高富龍，成　鋒，韓亞軍

（1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京市 100048；2.中電建路橋集團(tuán)有限公司華中分公司，河南 鄭州 450000）

頂推施工中波形鋼腹板PC組合梁預(yù)應(yīng)力效應(yīng)分析

高富龍1，成鋒2，韓亞軍2

（1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京市 100048；2.中電建路橋集團(tuán)有限公司華中分公司，河南 鄭州 450000）

施加了預(yù)應(yīng)力的波形鋼腹板PC組合梁在橋梁頂推施工過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力鋼束的實(shí)際應(yīng)力在不斷發(fā)生變化，為了詳細(xì)了解預(yù)應(yīng)力在箱梁頂推過(guò)程中的變化情況，以國(guó)內(nèi)第一座采用整體式頂推施工的大跨度波形鋼腹板PC組合梁為例，采用板殼實(shí)體模型詳細(xì)模擬了波形腹板組合箱梁的結(jié)構(gòu)和具體的體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力，計(jì)算了頂推施工過(guò)程中每根預(yù)應(yīng)力鋼束的具體應(yīng)力變化情況及對(duì)混凝土頂?shù)装鍛?yīng)力變化情況。

頂推施工；波形鋼腹板；組合梁；預(yù)應(yīng)力

0　引言

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力（PC）組合梁橋使用波折形狀薄壁鋼板來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土箱梁橋的混凝土腹板，從而使其具有降低結(jié)構(gòu)自重，提高頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)力效率，降低頂?shù)装寤炷潦苄熳儭⒏稍锸湛s的影響等諸多優(yōu)勢(shì)［1］。目前波形剛腹板組合梁橋的施工方法有支架施工法、懸臂施工法和頂推施工法［2］。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外已建成的波形鋼腹板橋梁的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)都是采用支架施工和懸臂施工，采用頂推施工的實(shí)例較少［3］，國(guó)外有日本的島崎川橋［4］，國(guó)內(nèi)有鄭州市隴海路快速通道和吉安市深圳大橋［5］。采用頂推法施工的波形鋼腹板組合梁在頂推過(guò)程中混凝土頂?shù)装鍟?huì)發(fā)生拉壓應(yīng)力的交替變化［6］，需要通過(guò)配置額外的臨時(shí)體外預(yù)應(yīng)力束來(lái)保證結(jié)構(gòu)安全。同時(shí)考慮到成橋狀態(tài)混凝土的拉應(yīng)力水平和結(jié)構(gòu)的整體變形情況，需要布置永久體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力束。隨著頂推過(guò)程的進(jìn)行，混凝土橋面板的應(yīng)力、體內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力以及臨時(shí)體外預(yù)應(yīng)力束的應(yīng)力都在不斷變化，上述構(gòu)件應(yīng)力的變化情況如何，是否會(huì)改變整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力安全性尚需具體研究。本文以隴海路快速通道為工程背景，對(duì)其進(jìn)行板殼實(shí)體有限元建模，分析了頂推過(guò)程中預(yù)應(yīng)力鋼束和混凝土頂?shù)装宓膽?yīng)力變化情況。

1　工程概況

隴海路快速通道位于鄭州城區(qū)的西南處，西側(cè)起始于四海大道東側(cè)高架落地處，東側(cè)與隴海路跨南水北調(diào)橋順接，主要跨越臨湖路、賈峪河、常莊干渠等，全長(zhǎng)2.093 km。其中常莊干渠段橋梁分三幅布置，分別為南北側(cè)輔道橋和主線高架橋。主線高架范圍全長(zhǎng)940 m，共分為兩聯(lián)，跨徑布置為（9×50）m+（9×50+40）m，占線路總長(zhǎng)的45%。

主線高架上部結(jié)構(gòu)采用等高度波形鋼腹板混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，兩幅之間斷開(kāi)。單幅斷面采用單箱單室斜腹板截面，截面尺寸如圖1所示。波形鋼腹板采用BCSW1600型，鋼板厚度采用t=16 mm和t=20 mm兩種。鋼翼緣板除導(dǎo)梁段翼緣鋼板厚20 mm外，其余一般節(jié)段翼緣鋼板厚采用16 mm，與混凝土頂板采用Twin-PBL方式連接，與混凝土底板采用栓釘連接，主梁永久預(yù)應(yīng)力采用體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力混合配置方式。主梁頂、底板采用C60高強(qiáng)度混凝土，鋼腹板采用Q345qC鋼材。施工方法采用頂推法，該橋也是國(guó)內(nèi)第一座采用整體式頂推法施工的大跨度波形鋼腹板PC組合箱梁。頂推施工時(shí)，兩聯(lián)梁（YU01，YU02）分別從兩端向YP10號(hào)墩方向頂推，如圖2所示，本文中取YU01聯(lián)進(jìn)行建模計(jì)算；梁體預(yù)制臺(tái)座和臨時(shí)墩設(shè)在聯(lián)端兩跨內(nèi)；梁體分導(dǎo)梁段、頂推段和現(xiàn)澆段三種類型。

