李春躍 甘 波 賀 君 奉思東

(1.北京建工土木工程有限公司 北京 100015；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 湖南長(zhǎng)沙 410114)

1 引言

波形鋼腹板組合梁橋采用較薄的波形鋼腹板代替?zhèn)鹘y(tǒng)厚重混凝土腹板或加勁平鋼腹板，通過(guò)連接件與混凝土頂、底板相連，不僅解決混凝土箱梁自重大、腹板易開(kāi)裂的問(wèn)題，而且可簡(jiǎn)化下部結(jié)構(gòu)，降低其造價(jià)。此外，波形鋼腹板無(wú)需設(shè)置加勁肋，且具有較高的剪切屈曲強(qiáng)度，其較低的軸向剛度可提高預(yù)應(yīng)力施加效率。由于良好的使用性能和經(jīng)濟(jì)效益，該類橋梁在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，目前已超過(guò)100座[1]。近年來(lái)，在常規(guī)懸臂施工的基礎(chǔ)上，提出了一種新型多工作面異步懸臂施工方法。該方法采用抗剪強(qiáng)度優(yōu)異的波形腹板鋼梁作為掛籃的承重結(jié)構(gòu)，掛籃直接在鋼梁上行走，使得掛籃結(jié)構(gòu)輕量化，掛籃安裝、行走等工藝簡(jiǎn)便化。此外，該工法將施工作業(yè)面由傳統(tǒng)懸臂施工的單個(gè)擴(kuò)展到多個(gè)，加快施工進(jìn)度，提高施工效率。

以往國(guó)內(nèi)外對(duì)波形鋼腹板PC組合梁橋主要開(kāi)展力學(xué)性能研究，包括波形腹板組合梁的抗彎及抗剪性能[2-3]、波形鋼腹板屈曲穩(wěn)定性[4-6]、不同剪力連接件連接性能[7-9]、波形腹板連續(xù)剛構(gòu)橋徐變效應(yīng)[10]等，但對(duì)該類橋梁施工方法的研究較少，尤其對(duì)異步多工作面懸臂施工的效益和施工過(guò)程安全性綜合分析不足。因此，本文以在建實(shí)際工程——達(dá)摩溝大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，詳細(xì)介紹該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、輕型掛籃構(gòu)造、多工作面異步懸臂施工流程，并系統(tǒng)開(kāi)展結(jié)構(gòu)安全性分析、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益評(píng)估，為多工作面異步懸臂施工方法在折腹式組合橋梁的推廣應(yīng)用提供借鑒。

2 工程概況

達(dá)摩溝大橋主橋跨徑布置為60 m ＋2×105 m ＋60 m(見(jiàn)圖1)，上部結(jié)構(gòu)為波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，采用單箱單室直腹板截面。橋面設(shè)置2%橫坡和0.5%縱坡。箱梁頂板寬13.75 m、底板寬7.25 m，翼緣懸臂為3.25 m，箱梁頂板厚0.32 m。箱梁跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高3.5 m，墩頂0＃段梁高7 m，墩頂兩側(cè)節(jié)段采用波形鋼板-內(nèi)襯混凝土組合腹板。波形鋼板波長(zhǎng)1.6 m，波高22 cm，水平面板為43 cm，水平折角30.7°。腹板厚度由跨中至墩頂依次為20、22、24 mm。波形鋼腹板與混凝土頂板采用雙PBL鍵的方式連接，與底板采用角鋼連接。

圖1 跨徑布置(單位:m)

主梁節(jié)段劃分為6 m(0＃塊)＋4.7 m＋5×4.8 m＋3×6.4 m，邊中跨合龍段均為3.2 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)度為5.66 m。該橋0?！?＃塊采用托架法施工，2?！?＃塊采用異步懸澆施工，10＃合龍段采用懸吊支架法施工，11＃塊邊跨現(xiàn)澆段采用鋼管樁支架現(xiàn)澆施工。

3 多工作面異步懸臂澆筑工藝及效益分析

3.1 掛籃系統(tǒng)構(gòu)造

異步懸臂澆筑施工(見(jiàn)圖2)采用吊掛式掛籃，主要由承重結(jié)構(gòu)、懸吊提升系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、滑移系統(tǒng)、施工平臺(tái)和錨固系統(tǒng)組成。掛籃的前后支點(diǎn)直接支撐在波形腹板鋼梁上，其上翼緣安裝的雙排PBL連接件構(gòu)成的U型凹槽形成掛籃移動(dòng)軌道，凹槽內(nèi)設(shè)置四氟滑板，可減少掛籃前移時(shí)的摩擦力并可使其安全平順移動(dòng)。為防止波形腹板屈曲設(shè)置臨時(shí)橫撐。

