胡逸凡 王綿坤 孫約瀚 荊國強

（1.溫州市七都大橋北汊橋建設(shè)有限公司 浙江溫州 325099；2.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院市政工程系廣東廣州 510635；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 四川成都 610031；4.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司湖北武漢 430034；5.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室 湖北武漢 430034）

1 引言

波形鋼腹板（Corrugated Steel Web，CSW）預(yù)應(yīng)力組合箱梁橋起源于法國，與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土（Prestressed Concrete，PC）箱梁相比優(yōu)勢顯著［1－2］。目前，該橋型已在德國、挪威、美國、韓國、日本得到廣泛應(yīng)用［3］，我國的波形鋼腹板橋梁也在迅速發(fā)展［4－5］。在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中，混凝土徐變是引起結(jié)構(gòu)下?lián)系闹饕蛩?，同時徐變還會引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力和應(yīng)力的重分布［6－7］，對結(jié)構(gòu)長期受力性能的影響不容忽視，在設(shè)計和施工中應(yīng)充分考慮。波形鋼腹板箱梁的頂?shù)装宀牧蠟榛炷?，腹板材料為鋼材，兩種材料特性差異很大，同時徐變可能引起箱梁混凝土頂?shù)装?、波形鋼腹板之間的應(yīng)力重分布，并引起預(yù)應(yīng)力損失，對橋梁的長期變形和內(nèi)力產(chǎn)生重要影響，近幾年受到廣泛關(guān)注。李立峰［8］對波形鋼腹板簡支梁在長期荷載下的徐變效應(yīng)進(jìn)行了試驗研究，并對波形鋼腹板簡支梁徐變計算方法進(jìn)行驗證，通過參數(shù)分析結(jié)果表明，波形鋼腹板截面能有效減小徐變效應(yīng)，從而減小長期徐變效應(yīng)引起的反拱。李明［9］建立了一座等截面波形鋼腹板與預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的模型，對比分析了徐變效應(yīng)導(dǎo)致的內(nèi)力以及位移的變化。唐楊［10］建立了一座大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋模型，研究環(huán)境相對濕度、混凝土加載齡期、持續(xù)加載時間、混凝土強度等級以及橋墩高度對波形鋼腹板組合箱梁橋收縮徐變的影響。熊鋒［11］研究了剪切變形對波形鋼腹板組合箱梁橋徐變效應(yīng)的影響，得出剪切變形對徐變應(yīng)力與徐變變形均產(chǎn)生明顯影響，且徐變應(yīng)力減小而徐變變形增大的結(jié)論。楊彥海［12］從徐變效應(yīng)、徐變影響因素以及徐變計算方法對波形鋼腹板以及混凝土簡支梁進(jìn)行了對比研究。徐變效應(yīng)對于大跨徑橋梁的影響十分顯著，特別近年大跨度橋梁由于徐變效應(yīng)產(chǎn)生的跨中撓度增加，甚至腹板開裂的問題層出不窮，現(xiàn)有波形鋼腹板主梁與混凝土主梁徐變效應(yīng)的對比研究主要集中在簡支梁，對大跨徑波形鋼腹板橋梁徐變效應(yīng)研究較少，因此對大跨徑波形鋼腹板橋梁的研究具有較大意義。

本文采用大型通用有限元軟件Midas／Civil建立一座3跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋梁，其中主梁分別采用波形鋼腹板與混凝土箱梁，對比分析截面類型不同時，主梁與墩頂位移、主梁頂?shù)装鍛?yīng)力以及預(yù)應(yīng)力損失，旨在為修建同類型的大跨度波紋鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋梁提供參考。

2 工程概況

本文以一座波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋為研究對象，該橋跨徑布置為（105＋190＋105）m，橋型布置如圖1所示。箱梁頂板寬16.5 m，底板寬9.5 m，外翼板懸臂長3.5 m。箱梁跨中及邊跨支架現(xiàn)澆段梁高5.0 m，箱梁根部斷面梁高為11.7 m。從箱梁根部至跨中及邊跨現(xiàn)澆段，梁高以1.8次拋物線變化。箱梁預(yù)應(yīng)力鋼束采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力與體外預(yù)應(yīng)力相結(jié)合的方式進(jìn)行配置。

圖1 橋型布置（單位：cm）

箱梁0號段長11.6 m（包括橋墩兩側(cè)各外伸1.3 m），每個T構(gòu)縱橋向劃分為22個梁段，梁段長度從根部至端部分別為2×3.0 m、8×3.6 m、11×4.8 m。1～22號梁段采用掛籃懸臂澆筑施工，懸臂澆筑梁段最大控制重量274 t，掛籃設(shè)計自重110 t。全橋合計共有3個合龍段，合龍段長度均為3.2 m。邊跨現(xiàn)澆段長8.2 m。

