gòu)簡潔、受力明確，能大幅降低工程造價，工作面可由傳統(tǒng)的1個擴(kuò)展到3個，極大地提高了施工效率；此外，異步澆注法克服了傳統(tǒng)掛籃具有傾覆性的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了施工安全性，工程應(yīng)用結(jié)果表明其具有良好的社會經(jīng)濟(jì)價值。

(2)波形鋼腹板PC組合箱梁橋在鋼-混連接處附近，易出現(xiàn)應(yīng)力集中，過大的應(yīng)力集中將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑移、掀起等破壞，因此在后續(xù)設(shè)計過程中，對鋼-混連接部位的構(gòu)造設(shè)計應(yīng)予以高度關(guān)注。

(3)異步澆注法施工的波形鋼腹板PC組合箱梁橋，前期結(jié)構(gòu)應(yīng)力增幅十分明顯，但實(shí)測值仍低于計算值，且結(jié)構(gòu)處于安全可控范圍；隨著施工階段的推進(jìn)，各項(xiàng)應(yīng)力指標(biāo)值雖均逐漸增大，但到后期變化較小，呈現(xiàn)出平穩(wěn)的趨勢。

(4)相比傳統(tǒng)掛籃懸臂澆注法，異步澆注法施工的波形鋼腹板PC組合箱梁橋，在施工過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化更為均勻，結(jié)構(gòu)受力更合理，在成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的整體性更好。

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Analysis of Mechanical Property of Composite Box-girder with Corrugated Steel Webs Using New Asynchronous Construction Technology

WANG Da，HUANG Hai-shan，CAO Zheng，LIU Yang

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 410064 China;2. Co-constructing Key Laboratory for Safety Control of Bridge Engineering of Ministry of Education, Changsha Hunan 410064 China)

For application and population of PC composite box-girder bridge with corrugated steel webs, a new asynchronous cantilever construction method is adopted in a real bridge to enhance the construction level and reflect the economic benefit of this type of bridge. Taking a real bridge under construction as the research object, the construction processes and economic indexes between the traditional hanging basket cantilever construction method and the asynchronous cantilever construction method is compared. Based on the large finite element program ANSYS, a fine finite element model of the studied bridge is built, detailed analysis of the mechanical property of the key sections of the bridge structure is conducted in the whole process of construction, the whole process of construction, and the calculation result is compared with the field testing data of the real-time monitored stress. The result indicates that (1) the process of asynchronous cantilever construction method is simple and clear, the construction period is short and the economic indicators are high, this proposed asynchronous cantilever construction method is far superior to the traditional hanging basket cantilever construction method; (2) the stresses of structure are varied in a reasonable and safety range during the construction for the proposed method.

bridge engineering；PC composite box-girder；finite element method；corrugated steel web；stress

2015-11-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308071)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(九七三)項(xiàng)目(2015CB057701)；交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2015319825120)

王達(dá)(1980-)，男，湖南新邵人，工學(xué)博士，副教授.(yxwang2006@yeah.net)

U448.21+6

A

1002-0268(2016)08-0058-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.08.010