王 彬

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

波形鋼腹板PC（預(yù)應(yīng)力混凝土）箱梁是20世紀(jì)80年代最先在法國(guó)出現(xiàn)的一種新的橋梁型式，其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)自重輕，減少下部結(jié)構(gòu)工程量；作為箱梁腹板的波形鋼板有不抵抗縱向軸力的特點(diǎn)，使預(yù)應(yīng)力能夠有效施加于混凝土頂?shù)装?，極大提高預(yù)應(yīng)力的作用效率，縮短施工工期[1]。剛構(gòu)-連續(xù)體系組合梁橋是連續(xù)剛構(gòu)與連續(xù)梁橋的結(jié)合體，具有行車舒適、減少大噸位支座的數(shù)量及下部結(jié)構(gòu)工程規(guī)模、改善溫度及混凝土收縮徐變對(duì)橋墩及墩頂負(fù)彎矩的影響等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。正因?yàn)槎嗫鐒倶?gòu)-連續(xù)組合體系的波形鋼腹板PC箱梁橋具有如此優(yōu)越的結(jié)構(gòu)受力和施工性能，所以在大跨徑的橋梁設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)管理中具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

該類型橋梁大多采用懸臂現(xiàn)澆（拼裝）施工方法，在施工過程中張拉合龍鋼束會(huì)對(duì)相鄰橋跨的內(nèi)力分布產(chǎn)生影響，多跨橋梁采用不同的合龍順序可以得到不同的成橋內(nèi)力狀態(tài)[4]。盡管目前已有很多文獻(xiàn)對(duì)剛構(gòu)-連續(xù)組合體系PC箱梁橋的合龍順序作了一定的研究[5-7]，但對(duì)剛構(gòu)-連續(xù)組合體系鋼腹板PC箱梁橋的合龍順序研究甚少，尤其考慮施工過程中整體溫度變化對(duì)合龍順序的影響更少。施工過程中，不同的施工狀態(tài)下整體溫差對(duì)橋梁，尤其是橋墩的影響最大，本文通過對(duì)運(yùn)寶黃河大橋副橋合龍順序進(jìn)行計(jì)算分析，探討該類橋型的合理施工順序的確定方法。

1 工程概況

山西運(yùn)寶黃河大橋是連接山西呼北高速公路與河南三門峽至淅川高速公路晉豫省界的一座特大型橋梁，在山西省運(yùn)城市柳灣村附近跨越黃河進(jìn)入河南，運(yùn)寶黃河大橋全長(zhǎng)1 690 m，其中副橋全長(zhǎng)906 m，采用跨徑為（48+9×90+48）m剛構(gòu)-連續(xù)組合體系波形鋼腹板PC箱梁橋，橋型布置如圖1所示。單幅橋梁橫斷面采用單箱單室斷面，腹板采用波形鋼腹板，箱梁頂面寬15.5 m，底寬8.5 m，翼緣寬度為3.5 m；箱梁根部高度為5.5 m，跨中高度為2.7 m，梁高按1.8次拋物線變化；頂板厚度為0.32 m，在腹板梗腋處加厚至0.7 m；底板厚度由0.3 m漸變至0.8 m，底板厚度按1.8次拋物線變化；波形鋼腹板采用1600型，板厚分別為16 mm及14 mm。下部結(jié)構(gòu)F4～F7主墩為固結(jié)墩，采用雙薄壁實(shí)體墩，F(xiàn)1～F3、F8～F10連續(xù)主墩及F11為過渡墩均采用等截面空心墩[8-9]。

運(yùn)寶黃河大橋采用的技術(shù)參數(shù)：

a）公路等級(jí) 六車道高速公路；

b）設(shè)計(jì)行車速度 80 km/h；

c）汽車荷載等級(jí) 公路-Ⅰ級(jí)；

d）橋面凈寬 2×凈14.5 m；

e）設(shè)計(jì)洪水頻率 1/300；

f）設(shè)計(jì)水位 采用三門峽庫區(qū)防洪運(yùn)用水位333.808 m；

g）地震動(dòng)峰值加速度 0.182g。

圖1 運(yùn)寶黃河大橋副橋橋型布置示意圖（單位：cm）

2 模型建立

為了研究合龍順序?qū)Χ嗫鐒倶?gòu)-連續(xù)組合體系波形鋼腹板PC箱梁橋成橋受力狀態(tài)的影響，本文采用midas civil有限元分析軟件建立該橋整體桿系分析元模型，見圖2，其中橋墩及鋼腹板PC箱梁均以梁?jiǎn)卧M，其中波形鋼腹板截面采用midas civil有限元軟件自帶的“鋼腹板箱梁”截面特性進(jìn)行模型。全橋梁?jiǎn)卧灿?jì)506個(gè)，其中主梁304個(gè)，混凝土標(biāo)號(hào)采用C55，橋墩9個(gè)，雙薄壁剛構(gòu)墩墩身采用C40，薄壁空心墩墩身采用C35。固結(jié)端采用剛臂模擬墩梁固結(jié)，墩梁間的支座采用彈性連接模擬，橋墩底均按照固結(jié)處理。

