高海斌

（河北交通投資集團張石高速保定段有限公司，河北 保定 071000）

0 引言

鋼箱-混凝土組合梁橋能夠節(jié)省材料，還可以簡化施工工序，具有經(jīng)濟性突出和利于工業(yè)化建造等優(yōu)點。鋼箱梁的截面由鋼腹板和底板及較小的翼緣頂板組成，屬于開口鋼箱。該類結(jié)構(gòu)的缺點是，在施工期間，橋面板混凝土達到設(shè)計強度之前，扭轉(zhuǎn)剛度相比建造成型后低，這使得混凝土橋面板在施工期間對側(cè)向失穩(wěn)更加敏感，因此，有必要對組合梁橋施工過程中的力學(xué)性能以及施工工藝等方面開展深入研究。因此，本文以某匝道橋為依托，選取單跨簡支梁，以有限元軟件ABAQUS構(gòu)建了有限元模型，對其施工工藝和質(zhì)量控制進行了分析，可為類似項目提供參考。

1 工程概況

某匝道橋為簡支梁橋，箱梁長57m，寬3.9m，高2.0m。該橋下部由一個鋼箱制成，鋼箱上安裝波形板頂板，作為現(xiàn)澆混凝土澆筑的模板，頂板上現(xiàn)澆混凝土車道，波形板同時起到提高施工期間箱梁的整體穩(wěn)定性的作用。鋼箱采用Q345D型鋼材；波形板分別采用0.774mm、0.86mm和0.946mm三種厚度，波寬×波長×波高尺寸為0.95m×3.4m×0.045m或0.95m×2.8m×0.045m，鋼箱內(nèi)設(shè)間距5m的橫隔板。對該簡支梁橋進行了動力特性試驗，得到其一階彎曲自振頻率，試驗結(jié)果主要用于驗證建模方法的正確性。

2 施工過程有限元模擬

2.1 有限元計算

采用ABAQUS建模，鋼箱梁材料采用Q345D，應(yīng)力-應(yīng)變曲線用雙折線模型模擬。為了更好地模擬鋼材的局部屈曲現(xiàn)象，鋼板采用殼體單元S4R，全局網(wǎng)格尺寸為0.24m。在結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分時，根據(jù)估算的結(jié)構(gòu)應(yīng)力梯度，對相應(yīng)區(qū)域進行網(wǎng)格加密或稀疏。橋梁兩端的支座約束為：橋梁一端的支座約束所有平移自由度，而另一端的支座僅約束軸向和橫向平移。

2.2 施工過程模擬

鋼箱混凝土組合梁橋的整體剛度主要由鋼箱橋、波形鋼頂板、混凝土橋面板貢獻，在施工過程中鋼箱梁的受力及鋼箱梁的扭轉(zhuǎn)翹曲約束隨施工進程而改變，結(jié)構(gòu)的整體剛度隨施工進度而變化。為保證橋梁施工安全，需對施工順序、施工過程荷載變化進行合理的施工模擬分析。

考慮的荷載主要包括模板、施工荷載、自重、風(fēng)荷載和澆筑混凝土荷載。在澆筑過程中，活荷載為風(fēng)荷載和橋面混凝土板澆筑混凝土荷載。構(gòu)建三類模型進行分析，用于研究結(jié)構(gòu)剛度及彎扭穩(wěn)定性的影響因素：MD1由鋼箱梁組成；MD2由鋼箱梁MD1及通過可靠連接方式與MD1翼緣頂板連接的波形板組成；除橋臺處；MD3由鋼箱梁MD1頂部的波形頂板組成。有限元模擬的施工過程主要包括以下步驟：施加結(jié)構(gòu)重力，結(jié)構(gòu)模板荷載為5kN/m2的壓力荷載；風(fēng)荷載為橫向作用于結(jié)構(gòu)上的1.5kN/m2的壓力荷載；分級施加澆筑混凝土設(shè)計荷載，每級加載為混凝土橋面板自重設(shè)計荷載的10%，每級分5個分步。為模擬真實的加載情況及保證有限元計算能夠快速收斂，加載方式采用分步加載，并對3個模型分別加載分析。