3 截面設(shè)計及有限元模型

3.1 截面設(shè)計

為保證CSW截面與PC截面在同等條件下對比其徐變性能，以截面抗彎承載力與腹板抗剪承載力一致為目標(biāo)設(shè)計兩類截面，腹板抗剪承載力的等效換算公式：

式中：t為混凝土腹板厚度；［τ1］為鋼板的容許抗剪強度；［τ］為混凝土的容許抗剪強度；t1為波形鋼腹板厚度。

根據(jù)式（1）可得到腹板厚度，在箱梁底板尺寸一致且頂?shù)装迮浣钕嗤那闆r下，將頂板根據(jù)抗彎承載力等效，則可通過試算調(diào)整頂板各部分分塊尺寸，使得兩種截面的抗彎承載力一致。

根據(jù)以上等效方法，可得到如圖2所示的CSW截面與PC截面尺寸。

圖2 截面尺寸（單位：mm）

3.2 有限元模型

橋梁有限元模型采用Midas軟件建立，主梁截面采用CSW截面與PC截面分別建模，全橋模型共分為89個施工階段。主梁采用C60混凝土，彈性模量為3.6×104MPa；橋墩采用C30混凝土，彈性模量為3×104MPa。為便于比較，CSW截面與PC截面均采用相同的體外預(yù)應(yīng)力與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力鋼束采用?15.2 mm高強低松弛鋼絞線，彈性模量為1.95×105MPa。施工時，邊跨采用支架現(xiàn)澆方式施工，其余部分采用懸臂澆筑施工。主墩與主梁之間采用剛性連接，主墩底部采用固結(jié)處理，邊跨支座采用滑動鉸支座進(jìn)行模擬。有限元空間計算模型如圖3所示。有限元模型采用《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）中規(guī)定的徐變模型計算徐變效應(yīng)，徐變的時變效應(yīng)采用逐步計算法進(jìn)行計算，相對濕度為70%，構(gòu)件理論厚度為0.001，水泥種類系數(shù)取5.0，其他參數(shù)由程序自動生成。

圖3 有限元模型

4 波形鋼腹板與普通混凝土腹板連續(xù)剛構(gòu)橋徐變效應(yīng)對比分析

4.1 主梁跨中以及墩頂變形分析

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋在徐變作用下，主梁變形不斷增大，同時橋墩墩頂也會產(chǎn)生一定的變形。本節(jié)以成橋階段為基準(zhǔn)，提取CSW連續(xù)剛構(gòu)橋和PC連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中撓度以及墩頂變形，并進(jìn)行差分，得到跨中撓度以及墩頂變形隨時間的變化率，如圖4～圖5所示。

圖4 跨中撓度增量

圖5 左墩墩頂水平位移增量

由圖4可以看出：總體上PC連續(xù)剛構(gòu)橋的徐變撓度較CSW連續(xù)剛構(gòu)橋大，成橋20年時，前者為后者徐變變形的1.64倍，說明在橋梁運營后期，CSW連續(xù)剛構(gòu)橋能一定程度上克服長期變形對行車舒適性的影響，且由于采用CSW代替了傳統(tǒng)的混凝土腹板，也會減少腹板開裂的現(xiàn)象。在成橋前期，兩種結(jié)構(gòu)撓度均隨時間明顯增大，CSW連續(xù)剛構(gòu)增長速率要明顯低于PC連續(xù)剛構(gòu)，后者為前者的1.76倍，后期兩種橋梁撓度增長速率逐漸變緩。

由圖5可以看出：CSW連續(xù)剛構(gòu)橋墩頂位移以及變化率均較PC連續(xù)剛構(gòu)橋大，且位移逐漸向跨中方向增大，成橋20年時，前者水平位移為后者的1.21倍，說明隨著橋梁運營時間增加，CSW連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩受力較為不利，需要通過增大墩高等方式減小推力帶來的不利影響。

4.2 頂?shù)装鍛?yīng)力分析

圖6為成橋20年時兩種橋梁截面的徐變應(yīng)力對比曲線，圖中橫坐標(biāo)表示截面坐標(biāo)距離橋梁左端點的距離。

由圖6a可以看出：徐變導(dǎo)致的跨中處截面上緣應(yīng)力最大，且PC連續(xù)剛構(gòu)較CSW連續(xù)剛構(gòu)大，增幅達(dá)111%；由圖6b可以看出，徐變導(dǎo)致的跨中處截面下緣應(yīng)力最大，且PC連續(xù)剛構(gòu)較CSW連續(xù)剛構(gòu)大，增幅達(dá)49%，這說明CSW連續(xù)剛構(gòu)能有效減小混凝土的徐變應(yīng)力，從而可以優(yōu)化混凝土截面，使上下底板混凝土用量更少，達(dá)到節(jié)省工程量的目的。

