丁濱陽(yáng)， 田仲初， 彭學(xué)軍， 湯宇， 凌濤， 叢培

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.中鐵五局集團(tuán) 第一工程有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410117)

鋼-混凝土組合梁橋施工中，主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形受施工方法的影響很大，特別是墩頂橋面板負(fù)彎矩區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)和混凝土裂縫寬度。已有研究成果大多只是針對(duì)現(xiàn)澆橋面板進(jìn)行施工工藝研究和結(jié)構(gòu)受力分析，對(duì)預(yù)制橋面板的施工工藝對(duì)結(jié)構(gòu)的影響鮮有研究。本文以寧夏鎮(zhèn)羅黃河特大橋主橋?yàn)橐劳泄こ?，采用單向連續(xù)鋪裝法、雙向?qū)ΨQ鋪裝法、墩頂對(duì)稱鋪裝法、皮爾格鋪裝法4種施工方法，對(duì)比分析不同橋面板鋪裝順序下負(fù)彎矩區(qū)橋面板應(yīng)力、鋼箱梁應(yīng)力及裂縫寬度，研究鋼-混組合梁橋負(fù)彎矩區(qū)橋面板受力狀況的優(yōu)化方法，為鋼-混組合梁橋橋面板施工提供借鑒。

1 工程概況

寧夏鎮(zhèn)羅黃河特大橋主橋跨徑布置為55 m+6×90 m+55 m，樁號(hào)為L(zhǎng)K5+999—LK6+649，為單箱單室組合梁連續(xù)梁橋，分幅布置，中心梁高4.5 m，頂板全寬12.75 m，底板寬6.7 m(見圖1)。鋼箱梁采用頂推施工方法。

圖1 鎮(zhèn)羅黃河特大橋主橋橋型布置示意圖(單位：cm)

2 橋面板施工方法

鋼-混組合梁橋的橋面板通常在主梁施工完成后架設(shè)，不同橋面板鋪裝順序?qū)︿撓淞汉蜆蛎姘褰Y(jié)構(gòu)的受力有影響。為避免橋面板鋪裝過程中負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)力較大導(dǎo)致混凝土開裂，針對(duì)鎮(zhèn)羅黃河特大橋預(yù)制橋面板的特點(diǎn)，結(jié)合施工實(shí)際情況，采用單向連續(xù)鋪裝法、雙向?qū)ΨQ鋪裝法、墩頂對(duì)稱鋪裝法、皮爾格鋪裝法4種施工方法進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 單向連續(xù)鋪裝法

單向連續(xù)鋪裝法將預(yù)制橋面板從主橋一端向另一端連續(xù)不斷地鋪設(shè)。待鋼箱梁頂推就位后，安裝架橋機(jī)，依次吊裝首跨橋面板就位，同批次按順序澆筑首跨橋面板內(nèi)現(xiàn)澆混凝土(含濕接縫)，張拉本階段預(yù)應(yīng)力；繼續(xù)上述步驟，完成所有橋面板鋪裝(見圖2)。然后鋪設(shè)二期恒載，全橋整體完工。這種施

圖2 單向連續(xù)鋪裝法原理示意圖

工方法在跨度較小的組合梁橋中應(yīng)用較多，其優(yōu)點(diǎn)是方便連續(xù)施工作業(yè)，但墩頂橋面板在后續(xù)預(yù)制橋面板自重作用下會(huì)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。

2.2 雙向?qū)ΨQ鋪裝法

雙向?qū)ΨQ鋪裝法是指預(yù)制橋面板分別從主橋南岸和北岸兩側(cè)向中間同步鋪裝。同步吊裝首跨和末跨橋面板，同時(shí)澆筑首跨和末跨內(nèi)現(xiàn)澆混凝土、張拉本階段預(yù)應(yīng)力。重復(fù)上述步驟直至橋面板鋪裝完成(見圖3)。

圖3 雙向?qū)ΨQ鋪裝法原理示意圖

2.3 墩頂對(duì)稱鋪裝法

墩頂對(duì)稱鋪裝法是首先在各墩墩頂將預(yù)制橋面板鋪裝到位，然后同步向跨中鋪裝橋面板。該方法要求制作多個(gè)作業(yè)平臺(tái)，在各墩墩頂處均布置架橋吊機(jī)和運(yùn)板小車，然后同步鋪裝直至橋面板施工完成(見圖4)。