3 施工工藝

3.1 材料進場

材料按照計劃到廠后，由專人負責(zé)對其外觀、材質(zhì)和規(guī)格等進行檢驗，填寫材料驗證記錄，并檢查質(zhì)量合格證明文件、中文標識及檢驗報告等質(zhì)量保證資料。鋼箱梁采用Q345d鋼板，手工焊時采用E5015、E5016焊條焊接，自動或半自動焊（埋弧焊）時采用F4A2一H08MnA焊絲并配以相應(yīng)的焊劑焊接，二氧化碳氣體保護焊時采用1.2mm（新牌號為ER49—1）焊絲，其氣體純度大于99.7%。高強螺栓性能等級為10.9S級，大六角形，連接處構(gòu)件接觸面采用噴砂處理，其抗滑移系數(shù)不得小于0.55。

3.2 制作箱梁樣胎

依據(jù)鋼梁的平面幾何關(guān)系和豎向高度計算所需技術(shù)數(shù)據(jù)，設(shè)計并制作箱梁樣胎。

3.3 切割和下料

下料前查驗材料牌號、規(guī)格型號、質(zhì)量合格證書等，并使切割方向與零件受力方位一致。為確保工件的生產(chǎn)制造加工質(zhì)量，定尺切割時，擋板應(yīng)固定不動，確定切割構(gòu)件的規(guī)格型號滿足要求后，方可開展大批量切割。全部零件應(yīng)先開展精密切割，對于矩形板，應(yīng)與此同時沿長、短兩個方位切割，以避免向板平面內(nèi)側(cè)彎折；對于外觀復(fù)雜的零件，應(yīng)通過計算機軟件進行放樣，創(chuàng)建幾何規(guī)格型號和模型，并應(yīng)用數(shù)控切割機開展精切割和下料，以消除熱變形的影響。切割前，鋼板應(yīng)豎直、平整。若鋼材不平且不直，影響標識或切割質(zhì)量時，應(yīng)給予改正。工件切割后，應(yīng)對切割造成的凹坑等缺點開展修補和拋光。下料時，應(yīng)預(yù)留主梁和弦桿的長度開展切割，在預(yù)裝配時開展切割。留意切割槽的脊部，特別是鈍邊應(yīng)符合要求。切割后構(gòu)件長寬誤差不超過±2mm，剪切構(gòu)件邊緣齊整，無毛刺、倒口等問題。

3.4 板模塊生產(chǎn)

隔板、主梁頂板和腹板產(chǎn)生一個T形梁，根據(jù)標識部位點焊在裝配結(jié)構(gòu)上，產(chǎn)生裝配焊接板模塊，隨后在箱梁上對準底板部位后點焊到每個板模塊。全部點焊后，查驗箱梁全部構(gòu)件的型號規(guī)格及其拋光和頂升狀況。

3.5 制孔

鉆孔模板與工件之間采用夾具連接，不允許將鉆孔模板直接點焊在工件上。鉆孔群中距離最遠的2個孔中各插入定位銷，定位銷直徑比鉆頭直徑大0.05～0.1mm，然后鉆其余的孔。加工完一件工件，立即用?24-0.05通孔器和24+0.25止孔器檢查鉆孔直徑。鉆孔完畢，采用電動砂輪機或風(fēng)動砂輪機清除鉆孔雙面毛刺。

