韓珠峰

(桂林理工大學土木與建筑工程學院 541004)

引言

20 世紀80 年代， 法國學者提出一種新型鋼-混組合結構， 繼而波形鋼腹板PC 組合箱梁橋得以誕生[1]。 隨著我國現(xiàn)代化進程的逐步發(fā)展，波形鋼腹板鋼-混組合梁橋受到廣泛關注， 并在我國橋梁建設中占有不可或缺的地位。 針對傳統(tǒng)預應力混凝土施工速度慢、 工期長、 受跨度限制的問題， 新型RW 異步錯位施工方法在提高橋梁結構的施工質量和效率方面具有一定優(yōu)勢。

由于RW 新型異步施工法與傳統(tǒng)懸臂施工法差異較大， 并直接影響結構在建造過程中主梁的受力， 因此對于橋梁建設過程中以及成橋階段主梁不同部位的應力和變形應高度關注。 本文以某波形鋼腹板鋼-混組合梁橋為背景， 采用數(shù)值分析軟件MIDAS FEA 建立全橋精細化模型進行數(shù)值計算， 并結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)， 對比RW 異步澆筑方法和傳統(tǒng)掛籃懸臂澆筑方法下主梁的應力值， 為后續(xù)的研究和應用提供了參考。

1 工程概況

該橋位于整體式路基段， 最大橋高93.4m，主橋采用跨徑為72m +125m +72m 的連續(xù)剛構橋(圖1)， 單幅橋標準橋面寬度為12.5m。 主梁采用波形鋼腹板箱梁， 最大梁高為7.8m， 高跨比1/16.02， 跨中位置主梁梁高為3.5m， 全橋梁高按1.8 次拋物線線形變化。 腹板板厚由跨中至墩頂分別為16mm、 18mm、 22mm、25mm， 波形鋼腹板與上、 下翼緣板采用開口板連接+焊釘連接。

圖1 橋型布置示意(單位： m)Fig.1 Layout of bridge type (unit: m)

橋梁節(jié)段劃分為13m(0#塊) +6 ×4.8m +4× 6.4m + 3.2m，邊、中跨合龍段長度均為3.2m， 邊跨現(xiàn)澆段長度為37.74m。 其中0#塊采用在墩頂設置托架進行現(xiàn)澆施工， 1 -10#塊采用RW 異步錯位施工方法進行施工， 合龍段采取將掛籃改制為吊架進行施工， 邊跨現(xiàn)澆段采取搭設現(xiàn)澆支架法進行施工。

預應力采用體內預應力與體外預應力結合的設置方式。 體內預應力采用φs15.2 預應力鋼絞線、 群錨體系。 其中頂板懸澆束共計40 束， 邊跨合龍束共計14 束， 中跨合龍束共計14 束。 體外預應力采用φs15.2 低松弛環(huán)氧涂層鋼絞線成品索， 抗拉標準強度fpk＝1860MPa， 設計錨下張拉控制應力fcon＝0.6 ×1860 ＝1116MPa。

2 RW 異步施工工藝

RW 異步施工方法又稱多部位斷面施工， 把1 個作業(yè)區(qū)擴大到了3 個作業(yè)區(qū)， 合理利用工序銜接， 3 個節(jié)段同步施工， 各工作面互不影響，相較于傳統(tǒng)懸臂施工法只能在一個作業(yè)區(qū)進行懸臂施工， 極大地提高了工作效率， 節(jié)約時間。 為了提高塔吊利用率和降低塔吊費用， 在掛籃主桁架上安裝小型吊裝設備， 當塔吊把鋼腹板及其他材料吊裝到橋面時， 用軌道小車把材料運輸?shù)绞┕す?jié)段， 用掛籃吊裝設備安裝。 施工流程見圖2。流程一: 掛籃行走到N節(jié)段， 對N節(jié)段底板鋼筋和N-1 節(jié)段頂板鋼筋進行施工。 流程二: 澆筑混凝土， 養(yǎng)生， 同時對N+1 節(jié)段波形鋼腹板進行安裝。 循環(huán)上述流程， 直至合龍。

圖2 異步施工流程Fig.2 Process of asynchronous construction

主橋主要施工工序和關鍵技術包括: 0#塊支架的設計與搭設、 0#塊梁段混凝土澆筑施工、RW 掛籃設計與拼裝、 懸臂澆筑標準段施工、 邊跨現(xiàn)澆段施工、 合龍段施工、 預應力施工。 主橋懸臂施工采用RW 掛籃在每個T 構兩端對稱懸臂澆筑各梁段， 利用塔吊進行RW 掛籃以及波形鋼腹板的安裝， 采用4 對、 8 只掛籃同時施工4 個T 構， 混凝土由拌合站集中拌合， 采用混凝土運輸車運輸， 輸送泵(車)灌注混凝土， 施工以及合龍順序完全按照設計給定的程序進行。 1#塊體內預應力張拉完成后， 進行3#號塊腹板安裝， 綁扎2#塊頂板和3#塊底板鋼筋， 再進行混凝土澆筑，張拉2#塊頂板體內預應力鋼束。 以此類推，N節(jié)段體內預應力張拉完成后， 進行N+2 節(jié)段波形鋼腹板的安裝， 綁扎N+1 節(jié)段頂板和N+2 節(jié)段底板鋼筋， 澆筑混凝土， 張拉N+1 節(jié)段體內預應力鋼束。