圖4 墩頂對(duì)稱鋪裝法原理示意圖

2.4 皮爾格鋪裝法

皮爾格鋪裝法又稱間斷鋪裝法，先鋪設(shè)所有跨徑內(nèi)的橋面板，然后鋪設(shè)墩頂橋面板。從南岸向北岸依次吊裝所有跨徑內(nèi)節(jié)段橋面板，然后按順序澆筑所有跨徑內(nèi)現(xiàn)澆混凝土，同時(shí)張拉本階段預(yù)應(yīng)力。

最后從北岸向南岸依次吊裝墩頂橋面板，并同步澆筑墩頂處現(xiàn)澆混凝土(見圖5)。采用這種方法能避免墩頂橋面板在鋪裝過程中因受到跨徑內(nèi)橋面板自重作用而產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，減小混凝土裂縫寬度。

圖5 皮爾格鋪裝法原理示意圖

3 有限元模型建立

3.1 整體模型建立

利用有限元軟件模擬主梁施工過程，針對(duì)鎮(zhèn)羅黃河特大橋主橋頂推施工特點(diǎn)，將鋼箱梁?jiǎn)卧?xì)分為1 m/單元，主梁共計(jì)727個(gè)梁?jiǎn)卧? 317個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于橋面板采用預(yù)制鋪裝方法，建模分析時(shí)以頂推落梁后的模型為基礎(chǔ)。

3.2 計(jì)算參數(shù)(見表1)

表1 主橋構(gòu)件材料計(jì)算參數(shù)

3.3 荷載施加

鋼箱梁的橫隔板有多種形式，其質(zhì)量各不相同，分布位置也不同。建立有限元模型時(shí)通過添加節(jié)點(diǎn)荷載的形式將不同種類橫隔板分布在主梁的不同位置，橋面剪力釘則通過均布荷載的形式分布在整個(gè)主梁上。

3.4 主梁與橋面板的連接

依托頂推落梁后的有限元模型，利用施工聯(lián)合截面來模擬橋面板與鋼箱梁的耦合作用(見圖6)。當(dāng)現(xiàn)澆混凝土和剪力槽還沒澆筑時(shí)，通過施加均布荷載模擬橋面板和濕接縫作用在鋼箱梁上的力。為確保有限元模擬準(zhǔn)確，設(shè)置多個(gè)分析步長(zhǎng)來模擬預(yù)制橋面板的分段鋪裝，研究4種施工方法對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。

圖6 皮爾格鋪裝法有限元模型示意圖

4 不同橋面板施工方法下鋼-混組合梁應(yīng)力分析

4.1 各墩墩頂橋面板應(yīng)力分析

不同橋面板施工方法下墩頂橋面板的最大應(yīng)力見表2。

由表2可知：采用皮爾格鋪裝法施工時(shí)，N+1#～N+4#和N+7#墩墩頂處橋面板應(yīng)力為-0.1 MPa，橋面板處于受壓狀態(tài)，結(jié)構(gòu)受力狀況良好；N+5#和N+6#墩墩頂處橋面板出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力，說明采用皮爾格法進(jìn)行橋面板鋪裝能在一定程度上減小墩頂處拉應(yīng)力。采用雙向連續(xù)鋪裝法施工時(shí)，各墩墩頂處橋面板產(chǎn)生部分拉應(yīng)力，但遠(yuǎn)小于橋面板混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，不影響結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。采用單向連續(xù)鋪裝法和墩頂對(duì)稱鋪裝法施工時(shí)，N+2#～N+6#墩墩頂處混凝土橋面板出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力達(dá)2.0 MPa，對(duì)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)有所影響。

表2 不同橋面板施工方法下各墩墩頂橋面板最大應(yīng)力 MPa

4.2 成橋階段鋼箱梁應(yīng)力分析

不同橋面板施工方法下成橋階段鋼箱梁應(yīng)力分布見圖7～10和表3。

圖7 采用單向連續(xù)鋪裝法施工時(shí)成橋階段鋼箱梁應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖8 采用雙向?qū)ΨQ鋪裝法施工時(shí)成橋階段鋼箱梁應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖9 采用墩頂對(duì)稱鋪裝法施工時(shí)成橋階段鋼箱梁應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖10 采用皮爾格鋪裝法施工時(shí)成橋階段鋼箱梁應(yīng)力云圖(單位：MPa)