3.6 節(jié)段連續(xù)拼裝制作

從A段到E段單梁逐條制作，同時進行A～E節(jié)段上胎組裝，完成A到B節(jié)段制孔后開始進行連續(xù)拼裝制作。

3.7 焊接剪力釘

剪力連接器焊接前，清除上翼緣板表面鐵銹等污物，上翼板不得涂漆。

3.8 涂裝

為提高結(jié)構(gòu)的使用壽命，需要對鋼梁進行防腐處理。防腐處理的流程為：首先進行鋼板預(yù)處理，對鋼板上面的雜物進行清除，接著在鋼板上刷一遍底漆，制作完成后對表面進行清理，按照涂裝要求進行涂裝，最后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，若在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)某些部位出現(xiàn)破損，則需要再進行一遍面漆的處理。

鋼箱梁的表面應(yīng)進行金屬噴涂，噴涂前應(yīng)該對表面進行除銹處理，再分層次進行噴涂，噴涂的厚度應(yīng)該保持均勻。在高強度螺栓連接處也應(yīng)該進行噴砂處理，應(yīng)保證高強度螺栓連接的摩擦面干燥。在每次噴涂前應(yīng)將構(gòu)件的表面清除干凈，對于涂裝的材料品種、涂裝的施工環(huán)境、噴涂的厚度都應(yīng)符合設(shè)計要求。對于噴涂的顏色應(yīng)滿足業(yè)主和規(guī)范的要求，不能有明顯的色差。

3.9 運輸、安裝

3.9.1 吊裝機械選擇

根據(jù)該工程特點及安裝現(xiàn)場、構(gòu)件重量，本著技術(shù)上先進、經(jīng)濟上合理并確保工期、安全、質(zhì)量的原則選擇吊裝機械。該工程最重構(gòu)件為27.364m，約45.7t，采用2臺100t汽車吊。

3.9.2 場地處理

吊車行走道路應(yīng)推平壓實，保證地耐力符合吊車行進安全要求。

3.9.3 構(gòu)件的運輸、存放

為了減少空間運輸對交通的影響，對于構(gòu)件的運輸最好安排在晚上進行，并且應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況設(shè)計路線，對于現(xiàn)場路線應(yīng)進行實地考察，確保能夠運輸大構(gòu)件結(jié)構(gòu)，對一些超長的構(gòu)件在轉(zhuǎn)彎時需要有專門的人員指揮，運輸途中應(yīng)該確保車輛的穩(wěn)定。構(gòu)件進場以后應(yīng)合理存放，對構(gòu)件上面的編號進行確認，檢查產(chǎn)品的合格證，查看構(gòu)件是否出現(xiàn)變形、油漆是否脫落，按照統(tǒng)一的順序進行存放。

3.9.4 吊裝前的準備

在吊裝前，應(yīng)該對現(xiàn)場的高層和坐標點進行確認，專業(yè)的人員需要對橋墩承臺的定位軸線尺寸、標高等做好記錄。并且施工人員需要對照圖紙和構(gòu)件進行反復(fù)的檢查和確認，確保構(gòu)件的尺寸外觀都符合設(shè)計的要求，對不滿足要求的構(gòu)件應(yīng)做處理。

3.9.5 鋼箱梁安裝

鋼梁按設(shè)計要求在生產(chǎn)制造廠制作、加工、焊接成段后運至安裝現(xiàn)場，在公路橋梁現(xiàn)場按設(shè)計要求制作臨時性鋼支架。每節(jié)鋼梁選用兩臺100t吊車進行吊裝，分段鋼梁通過支架上的高強度螺栓連接成一整根梁，并連接箱體之間的橫梁，產(chǎn)生純鋼截面的連續(xù)梁。在鋼箱梁安裝之前，需要查驗鋼構(gòu)件連接處的摩擦面，連接板務(wù)必平整并且沒有出現(xiàn)彎曲。浮銹用鋼絲刷消除，油污需要清除干凈。結(jié)構(gòu)中心部位調(diào)節(jié)完成后，需要穿入高強度螺栓，高強度螺栓應(yīng)朝同一方向穿入。

