鋼-混凝土疊合梁預(yù)加荷載法工程實(shí)例研究

董麗娜

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院試驗(yàn)檢測室)

?

鋼-混凝土疊合梁預(yù)加荷載法工程實(shí)例研究

董麗娜

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院試驗(yàn)檢測室)

對西柏坡高速公路二環(huán)路至霍寨段工程七標(biāo)段跨越京昆高速公路2×42 m鋼混凝土疊合連續(xù)梁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過采用有限元軟件MIDAS/civil對施工過程進(jìn)行模擬，與實(shí)際施工過程中監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證預(yù)加荷載法能否達(dá)到大幅減少負(fù)彎矩區(qū)混凝土應(yīng)力的效果。檢驗(yàn)施工質(zhì)量，最終得出能否在很薄的混凝土截面只施加少量預(yù)應(yīng)力鋼筋通過預(yù)加荷載工法滿足負(fù)彎矩區(qū)混凝土具有足夠的受拉性能，保證橋梁安全可靠的工作。

鋼-混凝土疊合連續(xù)梁；負(fù)彎矩；預(yù)加荷載

1 緒 論

1.1 概述

隨著市政和公路建設(shè)的快速發(fā)展,在跨線橋和大型立交中，鋼—混凝土連續(xù)疊合梁(疊合梁與結(jié)合梁是不同規(guī)范的稱呼)作為—種施工更加方便迅速的主梁結(jié)構(gòu)形式，得到了更加廣泛的應(yīng)用。鋼—混凝土疊合梁是將鋼梁與混凝土板通過抗剪連接件組合成整體并共同受力的—種新型結(jié)構(gòu)。鋼—混凝土疊合梁不僅綜合了鋼材抗拉，混凝土抗壓性能好的優(yōu)點(diǎn)，而且使用傳統(tǒng)的施工方法和簡單的施工工藝就能獲得良好的結(jié)構(gòu)性能，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著，非常適合我國基本建設(shè)的國情，具有廣闊的應(yīng)用前景。

眾所周知，在單跨簡支體系的梁式橋中，鋼-混凝土疊合梁的結(jié)構(gòu)形式充分利用了鋼梁便于架設(shè)、輕質(zhì)高強(qiáng)和混凝土結(jié)構(gòu)耐久性較好，抗壓強(qiáng)度較高的優(yōu)點(diǎn)，在很大程度上提高了橋梁的跨越能力。在設(shè)計(jì)過程中也經(jīng)常會(huì)遇到需要用連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)形式，利用多個(gè)較大跨徑連續(xù)跨越多條公路的情況，這時(shí)候就需要用到連續(xù)梁體系的鋼—混凝土疊合連續(xù)梁了。在這種情況下，設(shè)計(jì)師遇到的問題就是中支點(diǎn)處的負(fù)彎矩通常較大，會(huì)使得鋼—混凝土疊合連續(xù)梁上緣的混凝土疊合層中產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，這樣就需要在負(fù)彎矩區(qū)域內(nèi)配置很多預(yù)應(yīng)力鋼束來抵消拉應(yīng)力的不利影響，在拉應(yīng)力不是很大的情況下，這種方法還是可行的，但是每一根預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉都需要在混凝土疊合層上預(yù)留一個(gè)張拉槽口，張拉后再封閉，但是這樣會(huì)費(fèi)工費(fèi)時(shí)。另外有時(shí)候跨徑較大或者梁體高度受限制，會(huì)造成混凝土疊合層的空間已經(jīng)不足以放置足夠數(shù)量的預(yù)應(yīng)力鋼束，這樣往往導(dǎo)致放棄連續(xù)疊合梁的形式，選擇特種橋型一跨跨越。

因此，可否尋求一種理論上可行，同時(shí)在具體施工中又便于操作的方法能夠減小中支點(diǎn)上緣混凝土疊合層的拉應(yīng)力，從而減少預(yù)應(yīng)力鋼束的設(shè)置，成為了研究的主要方向。