圖1　箱梁截面尺寸

體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束在截面的布置形式如圖3（a）所示，體外束在每跨內(nèi)的布置形式如圖3（b）所示。體內(nèi)束規(guī)格為YM15-9（頂板束）和YM15-12（底板束），其張拉控制應(yīng)力1 302 MPa（含損失）；體外束規(guī)格為YM15-27，張拉控制應(yīng)力1 150 MPa（含損失）。

圖2　主線高架立面圖

圖3　預(yù)應(yīng)力布置形式

2　頂推施工過(guò)程計(jì)算分析

2.1有限元模型的建立

使用有限元程序ANSYS對(duì)全橋進(jìn)行建模，在有限元模型中，混凝土采用Solid65單元模擬，鋼板采用Shell43單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Link8單元模擬，有限元模型如圖4所示。

材料屬性如下：鋼材采用Q345qC，容重為78.5 kN/m3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3；混凝土標(biāo)號(hào)為C60，容重為26 kN/m3，彈性模量3.6×104MPa，泊松比為0.2；預(yù)應(yīng)力鋼絞線彈性模量為1.95×105MPa。

由于是對(duì)施工階段進(jìn)行分析，所以計(jì)算中荷載效應(yīng)只考慮自重和預(yù)應(yīng)力。

2.2頂推工況劃分

由于橋梁標(biāo)準(zhǔn)頂推跨徑相同，這里僅選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頂推節(jié)段進(jìn)行分析研究。將導(dǎo)梁從YP6墩頂推至YP7墩的過(guò)程細(xì)分為五個(gè)工況，如圖5所示。工況2和工況3梁段的位置相同，工況2模擬最大懸臂狀態(tài)，工況3模擬導(dǎo)梁上墩的狀態(tài)。

2.3混凝土頂?shù)装鍛?yīng)力

背景工程組合梁中共有三種類型的預(yù)應(yīng)力鋼筋：體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束、永久體外預(yù)應(yīng)力束和臨時(shí)體外預(yù)應(yīng)力束，為了充分了解三種預(yù)應(yīng)力鋼束在頂推過(guò)程中對(duì)混凝土的作用效應(yīng)，分別計(jì)算了只張拉全部體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束；張拉全部體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束和兩根體外永久預(yù)應(yīng)力鋼束；張拉全部體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束、兩根體外永久預(yù)應(yīng)力鋼束和兩根體外臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束三種情況下混凝土的應(yīng)力，下文中分別以無(wú)體外束、永久體外束和臨時(shí)體外束指代這三種情況。

圖4　有限元模型

圖5　頂推工況

提取五個(gè)頂推工況中圖1所示混凝土頂板2位置和底板2位置的混凝土縱橋向應(yīng)力，如圖6所示，圖6中坐標(biāo)0位置在圖5中梁段的最左端（遠(yuǎn)離導(dǎo)梁的一端）。從圖中可以看出，三種情況中大部分混凝土頂板都處于受壓的狀態(tài)，只有支點(diǎn)附近位置的頂板承受拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力均在4 MPa以下，最大壓應(yīng)力在工況5下41.4 m位置（第四、第五跨之間的支點(diǎn)位置），壓應(yīng)力為-11 MPa。大部分混凝土底板也處于受壓狀態(tài)，在部分跨中位置會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值在5 MPa以下，最大壓應(yīng)力在工況1下214.0 m位置（導(dǎo)梁根部位置），壓應(yīng)力為-35.7 MPa，由于此處有很多為加強(qiáng)導(dǎo)梁段部受力的臨時(shí)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，導(dǎo)致該處底板應(yīng)力存在應(yīng)力集中，結(jié)果有失真。

將頂推過(guò)程各工況混凝土頂板支點(diǎn)位置和混凝土底板跨中位置的縱橋向應(yīng)力提取并列于表1和表2?？梢钥闯鰪埨谰皿w外預(yù)應(yīng)力，各墩頂混凝土頂板應(yīng)力平均下降1 MPa，各跨中混凝土底板應(yīng)力平均下降1.3 MPa，此時(shí)在工況1和工況4時(shí)混凝土頂?shù)装迦源嬖谳^大拉應(yīng)力，頂板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在工況1時(shí)YP4墩頂截面，達(dá)到3.35 MPa，底板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在工況1第三跨跨中截面，為2.97 MPa。