在鋼箱梁安裝時，螺栓、螺母和墊圈只允許在本項目工程中使用。在實際操作過程中，螺栓不能被泥沙、油和其他物質(zhì)污染。在連接和安裝高強度螺栓時，應(yīng)用的臨時性固定螺栓和沖孔釘應(yīng)穿入每個節(jié)點上，并且臨時性固定螺栓不少于總數(shù)量的1/3。沖孔釘壓實時，不得用大錘敲擊。連接節(jié)點施工時，先用沖子對孔位進行校正，隨后插入高強度螺栓，用專用型初擰扳手擰緊。先用臨時性固定螺栓連接，隨后插入高強度螺栓。首次擰緊第一個高強度螺栓后，應(yīng)拆卸臨時性固定螺栓，并全部換成高強度螺栓。用鉸孔機鉸孔時，應(yīng)消除孔周圍的毛刺，隨后用鉸孔機將螺栓鉸入孔中。高強螺栓接頭緊固后，應(yīng)馬上封閉，在連接板、螺釘、螺母和墊圈附近涂刷一層封閉的底漆，避免水進入到螺栓的摩擦面。

4 鋼箱組合梁橋施工質(zhì)量控制措施

4.1 橋面板混凝土澆筑順序

為分析施工順序引起的分層加載影響，橋面板混凝土澆筑順序分為兩種方案。方案1：從橋梁中心開始澆筑，逐步向兩側(cè)橋臺展開。方案2：從橋梁端部開始澆筑。通過計算分析，方案2可增加結(jié)構(gòu)施工期間的扭轉(zhuǎn)翹曲約束，提高結(jié)構(gòu)彎扭穩(wěn)定性。因此，橋面板混凝土澆筑從橋梁端部開始，逐步向橋梁中心進行。

4.2 波形鋼頂板鋪設(shè)

在恒載+活載工況下，采用結(jié)構(gòu)的一階屈曲模態(tài)作為初始缺陷分布模態(tài)，初始幾何缺陷系數(shù)為0.01，對結(jié)構(gòu)進行荷載-位移全過程屈曲分析，隨著初始缺陷的增加，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)和橫向位移相對較大，而極限荷載相應(yīng)降低。因此，做好波形鋼頂板鋪設(shè)工作至關(guān)重要，對鋼箱組合梁橋的施工質(zhì)量有著直接的影響。

4.3 波形頂板厚度控制

在相同邊界條件和相同荷載作用下，針對MD2，在相同波紋型號下，以波形頂板厚度變化作為影響因素，進行了屈曲特征值分析，結(jié)果表明：在經(jīng)濟厚度范圍內(nèi)，隨著波形頂板厚度的增加，抗屈曲性能提高。對計入結(jié)構(gòu)尺寸初始缺陷的影響進行非線性分析，結(jié)果表明：將初始缺陷從0.01增加到0.05可使橫向位移增加36%。進一步從0.05增加到0.1，側(cè)向位移增加24%，從0.1增加到0.2，最終側(cè)向位移增加52%。結(jié)果表明：初始缺陷的增加會顯著增加側(cè)向位移。

5 結(jié)語

當使用波形頂板創(chuàng)建閉合橫截面時，與開口的橫截面相比，扭轉(zhuǎn)和橫向位移顯著減少。為增加結(jié)構(gòu)的可靠性冗余度，在波形板整體失穩(wěn)情況下，要保證開口橫截面的箱梁持續(xù)工作。初始缺陷的大小對橋梁性能有很大影響，初始缺陷的增加會導(dǎo)致較大的扭轉(zhuǎn)、橫向位移以及極限荷載的降低。如果扭轉(zhuǎn)變大，未凝固的混凝土將向橋梁一側(cè)移動，作為偏心荷載，進一步扭轉(zhuǎn)增大。因此，需要做好橋面板混凝土澆筑，做好波形鋼頂板鋪設(shè)，控制波形頂板厚度，才能更好地確保鋼箱組合梁橋的施工質(zhì)量。