圖2 異步施工示意

此外，該懸吊掛籃系統(tǒng)具有三個(gè)(N，N±1節(jié)段)施工作業(yè)面，可以同時(shí)進(jìn)行(N-1節(jié)段)頂板、(N＋1節(jié)段)底板的混凝土澆筑以及(N＋1節(jié)段)腹板的安裝，合理利用工序銜接，各工作面互不影響。

3.2 工藝流程

多工作面異步懸臂澆筑施工主要流程如下:

(1)0?！?＃塊施工完成后安裝2＃塊波形鋼腹板。

(2)非典型斷面施工:安裝掛籃，澆筑2＃塊底板、安裝3＃塊鋼腹板。

(3)典型斷面施工:掛籃前移至N節(jié)段，施工N-1節(jié)段頂板、N節(jié)段底板，同時(shí)安裝N＋1節(jié)段鋼腹板。

(4)張拉N-1節(jié)段預(yù)應(yīng)力。

(5)前移掛籃，按照典型斷面工序施工下一節(jié)段。

3.3 施工與社會(huì)效益評(píng)價(jià)

3.3.1 施工效益

掛籃重量方面，若采用傳統(tǒng)懸臂澆筑，掛籃重達(dá)100 t，而異步澆筑懸吊式掛籃，受力力臂較小，大幅減少重量，約為50 t。施工效率方面，傳統(tǒng)懸臂澆筑施工作業(yè)面僅局限于當(dāng)前N節(jié)段，而異步澆筑將工作面擴(kuò)大到三個(gè)節(jié)段(N-1、N、N＋1)，可同步澆筑頂?shù)装寤炷?，且可在混凝土養(yǎng)生期間安裝腹板。傳統(tǒng)掛籃行走需要加固-拆除-加固后錨等流程，新型懸吊掛籃可直接安裝于波形鋼腹板上部PBL的U型槽口，不需要后錨，通過(guò)千斤頂即可實(shí)現(xiàn)掛籃行走。以本橋?yàn)槔?，?biāo)準(zhǔn)懸澆節(jié)段分別采用異步與傳統(tǒng)懸臂澆筑的施工周期對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段懸澆施工周期對(duì)比

采用傳統(tǒng)懸澆施工周期為11 d，而采用異步掛籃澆筑則僅需7.5 d，縮短了3.5 d，節(jié)約32%的工期，僅考慮2＃～9＃節(jié)段的施工，異步掛籃澆筑就能節(jié)省28 d工期。

3.3.2 社會(huì)效益

從能源消耗和空氣污染(CO2排放)角度出發(fā)，據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)綜合能耗[11]為555 kg/t(生產(chǎn)1 t鋼各能源消耗量總和，包括煤炭、天然氣、電力和燃油等)，排放約3 030 kg的CO2，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段異步掛籃的重量比傳統(tǒng)掛籃減小約50 t，故能降低鋼材消耗能源27.7 t，并減少151.5 t的CO2排放，故異步施工在提高施工效率的同時(shí)還能減少能源的消耗和降低對(duì)環(huán)境的影響，符合低碳、環(huán)保的發(fā)展理念。

4 有限元建模

利用Midas Civil對(duì)主橋施工過(guò)程進(jìn)行模擬，采用考慮剪切變形以及不同材料頂、底板(混凝土)與波形腹板(鋼)的分層梁?jiǎn)卧獙?duì)組合箱梁進(jìn)行模擬，假定腹板與混凝土頂、底板連接可靠，無(wú)相對(duì)滑移。施工荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、掛籃重量、混凝土濕重、預(yù)應(yīng)力等。

全橋共有524個(gè)節(jié)點(diǎn)和478個(gè)單元，有限元模型見(jiàn)圖3。將組合截面分為頂板、腹板、底板三部分，可分步激活實(shí)現(xiàn)多工作面異步懸臂施工模擬。主梁劃分為31個(gè)施工階段(見(jiàn)表2)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段施工包括:頂?shù)装寤炷翝仓⒒炷琉B(yǎng)護(hù)成型及預(yù)應(yīng)力張拉。

圖3 全橋有限元模型

表2 施工階段劃分

5 施工階段分析

以中跨位置三個(gè)截面A-A(節(jié)段1前端)、B-B(節(jié)段2前端)、C-C(節(jié)段3前端)為例(見(jiàn)圖1)，分析截面頂?shù)装濉⒏拱鍛?yīng)力以及撓度變化。

5.1 施工階段應(yīng)力分析

5.1.1 頂?shù)装鍛?yīng)力

施工過(guò)程混凝土頂、底板應(yīng)力見(jiàn)圖4。截面A～C混凝土頂、底板均承受壓應(yīng)力，頂板最大壓應(yīng)力分別為16.2、14.0、12.0 MPa，底板最大壓應(yīng)力分別為8.39、8.1、9.21 MPa，強(qiáng)度均小于抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值25.3 MPa[12]。

