張建勛， 趙諳笛 編譯

(1.鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450008；2.新疆建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

1 概述

日本新名神(名古屋至神戶(hù))高速公路安威川特大橋位于大阪府茨木市的北部，橫跨一級(jí)河道安威川和茨木-龜岡市縣道。上行線(xiàn)(即左幅)采用8跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋(4孔波形鋼腹板組合箱梁+4孔預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁)；下行線(xiàn)(即右幅)采用5跨波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋。左幅橋梁最大跨度179.0 m(圖1)，是目前世界上最大跨徑的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋，其主梁最大高度為11.5 m，橫斷面圖見(jiàn)圖2。針對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法能否適用于如此高的波形鋼腹板組合箱梁?jiǎn)栴}，設(shè)計(jì)組通過(guò)非線(xiàn)性有限元分析法和縮尺模型試驗(yàn)對(duì)波形鋼腹板的抗剪承載力進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法具有一定適用性。波形鋼腹板按兩種懸臂方法施工：第一種方法適用于右幅P2墩，將節(jié)段長(zhǎng)度劃為6.4 m，使用特殊移動(dòng)掛籃；第二種方法適用于標(biāo)準(zhǔn)段，將節(jié)段設(shè)置為4.8 m，采用波形鋼腹板與底板混凝土共同受力的架設(shè)方法。

圖1 橋梁立面圖(單位：mm)

圖2 橋梁橫斷面圖(單位：cm)

2 截面剪切性能研究

2.1 數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)非線(xiàn)性有限元分析和剪切屈曲試驗(yàn)，驗(yàn)證現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案能否滿(mǎn)足高梁波形鋼腹板橋的受力要求。數(shù)值分析與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，如圖3所示。試驗(yàn)載荷與撓度之間的關(guān)系與數(shù)值分析結(jié)果較為一致。以橋墩頂附近剪切屈曲參數(shù)約為1.0的非彈性區(qū)域梁段為試件，剪切屈曲強(qiáng)度的計(jì)算值和試驗(yàn)值分別約為現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法屈曲強(qiáng)度的1.75倍和1.89倍，證明了此橋抗剪切屈曲的安全性。

圖3 數(shù)值分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.2 波形鋼腹板的設(shè)計(jì)方法

波形鋼腹板橋梁設(shè)計(jì)通常假定由波形鋼腹板承擔(dān)橫截面中的全部剪切力，設(shè)計(jì)應(yīng)確保在極限載荷下不發(fā)生局部屈曲、整體屈曲和合成屈曲。其中，合成屈曲強(qiáng)度由局部屈曲強(qiáng)度和整體屈曲強(qiáng)度的相關(guān)指數(shù)之和表示。設(shè)計(jì)要確保每種剪切屈曲強(qiáng)度和剪切屈服應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)。剪切屈曲強(qiáng)度由彈性屈曲強(qiáng)度、剪切屈服應(yīng)力和連接二者的非彈性屈服強(qiáng)度3部分組成，如圖4所示。

圖4 剪切屈曲參數(shù)

2.3 波形鋼腹板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該橋波形鋼板采用SM490Y和SM570兩種鋼材，考慮到經(jīng)濟(jì)性，采用變厚度鋼板。支座中心剪力較小處使用SM490Y鋼材；支座中心兩側(cè)剪力增大處使用SM570鋼材。一般情況下，鋼板厚度由非彈性區(qū)域屈服強(qiáng)度確定。為使鋼板在非彈性區(qū)域優(yōu)先屈服，剪切屈曲參數(shù)設(shè)置應(yīng)小于1.0。經(jīng)計(jì)算，在梁高11.5 m的墩頂附近，使用SM490Y和SM570兩種鋼材對(duì)應(yīng)的板厚分別為25、42 mm，故該橋波形鋼板選用SM490Y型鋼材。

