連續(xù)剛構(gòu)不等跨橋梁波形鋼腹板合龍順序研究

王宏祥，姜 云

(1. 南京市公共工程建設(shè)中心，南京 210019； 2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112)

近年來(lái)我國(guó)大跨、多跨橋梁數(shù)量不斷增加，其中多跨連續(xù)橋梁因構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、施工工藝成熟、建設(shè)費(fèi)用經(jīng)濟(jì)合理并且工程周期較短而得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際施工中也發(fā)現(xiàn)多跨懸澆的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋梁經(jīng)常出現(xiàn)因抗剪承載力不足而產(chǎn)生斜向裂縫和跨中下?lián)线^(guò)大等病害問(wèn)題。

波形鋼腹板橋梁采用16～30 mm的波折鋼板代替箱型梁中的300～800 mm混凝土腹板，可徹底解決出現(xiàn)斜向裂縫的問(wèn)題，波折鋼板剛度大、強(qiáng)度高，用于結(jié)構(gòu)中自重較輕。多跨連續(xù)剛構(gòu)橋不需要大型支座、抗震性能好并且跨越能力強(qiáng)，環(huán)境惡劣且需跨越大江大河建設(shè)時(shí)會(huì)優(yōu)先考慮該橋型[1]。

對(duì)于多跨且跨徑不等的連續(xù)剛構(gòu)波形鋼腹板橋梁，合龍順序選擇不當(dāng)易造成合龍困難、波形板安裝難以控制以及梁體應(yīng)力超限等問(wèn)題，最終影響成橋的線形和內(nèi)力。

因此，須提前對(duì)合龍順序進(jìn)行對(duì)比研究，提出合理的合龍方案，確保成橋安全性并適當(dāng)縮短施工周期。尤加林等[2]研究了運(yùn)寶黃河大橋副橋在3種合龍順序下的情況，研究表明成橋后的梁體應(yīng)力與合龍順序的先后關(guān)系不顯著，而不同合龍順序?qū)Τ蓸驙顟B(tài)下的波形鋼腹板橋梁線形有著較為明顯的影響。葉再軍等[3]針對(duì)某九跨連續(xù)梁橋進(jìn)行研究，研究表明合龍順序?qū)Τ蓸驙顟B(tài)下的線形有較大影響，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)最終認(rèn)為采用隔跨的合龍順序可使成橋狀態(tài)下的應(yīng)力與線形更為合理。

以南京仙新路過(guò)江通道北引橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究合龍順序?qū)Σㄐ武摳拱鍢蛄撼蓸驊?yīng)力狀態(tài)和變形的影響[4]，為連續(xù)剛構(gòu)多跨且不等跨的橋梁波形鋼腹板施工提供參考。

1 工程背景

南京仙新路過(guò)江通道北引橋?yàn)槲蹇缫宦?lián)橋梁，跨徑組合為(50+60+80+100+70)m。橋梁第一跨為等高梁，第二跨至第五跨為變高梁，梁底按照?qǐng)A曲線變化。橋梁立面如圖1所示。

圖1 橋梁立面(單位：m)

該橋標(biāo)準(zhǔn)箱梁截面為波形鋼腹板單箱三室變高度直腹板形式，箱梁頂板寬為25.95 m，底板寬為17.95 m。懸臂根部設(shè)置內(nèi)襯混凝土從而增加結(jié)構(gòu)剛度，箱梁斷面如圖2所示，波形鋼腹板厚度為16～22 mm，采用開(kāi)孔鋼板剪力鍵與混凝土頂、底板連接。

(a) 跨中合龍段

(b) 懸臂根部圖2 箱梁斷面(單位：cm)

該橋擬采用懸臂澆筑施工方法，即在N2～N5墩上澆筑0號(hào)塊，懸臂澆筑梁段至合龍段進(jìn)行合龍施工，之后張拉體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力成橋。

2 合龍方案

各合龍方案描述如表1所示。

表1 各合龍方案描述

常見(jiàn)的合龍順序有順序合龍、跳跨合龍以及先小后大跨合龍等[5]。根據(jù)該橋現(xiàn)場(chǎng)施工條件并考慮工期影響，對(duì)3種合龍方案進(jìn)行研究。

3 有限元分析模型

3.1 計(jì)算假定與簡(jiǎn)化

建模時(shí)為計(jì)算方便，在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行一定簡(jiǎn)化處理，忽略普通構(gòu)造筋的影響[6]，各截面不考慮橋面2%橫坡的影響，橫隔板、轉(zhuǎn)向塊、齒塊、內(nèi)襯混凝土和掛籃等均以集中力代替。

建模時(shí)按軸線剛度相等的原則，將波形鋼腹板厚度放大αES倍(鋼筋與混凝土彈性模量比值，該橋取5.8)折算成混凝土腹板相應(yīng)值。計(jì)算腹板切應(yīng)力時(shí)，認(rèn)為腹板承受所有切應(yīng)力且上下均勻分布，忽略頂、底板混凝土對(duì)剪切變形的影響，忽略體外預(yù)應(yīng)力鋼束與轉(zhuǎn)向塊之間所產(chǎn)生的摩擦損失，也不考慮體外預(yù)應(yīng)力增量。