繼續(xù)張拉臨時(shí)體外預(yù)應(yīng)力，各墩頂混凝土頂板應(yīng)力平均下降1 MPa，各跨中混凝土底板應(yīng)力平均下降1.2 MPa，混凝土頂板在各個(gè)工況中的最大拉應(yīng)力為1.32 MPa，底板相應(yīng)的最大拉應(yīng)力為1.22 MPa。

由上述分析可以看出，頂推過(guò)程中，如果只張拉體內(nèi)束，混凝土頂板在墩頂位置、混凝土底板在跨中位置會(huì)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，隨著永久體外束和臨時(shí)體外束的張拉，拉應(yīng)力的大小逐漸降低，絕大多數(shù)位置拉應(yīng)力最終降至1.3 MPa以下或轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，可見(jiàn)體外預(yù)應(yīng)力對(duì)于改善頂推過(guò)程中混凝土的受力性能有較為顯著的效果。

2.4預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力

在頂推過(guò)程中預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力在不斷發(fā)生變化，分別提取了頂推過(guò)程五個(gè)工況中頂板束、底板束、永久體外束和臨時(shí)體外束的最大應(yīng)力，列于表3，最大應(yīng)力一定程度上可以反映此種類型的預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力水平。

表1　頂推過(guò)程中頂板混凝土支點(diǎn)位置應(yīng)力　MPa

表2　頂推過(guò)程中底板混凝土跨中位置應(yīng)力　MPa

從表3可以看出頂板束和底板束應(yīng)力最大的位置均在與導(dǎo)梁連接處，在工況5時(shí)，此位置到達(dá)跨中，此處底板束應(yīng)力增加到1 415.5 MPa，較張拉控制應(yīng)力增加8.72%；在工況2時(shí)，此位置經(jīng)過(guò)墩頂，這時(shí)是最大懸臂狀態(tài)，此處頂板束應(yīng)力達(dá)到1364.6 MPa，較張拉控制應(yīng)力增加4.76%。頂推過(guò)程中體外束的應(yīng)力均比張拉控制應(yīng)力小，在工況1時(shí)，最大應(yīng)力為1 125.8 MPa，較張拉控制應(yīng)力減小2.10%；工況4時(shí)，永久體外束最大應(yīng)力1 124.4 MPa，較張拉控制應(yīng)力減小2.23%，臨時(shí)體外束最大應(yīng)力1 122.4 MPa，較張拉控制應(yīng)力減小2.40%。

表3　頂推過(guò)程中預(yù)應(yīng)力鋼束最大應(yīng)力

從上述分析可以看出，頂推過(guò)程中體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束的應(yīng)力變化范圍相對(duì)較大，底板束達(dá)到8.72%，頂板束達(dá)到4.76%。體外預(yù)應(yīng)力束應(yīng)力均較張拉控制應(yīng)力減小，且變化幅度相對(duì)較小，均在2.5%以內(nèi)。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)隴海路快速通道波形鋼腹板組合梁頂推施工過(guò)程進(jìn)行有限元建模分析，分析其在頂推施工過(guò)程中混凝土頂?shù)装搴皖A(yù)應(yīng)力鋼束的受力性能，得到主要結(jié)論如下:

（1）對(duì)于混凝土頂?shù)装澹斖七^(guò)程中，如果只張拉體內(nèi)束，混凝土頂板在墩頂位置、混凝土底板在跨中位置會(huì)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，隨著永久體外束和臨時(shí)體外束的張拉，拉應(yīng)力的大小逐漸降低，絕大多數(shù)位置拉應(yīng)力最終降至1.3 MPa以下或轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，可見(jiàn)體外預(yù)應(yīng)力對(duì)于改善頂推過(guò)程中混凝土的受力性能有較為顯著的效果。

（2）對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼束，頂推過(guò)程中體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束的應(yīng)力變化范圍相對(duì)較大，底板束達(dá)到8.72%，頂板束達(dá)到4.76%。體外預(yù)應(yīng)力束應(yīng)力均較張拉控制應(yīng)力減小，且變化幅度相對(duì)較小，均在2.5%以內(nèi)。

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U445.462

B

1009-7716（2016）06-0216-05

2016-03-02

高富龍（1962-），男，山東沂水人，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事道路交通與橋梁設(shè)計(jì)工作。