圖2 運(yùn)寶黃河大橋副橋桿系單元模型示意圖

計(jì)算參數(shù)選擇：

a）結(jié)構(gòu)自重 按實(shí)際材料容重的1.05倍計(jì)算。

b）二期恒載 防撞護(hù)欄+調(diào)平層+瀝青混凝土鋪裝層共計(jì)為96.05 kN/m。

c）施工過程掛籃、機(jī)具、人員等 本橋掛籃獨(dú)自設(shè)計(jì)，重量按照實(shí)際重量取為65 t/套。

d）預(yù)應(yīng)力 采用strand 1860鋼絞線，松弛系數(shù)為0.3，管道摩擦系數(shù)為0.17，管道偏差系數(shù)為0.001 5（1/m），體內(nèi)、外預(yù)應(yīng)力錨下張拉控制應(yīng)力分別為1 395 MPa和 1 116 MPa。

e）錨具 錨具變形，鋼筋回縮按6 mm（一端）計(jì)算。

f）不均勻沉降 墩底沉降值取5 mm。

溫度荷載、收縮徐變、風(fēng)荷載及活載等均按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）及《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》（JTG 3362—2018）取值。

3 計(jì)算分析

3.1 主跨剛度分布狀態(tài)

剛構(gòu)-連續(xù)體系波形鋼腹板PC箱梁橋在活載作用下主梁的撓度和應(yīng)力見圖3、圖4。在活載作用下，剛構(gòu)跨跨中主梁的最大撓度為-29.7 mm（向下），跨中底板最大拉應(yīng)力為3.5 MPa；而連續(xù)跨的主梁最大撓度為-41.8 mm（向下），跨中底板最大拉應(yīng)力為5.0 MPa?？梢钥闯鲞B續(xù)跨的撓度是剛構(gòu)跨的1.41倍，底板拉應(yīng)力是剛構(gòu)跨的1.43倍，說明成橋后固結(jié)墩對(duì)主梁轉(zhuǎn)動(dòng)約束能力較大。

圖3 活載作用下主梁最大撓度

圖4 活載作用下主梁下緣最大拉應(yīng)力

原設(shè)計(jì)合龍思路：對(duì)于多跨長(zhǎng)聯(lián)的剛構(gòu)-連續(xù)體系PC箱梁，當(dāng)張拉某跨合龍束時(shí)，其鋼束二次效應(yīng)會(huì)在相鄰橋跨的底板產(chǎn)生拉應(yīng)力，利用結(jié)構(gòu)這一特性，合龍順序可以考慮先合龍底板壓應(yīng)力儲(chǔ)備需求小的橋跨，然后再合龍需求大的橋跨，后合龍的橋跨底板壓應(yīng)力大于先合龍的橋跨，從而使運(yùn)營(yíng)階段的剛構(gòu)-連續(xù)體系各跨底板應(yīng)力較為均勻[2]。遵循這樣的原則，運(yùn)寶黃河大橋副橋的合龍順序?yàn)椋合群淆垊偠容^大的剛構(gòu)跨，最后合龍剛度較小的連續(xù)跨。從圖3、圖4可以看出：連續(xù)跨第2、第4、第8、第10剛度相對(duì)較大；剛構(gòu)跨第6跨相對(duì)較大。

3.2 原設(shè)計(jì)合龍順序

本橋施工方法為對(duì)稱懸臂拼裝，原設(shè)計(jì)全橋分4次合龍，根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]及圖3、圖4，全橋合龍順序如圖5所示。合龍后主梁底板混凝土壓應(yīng)力分布見圖6，短期組合下底板應(yīng)力分布見圖7。

圖5 原設(shè)計(jì)合龍順序示意圖

圖6 （原設(shè)計(jì)）合龍后主梁下緣應(yīng)力分布示意圖（單位：MPa）

由圖6、圖7可見，僅考慮成橋后整體溫度變化的影響時(shí)，剛構(gòu)-連續(xù)體系波形鋼腹板組合梁無論合龍后還是成橋運(yùn)營(yíng)連續(xù)跨和剛構(gòu)跨應(yīng)力均較均勻，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。說明僅考慮成橋后整體溫度變化的影響時(shí)，根據(jù)各跨剛度的不同區(qū)分各跨的合龍順序是可行的，文獻(xiàn)[2]也適用于剛構(gòu)-連續(xù)體系波形鋼腹板組合梁橋。