3.2 模型建立

1) 結(jié)構(gòu)離散

計(jì)算時(shí)采用桿系結(jié)構(gòu)有限元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，全橋共有梁?jiǎn)卧?36個(gè)，節(jié)點(diǎn)154個(gè)，體內(nèi)及體外預(yù)應(yīng)力鋼束432根。全橋共考慮56個(gè)施工階段。

2) 材料取值及邊界條件

結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，采用墩底固結(jié)，N1、N2墩和N6墩與梁體采用釋放縱向約束的方式模擬連續(xù)體系支撐方式，N3、N4墩和N5墩則與主梁剛接模擬剛構(gòu)方式。

梁體頂、底板采用C55混凝土，波折鋼腹板采用Q345qD鋼，橋墩采用C40混凝土，并采用15/17Φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼束和1860型高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

4 成橋狀態(tài)應(yīng)力和變形分析

采用不同合龍順序分別進(jìn)行計(jì)算[7]，對(duì)3種方案成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力進(jìn)行分析，成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形統(tǒng)計(jì)如圖4所示。成橋狀態(tài)下主梁應(yīng)力統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

由圖4可知，3種合龍順序的豎向撓度整體變化趨勢(shì)大體一致，線形變化相差較小，其中方案一的豎向撓度在第四跨合龍段附近下?lián)献畲?，?0 mm；最大上撓為8 mm，位于第四跨合龍段。合龍方案二的豎向撓度在第五跨合龍段下?lián)献畲?，?7 mm，其余各合龍段均有上撓趨勢(shì)，其中最大上撓為17 mm，位于第四跨合龍段。方案三的最大下?lián)蠟?5 mm，仍位于第五跨合龍段附近，最大上撓位于第四跨合龍段，為15 mm。不同順序的結(jié)構(gòu)最大變形相差44 mm。

圖4 成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形統(tǒng)計(jì)

(a) 上緣

由圖5可知，方案一～方案三中結(jié)構(gòu)上、下緣的應(yīng)力峰值大體一致，趨勢(shì)相同、浮動(dòng)微小。方案一～方案三上緣最大應(yīng)力分別為10.00 MPa、10.10 MPa、10.10 MPa，下緣最大應(yīng)力分別為7.11 MPa、7.27 MPa、7.22 MPa，應(yīng)力最大差值僅為0.16 MPa。

(b) 下緣圖5 成橋狀態(tài)下主梁應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

對(duì)優(yōu)選的方案一進(jìn)行整體升降溫計(jì)算，分別設(shè)置整體升降溫10 ℃和20 ℃四種工況，合龍階段溫差對(duì)橋梁撓度的影響如圖6所示。由圖6可知，溫差越大，合龍階段橋梁的撓度變化越大，相較于基準(zhǔn)合龍溫度，整體升溫20 ℃時(shí)，橋梁最大上撓19 mm，整體降溫20 ℃時(shí)，橋梁最大下?lián)?6 mm。由此可知，溫度是影響橋梁合龍的重要因素，須嚴(yán)格控制合龍溫度，合理控制成橋線形。

圖6 合龍階段溫差對(duì)橋梁撓度的影響

通過(guò)對(duì)成橋狀態(tài)下的撓度與應(yīng)力分析可知，在成橋狀態(tài)下合龍順序?qū)B續(xù)剛構(gòu)不等跨橋梁波形鋼腹板的主梁應(yīng)力影響不大，而合龍順序?qū)Y(jié)構(gòu)變形影響顯著。由小跨徑到大跨徑的合龍順序比從第一跨至第五跨以及先奇數(shù)跨后偶數(shù)跨所產(chǎn)生的位移更大。但在實(shí)際施工階段更關(guān)注懸澆塊產(chǎn)生的豎向撓度，梁塊產(chǎn)生的豎向位移越大(尤其是下?lián)显酱?，懸臂澆筑各個(gè)號(hào)塊時(shí)產(chǎn)生的線形誤差也會(huì)越大，導(dǎo)致無(wú)法精確合龍。為保證橋梁順利成形，工程中會(huì)采用變形較小的方案，該橋采用順序合龍的方案較為合理。

5 結(jié)論

依托五跨波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)不等跨箱梁橋，研究不同合龍順序?qū)Τ蓸驙顟B(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形的影響規(guī)律，結(jié)論如下：①連續(xù)剛構(gòu)不等跨橋梁波形鋼腹板合龍順序的先后，對(duì)成橋狀態(tài)下各梁段的應(yīng)力影響不大，均符合規(guī)范要求；②與傳統(tǒng)的多跨連續(xù)梁橋相比，連續(xù)剛構(gòu)不等跨橋梁波形鋼腹板采取先邊跨、后次跨、再中跨的方案并不是最優(yōu)選擇；③溫差越大，合龍階段橋梁的撓度變化越大，須嚴(yán)格控制合龍溫度或進(jìn)行溫差修正，合理控制成橋線形；④從線形控制的角度分析，采取由第一跨依次至第五跨的合龍順序可明顯減小主梁的豎向撓度，更利于橋梁成形，同時(shí)應(yīng)力也滿足規(guī)范要求。