3 結構受力分析

3.1 有限元模型

采用數(shù)值分析軟件MIDAS FEA 建立了圖3所示的主橋精細化模型。 共計203646 個節(jié)點，557476 個單元。 采用四面體實體單元模擬頂板、底板， 采用板單元模擬腹板， 模型中體內預應力和體外預應力分別通過建立植入式鋼筋單元與桁架單元進行模擬。 掛籃荷載與壓重的模擬采用在主梁頂板位置建立剛域的形式進行模擬。

圖3 全橋精細化實體模型Fig.3 Refined solid model of the whole bridge

3.2 施工階段應力分析

主橋RW 異步施工過程共分為12 個施工階段， 兩側對稱懸臂施工。 在各施工階段完成前后， 均對主梁各截面不同位置的應力進行現(xiàn)場監(jiān)測。 本文選擇主跨根部截面和1/8 截面主梁應力進行分析， 現(xiàn)將有限元分析結果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比如圖4 所示。

圖4 施工階段應力對比Fig.4 Stress contrast in construction stage

由圖4 可知， 采用RW 異步施工法進行施工時， 主梁在根部和1/8 截面正應力的實測值與數(shù)值解基本吻合。 在澆筑7#塊以前， 頂板正應力隨施工進行逐漸增大， 澆筑7#塊至邊跨合龍階段，頂板正應力逐漸減小， 但變化幅度較小。 其中產(chǎn)生最大正應力為-13.98MPa； 隨著施工的進行，底板應力值基本逐漸增大， 在中跨合龍后應力減小， 其中正應力值最大為11.52MPa。 主跨根部位置處的腹板正應力隨施工的進行逐漸增大，1/8 截面的腹板正應力先減小， 再增大。

對比采用RW 異步施工法與傳統(tǒng)懸臂法的應力值可知， 對于頂板， 采用RW 異步施工法產(chǎn)生的應力均小于采用傳統(tǒng)懸臂施工法所產(chǎn)生的應力； 對于底板與腹板， 采用RW 異步施工法產(chǎn)生的應力大于采用傳統(tǒng)懸臂法所產(chǎn)生的應力。 說明在采用異步施工工藝進行懸臂澆筑時， 由于同一節(jié)段主梁的頂板與底板分別在不同階段進行澆筑， 其受力狀態(tài)與采用傳統(tǒng)懸臂澆筑法時主梁的應力也有所不同。

3.3 成橋狀態(tài)應力分析

對于超靜定結構， 采用不同的施工工藝對成橋內力和主梁的應力均有不可忽視的影響。 通過有限元計算結果與實測數(shù)據(jù)進行分析， 對比在成橋狀態(tài)下RW 異步施工法和傳統(tǒng)懸臂澆筑法對主梁正應力的影響， 如圖5 所示。

圖5 成橋狀態(tài)下主梁正應力對比Fig.5 Normal stress contrast in completion state of bridge

通過對主梁頂板、 底板的理論解與實測值的分析發(fā)現(xiàn)， 在成橋狀態(tài)下， 主梁全截面受壓， 頂板產(chǎn)生的壓應力極值為-15.89MPa， 底板產(chǎn)生的壓應力極值為-15.12MPa。 但在采用RW 異步施工法時， 成橋狀態(tài)下除在邊跨位置外， 全橋頂板壓應力均大于傳統(tǒng)懸臂施工法的應力值， 而底板與之相反。 主跨范圍內， 采用RW 異步施工法時， 主梁頂板處的應力變化幅值為8.81MPa， 主梁底板處的應力變化幅值為9.81MPa； 采用傳統(tǒng)懸臂法時， 主梁頂板處的應力變化幅值為9.12MPa， 主梁底板處的應力變化幅值為12.12MPa。 說明采用RW 異步施工法的主梁應力變化幅度更小， 應力分布相較傳統(tǒng)懸臂法更為均勻， 成橋狀態(tài)的整體性能更好。

4 結論

本文以實際工程為依托， 基于數(shù)值分析軟件建立了波形鋼腹板連續(xù)梁橋全橋實體模型， 并對比現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可以得到以下結論:

1. 對比傳統(tǒng)懸臂施工法， 在采用RW 異步施工法施工時， 同一節(jié)段主梁的頂板與底板澆筑時間不同， 其主梁受力狀態(tài)也不同。 采用RW 異步施工法時， 由于前一節(jié)段的頂板滯后于相鄰節(jié)段的腹板施工， 而前一節(jié)段的底板超前于相鄰節(jié)段腹板的施工， 導致在施工過程中，底板先參與整體受力， 當懸臂狀態(tài)穩(wěn)定后， 頂板參與受力， 因此頂板應力更小而底板與腹板應力更大。

2. 采用RW 異步施工法施工的波形鋼腹板PC 組合梁橋， 相較于傳統(tǒng)懸臂施工法， 在成橋狀態(tài)下主梁應力變化更小， 分布更均勻， 結構受力更合理。