1.2 預(yù)加荷載法設(shè)計(jì)方案

西柏坡高速公路二環(huán)路至霍寨段工程七標(biāo)段跨越京昆高速公路2×42 m鋼混凝土連續(xù)疊合梁施工過程中施加預(yù)加荷載(臨時(shí)壓重)對鋼梁和混凝土疊合層的應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，減小了中支點(diǎn)上緣混凝土的拉應(yīng)力，并依此減少了預(yù)應(yīng)力鋼束的數(shù)量。在本課題研究中擬通過在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，與設(shè)計(jì)值對比，得到設(shè)計(jì)值與工程實(shí)際的差異，并分析總結(jié)原因，為今后的工程提供依據(jù)。

通過貼應(yīng)變片的方法，對鋼量指定部位及混凝土頂部指定位置進(jìn)行多次多組應(yīng)力監(jiān)測，得到不同工況下的應(yīng)力數(shù)值，進(jìn)行內(nèi)業(yè)分析和對比。

結(jié)合本課題實(shí)驗(yàn)的具體結(jié)果，對比不施加臨時(shí)荷載，單純依靠預(yù)應(yīng)力鋼束抵抗疊合層混凝土拉應(yīng)力的理論計(jì)算結(jié)果，綜合比較采用此項(xiàng)新技術(shù)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 施工監(jiān)控

測點(diǎn)布置：

內(nèi)埋式應(yīng)變傳感器按預(yù)定的測試方向固定在主筋上，測試導(dǎo)線引至混凝土表面或梁體內(nèi)，外貼式應(yīng)變傳感器按預(yù)定的測試方向貼在鋼板表面，鋼板表面須打磨平滑。梁體總共布置7個(gè)斷面，具體位置如圖1所示，監(jiān)測斷面面選取在梁體受力關(guān)鍵截面，B’、C’截面根據(jù)B、C截面對稱設(shè)置，以便相互對比，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，增加整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的精度。監(jiān)測斷面如圖1所示。

圖1 應(yīng)力監(jiān)測斷面圖

每個(gè)截面布置9個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)方向均為順橋向布置，其中1～4#測點(diǎn)為混凝土埋入式應(yīng)變傳感器，須在混凝土澆筑前按預(yù)定的測試方向固定在主筋上。5～9#測點(diǎn)為外貼式應(yīng)變傳感器，監(jiān)測開始前由工作人員粘結(jié)在打磨平滑的鋼板表面。測點(diǎn)布置圖如圖2所示。

圖2 截面測點(diǎn)布置圖

2 連續(xù)疊合梁預(yù)加荷載法施工過程

2.1 工程概況

西柏坡高速公路二環(huán)路至霍寨段工程 七標(biāo)段跨越京昆高速公路2×42 m鋼混凝土連續(xù)疊合梁右幅采用四片箱梁連接而成，鋼箱為2.1 m寬、1.8 m高的矩形鋼箱。橫向坡度3% ，鋼箱上疊合30 cm混凝土用剪力鍵連接。

2.2 施工階段劃分

根據(jù)施工過程，劃分的具體時(shí)段為：鋼梁拼裝；拆除臨時(shí)墩；澆筑一期混凝土；壓重；澆筑二期混凝土；卸載壓重；張拉預(yù)應(yīng)力筋；成橋；

3 連續(xù)疊合梁預(yù)加荷載法實(shí)驗(yàn)的有限元模擬

3.1 有限元模型的建立

本橋采用MIDAS Civil 2010結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，程序自動(dòng)計(jì)算收縮徐變等影響因素。本模型將橋體共劃分成174個(gè)節(jié)點(diǎn)，172個(gè)單元組成。根據(jù)施工過程將模型的施工階段分解成8個(gè)施工步進(jìn)行施工過程模擬。

根據(jù)施工過程，有限元模型劃分8個(gè)階段：

因有限元?jiǎng)澐值氖┕るA段完全是按照施工時(shí)劃分，故與施工階段完全一致，具體內(nèi)容見上文2.2。

3.2 施工過程的模擬

組是MIDAS/Civil中一個(gè)非常有用的功能一可以將一些節(jié)點(diǎn)和單元定義為一個(gè)結(jié)構(gòu)組，以便于建模、修改和輸出；將在同一施工階段同時(shí)施加或同時(shí)撤除的邊界條件定義為一個(gè)邊界組；對于在同一施工階段施加或撤除的荷載定義為一個(gè)荷載組；對于受力性能相同、預(yù)應(yīng)力損失情況一致的鋼束定義為一個(gè)鋼束組。