根據(jù)圖6計算結(jié)果，最不利徐變應(yīng)力位于橋梁中跨跨中截面，因此本文給出橋梁中跨跨中截面上下緣的徐變應(yīng)力隨時間的變化曲線，見圖7。由圖7可知，成橋初期，截面徐變應(yīng)力隨時間變化較快，且CSW連續(xù)剛構(gòu)徐變應(yīng)力的增加速度要慢于PC連續(xù)剛構(gòu)；15年后，兩種橋梁結(jié)構(gòu)的徐變應(yīng)力均不再增加。對比兩圖可知，頂板的徐變應(yīng)力增加速度要快于底板。CSW連續(xù)剛構(gòu)截面上、下緣徐變應(yīng)力在成橋20年與成橋初期相比增幅分別為186%、191%，PC連續(xù)剛構(gòu)截面上、下緣徐變應(yīng)力在成橋20年與成橋初期相比增幅為308%、292%，且從圖中可以看出：成橋初期徐變應(yīng)力均較小，說明長期徐變效應(yīng)對混凝土的應(yīng)力影響較大，而CSW連續(xù)剛構(gòu)可減小這種不利效應(yīng)。

圖6 徐變引起的截面應(yīng)力變化（20年）

圖7 跨中截面應(yīng)力及應(yīng)力變化率

4.3 預(yù)應(yīng)力損失分析

為分析CSW連續(xù)剛構(gòu)與PC預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)徐變導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失隨時間變化規(guī)律，本文選取代表性的體外預(yù)應(yīng)力與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，并給出兩種預(yù)應(yīng)力損失以及損失速率隨時間變化規(guī)律，見圖8。

圖8 預(yù)應(yīng)力損失及損失速率隨時間變化規(guī)律

由圖8a可知：體內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失在成橋初期，CSW連續(xù)剛構(gòu)與PC連續(xù)剛構(gòu)數(shù)值分別為25.7 MPa與22.1 MPa，成橋20年時分別為99.6 MPa與93.4 MPa，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為前者預(yù)應(yīng)力損失變化速率比后者稍快，在成橋20年時，CSW連續(xù)剛構(gòu)相比PC連續(xù)剛構(gòu)徐變預(yù)應(yīng)力損失大6.2%。

由圖8b可知：在成橋初期，CSW連續(xù)剛構(gòu)與PC連續(xù)剛構(gòu)徐變預(yù)應(yīng)力損失相差4 MPa，但前者比后者的徐變預(yù)應(yīng)力損失率大，因此，在成橋20年時，CSW連續(xù)剛構(gòu)比PC連續(xù)剛構(gòu)徐變預(yù)應(yīng)力損失大22.8%。

由上述分析可知：無論采用體外預(yù)應(yīng)力或體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，CSW連續(xù)剛構(gòu)徐變預(yù)應(yīng)力損失均較PC預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)大，采用體外預(yù)應(yīng)力時前者的預(yù)應(yīng)力損失變化率更大。需要注意的是，成橋20年時，兩種橋梁結(jié)構(gòu)采用體外預(yù)應(yīng)力的徐變預(yù)應(yīng)力損失更小，因此，總體上看，采用體外預(yù)應(yīng)力更適合大跨CSW連續(xù)剛構(gòu)橋梁。

5 結(jié)束語

（1）PC連續(xù)剛構(gòu)中跨跨中徐變導(dǎo)致的撓度大于CSW連續(xù)剛構(gòu)，成橋20年時，前者為后者徐變變形的1.64倍，這說明CSW連續(xù)剛構(gòu)將顯著改善跨中撓度變形以及下?lián)线^大導(dǎo)致的腹板開裂等一系列問題。

（2）成橋20年時，CSW連續(xù)剛構(gòu)墩頂水平位移為PC連續(xù)剛構(gòu)橋的1.21倍，說明隨橋梁運營時間的增加，CSW連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)τ跇蚨盏氖芰^不利，需采取增大墩高等方式減小不利影響。

（3）在相同預(yù)應(yīng)力配置下，CSW連續(xù)剛構(gòu)頂?shù)装逍熳儜?yīng)力明顯小于PC連續(xù)剛構(gòu)，有利于混凝土頂?shù)装宓膬?yōu)化設(shè)計，達(dá)到節(jié)省材料的目的。

（4）CSW連續(xù)剛構(gòu)徐變預(yù)應(yīng)力損失較PC預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)大，說明采用CSW連續(xù)剛構(gòu)對預(yù)應(yīng)力損失較為不利?？傮w上看，采用體外預(yù)應(yīng)力更適合大跨CSW連續(xù)剛構(gòu)橋梁。