3 懸臂施工方法

3.1 懸臂施工方法的選取

該橋波紋鋼腹板梁段采用兩種懸臂施工方案進(jìn)行施工。右幅P2墩各懸臂施工方案節(jié)段數(shù)量的對(duì)比見(jiàn)圖5。傳統(tǒng)的懸臂施工法將右幅P2墩懸臂梁節(jié)段分為20個(gè)。若采用4.8 m等節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)施工法，將節(jié)段數(shù)由20個(gè)降至16個(gè)，可縮短施工時(shí)間；若采用6.4 m等節(jié)段的新施工法，可將右幅P2墩懸臂梁節(jié)段數(shù)從20個(gè)大幅降至12個(gè)，能進(jìn)一步縮短工期。

圖5 右幅P2墩懸臂施工節(jié)段數(shù)量對(duì)比(單位：cm)

3.2 懸臂鋼束設(shè)計(jì)

該橋的懸臂鋼束由12束15.7 mm的高強(qiáng)度PC鋼束組成。在懸臂法施工中，波型鋼腹板的抗剪承載力是控制因素。為提高腹板剛度，需在波形鋼腹板內(nèi)側(cè)增設(shè)內(nèi)襯混凝土，由此，鋼束的用量也將增加。隨著主橋跨度的增加，懸臂鋼束在頂板中的布置成了問(wèn)題。如圖6所示，普通強(qiáng)度PC鋼(12束15.2 mm)無(wú)法全部布置于頂板中，故應(yīng)采用高強(qiáng)度的PC鋼材(12束15.7 mm)以減少鋼束數(shù)量，確保鋼束有足夠的布置空間。

圖6 體內(nèi)鋼束布置

3.3 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段(4.8 m)施工方法

頂板混凝土荷載由掛籃承擔(dān)，底板混凝土荷載則由波形鋼腹板承擔(dān)。因掛籃不需要承受底板混凝土的重量，于是結(jié)構(gòu)受力變得簡(jiǎn)單，從而可以將節(jié)段定為4.8 m的等長(zhǎng)段，實(shí)現(xiàn)快速施工。底板混凝土荷載由通過(guò)螺栓和波紋鋼腹板連接并安裝在波形鋼腹板上的支架承擔(dān)，經(jīng)有限元分析，支架應(yīng)安裝于距底板邊緣1.5 m處。

3.4 長(zhǎng)節(jié)段(6.4 m)快速施工方法

圖7為右幅P2墩懸臂施工步驟：先將掛籃移動(dòng)至提前安裝好的波形鋼腹板上，并通過(guò)掛籃安裝后一節(jié)段波形鋼腹板，然后在掛籃上澆筑6.4 m長(zhǎng)節(jié)段的頂、底板混凝土，張拉鋼束后，掛籃前移進(jìn)入下一循環(huán)。該方法是該橋采用的第一種施工方法。由于簡(jiǎn)化了掛籃構(gòu)造，掛籃尺寸得以增大，節(jié)段長(zhǎng)度也可以延長(zhǎng)至6.4 m。這樣既能減少節(jié)段數(shù)量(與4.8 m節(jié)段劃分相比，減少了4個(gè)塊段)，又大大縮短了施工工期。

采用新的施工方法后，需在每個(gè)節(jié)段的頂板內(nèi)增加2束12φs15.7 mm的懸臂鋼束。由于采用體內(nèi)鋼束，頂板加肋處的構(gòu)造應(yīng)相應(yīng)改變，見(jiàn)圖8。

圖7 新方法施工步驟圖

圖8 右幅P2墩處與其他梁段頂板對(duì)比圖(單位：cm)

另外，為了將高強(qiáng)度PC鋼束集中錨固在頂板中，研究組對(duì)該位置進(jìn)行了三維有限元分析，同時(shí)，通過(guò)對(duì)鋼束錨固面進(jìn)行鋼筋補(bǔ)強(qiáng)控制結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力。