組劃分完畢后，即可定義施工階段，按照施工階段的劃分，選擇在同一個(gè)施工階段施工的構(gòu)件定義為一個(gè)結(jié)構(gòu)組，并在該施工階段中激活，將在同一施工階段拆除的構(gòu)件定義為一個(gè)結(jié)構(gòu)組，在該施工階段鈍化。邊界組和荷載組的定義同結(jié)構(gòu)組的定義。

在模擬實(shí)際施工階段時(shí)，采用MIDAS Civil軟件直接激活與鈍化結(jié)構(gòu)組、荷載組以及邊界組來模擬實(shí)際施工過程。

4 霍寨立交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

4.1 理論值與實(shí)測值的對比分析

對施工過程中幾個(gè)關(guān)鍵過程理論值與實(shí)測值進(jìn)行對比，驗(yàn)證最初設(shè)計(jì)的實(shí)際效果。

表1 壓重階段應(yīng)力對比表 MPa

通過預(yù)壓荷載使各截面的正負(fù)彎矩都有所增加與前階段相比混凝土承受應(yīng)力，由于中部支座箱梁未與混凝土疊合理論值應(yīng)力相對較大，在模型模擬中中部支座處5 m未澆筑混凝土部位邊界處出現(xiàn)應(yīng)力集中，也成為理論應(yīng)力相對較大的原因。由于工期原因，混凝土未達(dá)到規(guī)定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間就已進(jìn)行壓重，也是混凝土應(yīng)力理論值與實(shí)際值誤差的主要原因。考慮到混凝土過早承受壓重導(dǎo)致豎向壓縮影響下，軸向應(yīng)變減小使實(shí)際的混凝土數(shù)據(jù)偏小。澆筑二期混凝土應(yīng)力對比見表2。

表2 澆筑二期混凝土應(yīng)力對比表 MPa

該階段僅對中間墩部5 m混凝土澆筑，故其他部位應(yīng)力變化不大，而中部支座處由于由于混凝土使截面剛度增強(qiáng)，所以中部支座處鋼箱應(yīng)力有所減小，但由于混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，未能達(dá)到理論值的截面水平，混凝土實(shí)測數(shù)據(jù)并未達(dá)到理論值的水平，而鋼箱頂部應(yīng)力也因此較理論值偏大。

表3 卸載壓重應(yīng)力對比表 MPa

通過對比可發(fā)現(xiàn)混凝土特別是負(fù)彎矩區(qū)混凝土受壓更為明顯卸載壓重后各截面混凝土均有明顯的受壓，特別是負(fù)彎矩區(qū)混凝土有明顯的預(yù)應(yīng)力效果，通過預(yù)壓防止混凝土受拉破壞。頂板應(yīng)力特別是BB’截面的應(yīng)力存在較大差距估計(jì)為對回彈效果模擬不佳，以及微膨混凝土擠壓效果未能模擬造成。通過與上一階段差值修正對中部支座處混凝土應(yīng)力得到改正，但其他控制截面受膨脹的影響有待進(jìn)一步驗(yàn)證修改。

表4 張拉預(yù)應(yīng)力應(yīng)力對比表 MPa

5 結(jié) 論

(1)直接施工會(huì)在連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)梁的頂面產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，最大約3.1 MPa作用于梁頂面的混凝土上，使用預(yù)加荷載工法在澆筑混凝土階段有效減少了負(fù)彎矩去混凝土應(yīng)力水平。預(yù)加荷載法使鋼箱在卸除預(yù)加荷載后在負(fù)彎矩區(qū)的混凝土中產(chǎn)生了壓應(yīng)力其最大值為4.3 MPa；

(2)混凝土和鋼箱可以協(xié)調(diào)工作共同承載，其變形滿足平截面的條件；

(3)鋼——混凝土連續(xù)疊合梁在預(yù)加荷載施工方法下，起到了保護(hù)負(fù)彎矩區(qū)混凝土，達(dá)到了減少預(yù)應(yīng)力筋的效果，與實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果相符。

2015-08-06

U445.2

C

1008-3383(2015)11-0093-02