表3 不同橋面板施工方法下成橋階段鋼箱梁最大應(yīng)力 MPa

由圖7～10和表3可知：4種橋面板施工方法對(duì)成橋階段鋼箱梁應(yīng)力的影響不大，且應(yīng)力均在規(guī)范容許范圍內(nèi)。

5 橋面板裂縫寬度計(jì)算

5.1 裂縫寬度計(jì)算理論

一般情況下混凝土構(gòu)件的抗拉性能較差，在正常使用狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致混凝土裂縫，為保證混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需將裂縫寬度控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)裂縫產(chǎn)生原理進(jìn)行了研究，但由于混凝土材料本身及裂縫產(chǎn)生的隨機(jī)性和不確定性，研究分析裂縫的難度增大。目前形成了多種裂縫計(jì)算理論，主要包括黏結(jié)-滑移理論、無滑移理論及黏結(jié)-滑移理論和無滑移理論相結(jié)合的綜合分析理論。本文不考慮黏結(jié)、滑移的影響，選擇無滑移理論計(jì)算裂縫寬度。兩條裂縫之間混凝土應(yīng)力與應(yīng)變分布按彈性力學(xué)的方法計(jì)算得到。裂縫的最大寬度與混凝土保護(hù)層厚度c、裂縫間平均應(yīng)變成正比，即：

式中：C1為鋼筋表面形狀系數(shù)，該橋采用帶肋鋼筋，C1=1.00；C2為作用長(zhǎng)期效應(yīng)影響系數(shù)，C2=1+0.5(Ml/Ms)；Ml、Ms分別為作用準(zhǔn)永久組合和作用頻遇組合計(jì)算的彎矩設(shè)計(jì)值；C3為與構(gòu)件受力性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，本文分析軸心受拉構(gòu)件，C3=1.2；σss為鋼筋應(yīng)力；c為最外排縱向受拉鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度；d為縱向受拉鋼筋的直徑；ρte為縱向受拉鋼筋的有效配筋率。

5.2 最大裂縫寬度計(jì)算

根據(jù)作用準(zhǔn)永久組合和頻遇組合算出的墩頂最大負(fù)彎矩值，得出墩頂負(fù)彎矩區(qū)最大裂縫寬度(見表4)。由表4可知：采用單向連續(xù)鋪裝法施工時(shí)墩頂混凝土橋面板裂縫寬度最大，達(dá)0.21 mm；采用皮爾格鋪裝法施工時(shí)，混凝土橋面板的裂縫寬度最小，為0.07 mm；采用雙向?qū)ΨQ鋪裝法和墩頂對(duì)稱鋪裝法施工時(shí)，裂縫寬度分別為0.11 mm、0.16mm。采用單向連續(xù)鋪裝法施工時(shí)橋面板最大裂縫寬度大于規(guī)范容許值0.20 mm，其他3種方法均滿足規(guī)范要求。

表4 不同橋面板施工方法下負(fù)彎矩區(qū)最大裂縫寬度

6 結(jié)論

本文以鎮(zhèn)羅黃河特大橋?yàn)槔?，采用有限元軟件模擬實(shí)際施工過程中橋面板鋪裝順序，得出墩頂橋面板最大拉應(yīng)力，并計(jì)算負(fù)彎矩區(qū)橋面板的最大裂縫寬度，對(duì)不同橋面板施工方法進(jìn)行對(duì)比，得出如下結(jié)論：

(1) 采用皮爾格鋪裝法施工混凝土橋面板時(shí)，僅部分橋墩墩頂橋面板出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力，采用該方法能在一定程度上減小墩頂處拉應(yīng)力。采用單向連續(xù)鋪裝法和墩頂對(duì)稱鋪裝法，墩頂橋面板出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力達(dá)2.0 MPa，超過規(guī)范限值，對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期整體受力影響很大。

(2) 4種橋面板鋪裝法對(duì)成橋階段鋼箱梁應(yīng)力的影響不大，且應(yīng)力均小于規(guī)范限值235 MPa。

(3) 改變橋面板鋪裝順序?qū)α芽p寬度影響很大，采用單向連續(xù)鋪裝法時(shí)墩頂混凝土橋面板裂縫寬度達(dá)0.21 mm大于規(guī)范容許值0.20 mm。采用皮爾格鋪裝法能減小混凝土橋面板的裂縫寬度。