在波形鋼腹板的上翼緣處設(shè)置連接件，移動(dòng)掛籃的前輪則放置于連接件上。連接件除作掛籃導(dǎo)軌外，還能承擔(dān)掛籃的荷載和澆筑混凝土的荷載。

4 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)研究

4.1 扭轉(zhuǎn)性能研究

該橋中，波形鋼板的高度已大于腹板間距，受偏載作用下扭轉(zhuǎn)力矩的影響，活荷載可能會(huì)產(chǎn)生翹曲應(yīng)力。為減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，行之有效的方法是增加橫隔板。設(shè)計(jì)組試圖通過(guò)有限元分析，確定橫隔板數(shù)量并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的抗扭安全性；選取跨度為179 m的單側(cè)懸臂梁段進(jìn)行建模分析，在橫截面上施加活荷載(考慮偏載工況)，并比較了結(jié)構(gòu)在無(wú)隔板(方案1)、3道橫隔板(方案2)和4道橫隔板(方案3)3種工況下的斷面變形情況，結(jié)果如圖9所示。

圖9 橫隔板方案對(duì)比研究(單位：cm)

在無(wú)橫隔板情況下，波形鋼腹板產(chǎn)生了彎曲應(yīng)力，發(fā)生了面外變形。設(shè)置橫隔板后，波形鋼腹板產(chǎn)生的應(yīng)力和變形均降低。由于翹曲應(yīng)力的大小主要取決于有無(wú)橫隔板，而橫隔板布置數(shù)量的多少對(duì)翹曲應(yīng)力的影響較小(0.2～0.4 MPa)，考慮到橋梁的自重不應(yīng)過(guò)大，綜上所述，設(shè)計(jì)組采用了方案2：設(shè)置3道橫隔板，不同方案的橫斷面變形如圖10所示。

圖10 橫斷面變形(活荷載下)

4.2 懸臂施工的橫向屈曲研究

該橋主梁高度大且懸臂較長(zhǎng)，懸臂施工時(shí)，存在橫向變形的風(fēng)險(xiǎn)。因此，采用非線(xiàn)性有限元分析方法，驗(yàn)證了橫隔板在施工前的橫向抗屈曲性能的安全性。

設(shè)計(jì)組以橋梁實(shí)際的腹板厚度和鋼板類(lèi)型為參數(shù)，將左幅P6墩右側(cè)最大懸臂狀態(tài)下的梁段作為對(duì)象，進(jìn)行了建模分析(圖11)。初始荷載包括結(jié)構(gòu)自身重力、懸臂狀態(tài)下的預(yù)應(yīng)力荷載、掛籃荷載和風(fēng)荷載，見(jiàn)表1。

圖11 分析模型(側(cè)面圖)(單位：cm)

表1 荷載工況

為驗(yàn)證懸臂施工期間結(jié)構(gòu)的橫向屈曲狀態(tài)，設(shè)計(jì)組分析了在初始載荷的基礎(chǔ)上，分別逐級(jí)增加垂直荷載和橫向荷載兩種工況(表2)。結(jié)果表明：當(dāng)垂直荷載約為自重和掛籃重量之和的4.4倍、橫向荷載約為設(shè)計(jì)風(fēng)速的8.8倍時(shí)(風(fēng)速約為350 m/s)，波形鋼腹板均未發(fā)生橫向屈服。由此確定，懸臂施工期間，即使沒(méi)有橫隔板，結(jié)構(gòu)也足夠安全。

表2 加載步驟

5 結(jié)語(yǔ)

安威川大橋是目前世界上最大的波形鋼腹板箱梁橋，其跨度和主梁高度在同類(lèi)型橋梁中均居世界第一。因此，在設(shè)計(jì)階段，該橋在施工和使用期的安全性問(wèn)題就已經(jīng)過(guò)充分考量。新的快速施工法能為未來(lái)的施工方案提供更多選擇，該文可為今后同類(lèi)型橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。