圖4 施工階段截面混凝土頂?shù)装鍛?yīng)力

在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段施工過(guò)程中，隨著當(dāng)前節(jié)段預(yù)應(yīng)力張拉，頂板壓應(yīng)力增大、底板壓應(yīng)力減小，當(dāng)澆筑下一節(jié)段時(shí)，頂板壓應(yīng)力減小、底板壓應(yīng)力增大，兩者變化呈現(xiàn)相反趨勢(shì)。隨著懸臂段伸長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)自重效應(yīng)增大，而施工節(jié)段預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量減少，底板的壓應(yīng)力增幅大于頂板，頂?shù)装鍛?yīng)力越來(lái)越接近，所以在懸臂段較短時(shí)，需關(guān)注頂板應(yīng)力情況，隨著懸臂段的伸長(zhǎng)，頂、底板均需關(guān)注。

5.1.2 腹板剪應(yīng)力

施工過(guò)程典型截面腹板剪應(yīng)力變化見(jiàn)圖5。A～C截面最大剪應(yīng)力分別為19.80、42.45、22.28 MPa，腹板在懸臂施工節(jié)段隨著下一節(jié)段混凝土澆筑，剪應(yīng)力增加，在頂板預(yù)應(yīng)力張拉后，剪應(yīng)力減小，但剪應(yīng)力隨懸臂段的伸長(zhǎng)仍呈增加趨勢(shì)，體外束張拉后剪應(yīng)力迅速減小，二期恒載施加后剪應(yīng)力增大。在施工全過(guò)程中，腹板剪應(yīng)力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值170 MPa，符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求[13]。

圖5 施工階段腹板剪應(yīng)力

5.2 施工階段撓度分析

施工過(guò)程中的典型截面撓度變化見(jiàn)圖6。A～C截面撓度最大值分別為8.0、15.2、38.7 mm，預(yù)應(yīng)力的張拉使得梁段有一定上拱值，上拱程度隨懸臂伸長(zhǎng)越來(lái)越小。下一節(jié)段混凝土澆筑后又出現(xiàn)大幅下?lián)?，各截面撓度變化值分別為4.5、8.5、23.4 mm，離墩頂越遠(yuǎn)的截面撓度變化越明顯，自重效應(yīng)逐漸大于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，懸臂端的不斷伸長(zhǎng)使得截面累計(jì)撓度不斷增加。最大懸臂狀態(tài)下，9節(jié)段端部截面累計(jì)最大撓度為54.8 mm。

圖6 施工階段撓度

6 成橋階段分析

6.1 應(yīng)力分析

6.1.1 混凝土應(yīng)力

成橋狀態(tài)頂、底板混凝土應(yīng)力變化見(jiàn)圖7。混凝土均處于受壓狀態(tài)，底板壓應(yīng)力從墩頂向兩側(cè)逐漸增加(邊跨現(xiàn)澆段除外)，最大值為15.2 MPa，位于邊跨9＃節(jié)段，頂板壓應(yīng)力從墩頂向兩側(cè)逐漸減小，最大值為15.3 MPa，位于墩頂1＃節(jié)段，頂?shù)装寤炷翂簯?yīng)力均小于設(shè)計(jì)值25.3 MPa。

圖7 成橋狀態(tài)下主梁頂?shù)装鍛?yīng)力

6.1.2 腹板剪應(yīng)力

成橋狀態(tài)下波形腹板剪應(yīng)力變化見(jiàn)圖8。剪應(yīng)力最大值為102.6 MPa，位于靠近2號(hào)墩中跨第5節(jié)段前端截面。全橋波形腹板抗剪強(qiáng)度均小于設(shè)計(jì)值170 MPa，腹板剪應(yīng)力在墩頂附近節(jié)段變化比較緩慢，靠近合龍段腹板剪應(yīng)力迅速減小。

圖8 成橋狀態(tài)下腹板應(yīng)力

6.2 撓度分析

成橋狀態(tài)主梁撓度由墩頂向兩邊跨中逐漸增大，在第9節(jié)段前端撓度達(dá)到最大值81.5 mm，撓度最大值小于設(shè)計(jì)規(guī)范限值L/600(175 mm)[14]。

7 結(jié)束語(yǔ)

(1)異步懸臂澆筑施工利用波形腹板鋼梁作為主要承重構(gòu)件，掛籃直接在腹板上行走，施工作業(yè)面擴(kuò)大為3個(gè)，且可同時(shí)作業(yè)互不干擾，簡(jiǎn)化了施工流程，加快了施工進(jìn)度，提高了施工效率。

(2)異步懸臂施工掛籃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，重量大幅減輕，減少材料消耗，降低對(duì)環(huán)境的影響，符合可持續(xù)發(fā)展理念。

(3)施工過(guò)程中，在自重和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的共同作用下，主梁的應(yīng)力、撓度呈規(guī)律性變化，無(wú)論是施工階段還是成橋狀態(tài)，主梁應(yīng)力、變形安全性滿足規(guī)范要求。