圖8 （原設(shè)計(jì)）均勻溫升橋墩底部拉應(yīng)力分布

圖9 （原設(shè)計(jì)）均勻溫降橋墩底部壓應(yīng)力分布

當(dāng)考慮施工過程中整體溫度變化的影響時(shí)，在第四次合龍后，此時(shí)全橋剛度最大，合龍前后溫差對(duì)邊墩F1～F3（臨時(shí)固結(jié)狀態(tài)）的影響最大。墩F1～F5在第三次合龍后，考慮到橋位地處山西運(yùn)城黃河河灘，晝夜溫差較大，本文考慮該橋整體溫差在5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃狀態(tài)下，墩低截面邊緣應(yīng)力分布如圖8、圖9所示。

3.3 合龍順序的優(yōu)化

基于原設(shè)計(jì)合龍方案無論在合龍后還是成橋運(yùn)營(yíng)連續(xù)跨和剛構(gòu)跨應(yīng)力均較均勻，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，故第一次和第二次合龍順序不變?？紤]施工過程中均勻溫差對(duì)邊墩的影響，尤其是多跨、長(zhǎng)聯(lián)、墩矮的結(jié)構(gòu)體系，降低施工過程中橋梁的整體剛度是有效解決溫差對(duì)邊墩影響的有效途徑之一。

結(jié)合運(yùn)寶黃河大橋副橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，先合龍邊跨，然后釋放邊墩的臨時(shí)約束，降低邊跨剛度，全橋合龍順序優(yōu)化方案見圖10所示。合龍后主梁底板壓應(yīng)力分布見圖11，短期組合下主梁底板壓應(yīng)力分布見圖12。

圖10 優(yōu)化后合龍順序示意圖

圖11 （優(yōu)化后）合龍后主梁下緣應(yīng)力分布示意圖（單位：MPa）

圖12 （優(yōu)化后）短期效應(yīng)組合主梁下緣應(yīng)力分布示意圖（單位：MPa）

當(dāng)考慮施工過程中整體溫度變化的影響時(shí)，在第三次合龍后，此時(shí)全橋剛度變化最大，考慮該橋整體溫差在5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃狀態(tài)下，墩低截面邊緣應(yīng)力分布如圖13、圖14所示。

圖13 （優(yōu)化后）均勻溫升橋墩底部拉應(yīng)力分布

圖14 （優(yōu)化后）均勻溫降橋墩底部壓應(yīng)力分布

3.4 兩種不同合龍順序的對(duì)比

從圖6與圖11，圖7與圖12對(duì)比可以看出兩種不同合龍順序下，當(dāng)不考慮施工過程中整體升降溫溫差的影響時(shí)，合龍后主梁及成橋運(yùn)營(yíng)時(shí)主梁的應(yīng)力狀態(tài)差別很小，連續(xù)跨及剛構(gòu)跨跨中應(yīng)力儲(chǔ)備基本一致，應(yīng)力水平較均勻，整個(gè)主梁的底緣應(yīng)力均達(dá)到了較好的水平，滿足規(guī)范要求。

從圖8與圖13，圖9與圖14對(duì)比可以看出考慮施工階段整體溫差變化的影響，優(yōu)化后邊墩的溫度應(yīng)力變化最顯著。溫差變化20℃時(shí)，F(xiàn)1墩由10.8 MPa降低到3.1 MPa，減少了71.3%；F2墩由8.6 MPa降低到 0.4 MPa，減少了 95.3%；F3墩由5.4 MPa降低到2.9 MPa，減少了46.3%。優(yōu)化后的合龍順序在施工階段顯著降低溫度變化的影響，優(yōu)先釋放連續(xù)墩的臨時(shí)約束降低組合梁對(duì)墩的約束能力。

4 結(jié)論

a）多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合體系波形鋼腹板PC箱梁各橋跨豎向剛度差異較大，在相同的荷載作用下，各跨的應(yīng)力及撓度各不相同，可以通過優(yōu)化合龍順序來調(diào)節(jié)主梁各跨應(yīng)力狀態(tài)，使之滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

b）施工階段的整體溫差對(duì)多跨剛構(gòu)-連續(xù)組合體系的波形鋼腹板PC箱梁橋的受力狀態(tài)，尤其是橋墩底部影響最大，對(duì)于該類型的橋梁合龍順序應(yīng)該考慮施工階段整體溫差的影響。

c）考慮到施工階段整體溫差的影響，較為合理的合龍順序應(yīng)該是：先合龍連續(xù)跨、剛構(gòu)跨中剛度較大跨；再合龍連續(xù)跨；釋放連續(xù)跨墩臨時(shí)約束；然后全橋合龍。

d）針對(duì)不同橋型可以考慮多種合龍順序，對(duì)成橋和施工階段溫度變化引起的內(nèi)力進(jìn)行比較，以期達(dá)到更好的效果。