波形鋼腹板PC組合箱梁橋懸臂施工線形控制研究

楊 彥 海

(中國(guó)鐵路總公司工程管理中心，北京 100038)

波形鋼腹板PC組合箱梁橋懸臂施工線形控制研究

楊 彥 海

(中國(guó)鐵路總公司工程管理中心，北京 100038)

結(jié)合波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合連續(xù)箱梁橋工程實(shí)例，開展了該種橋型懸臂施工控制技術(shù)研究，重點(diǎn)論述了剪切變形、混凝土徐變對(duì)箱梁線形的影響，并給出了立模標(biāo)高的計(jì)算方法，以供參考。

組合箱梁，波形鋼腹板，線形控制，懸臂施工

0 引言

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁采用波形鋼腹板代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土腹板，該種橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)顯著：有效減輕上部結(jié)構(gòu)自重，減少下部結(jié)構(gòu)工程量；頂?shù)装寤炷量箯澏拱邃摬目辜簦牧系玫匠浞掷茫徊ㄐ武摳拱蹇v向剛度小于混凝土腹板，提高預(yù)應(yīng)力施加效率；簡(jiǎn)化施工設(shè)備，加快施工進(jìn)度；橋梁立體感強(qiáng)，外觀優(yōu)美。波形鋼腹板箱梁橋在我國(guó)應(yīng)用越來越廣，結(jié)構(gòu)形式從簡(jiǎn)支梁向多跨連續(xù)梁、斜拉橋發(fā)展，同時(shí)主跨跨徑以及建設(shè)規(guī)模都有較大突破。傳統(tǒng)的混凝土腹板箱梁的施工控制已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)，但波形鋼腹板組合梁橋的結(jié)構(gòu)形式和變形特性與傳統(tǒng)混凝土腹板箱梁有較大差異，如果控制不好，有可能導(dǎo)致某些構(gòu)件應(yīng)力儲(chǔ)備不足或變形過大，從而成為安全隱患。本文結(jié)合主跨135 m的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合連續(xù)箱梁橋——桃花峪黃河大橋跨大堤橋，開展波形鋼腹板組合梁橋懸臂施工線形控制研究。

1 概述

桃花峪黃河大橋跨大堤橋上部結(jié)構(gòu)為三跨波形鋼腹板箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑組合為(75+135+75)m，全長(zhǎng)285 m，采用上、下行分離式橋梁。單幅上部箱梁為單箱單室，頂寬16.05 m，箱梁底寬9 m，墩頂根部梁高7.5 m，高跨比為1/18，跨中梁高3.5 m，高跨比為1/38.6，橋面橫坡2%由腹板高差形成，箱梁底橫向保持水平(見圖1)。箱梁頂?shù)装宀捎肅50混凝土，頂板厚0.28 m，底板厚0.28 m～0.754 m，箱梁梁高及底板厚度按1.8次拋物線變化。波形鋼腹板采用Q345d鋼材，波長(zhǎng)1.6 m，波高22 cm，水平面板寬43 cm，彎折內(nèi)徑R最小值為15t(t為波形鋼腹板厚度)，鋼板厚度14 mm～24 mm。鋼腹板與箱梁頂板的連接方式采用雙開孔鋼板連接鍵連接，鋼腹板與箱梁底板的連接采用埋入式，埋入混凝土中300 mm。該橋施工方法為0號(hào)塊墩頂現(xiàn)澆，跨中節(jié)段采用掛籃對(duì)稱懸臂澆筑，邊墩及附近節(jié)段采用滿堂支架澆筑，最后澆筑合龍段完成全橋。

2 波形鋼腹板組合箱梁撓度影響因素

2.1 剪切變形

由于波形鋼腹板箱梁所用鋼板厚度遠(yuǎn)小于混凝土腹板，使得剪切變形對(duì)箱梁撓度計(jì)算結(jié)果影響較大[1]。剪切變形效應(yīng)的分析比較復(fù)雜，對(duì)于混凝土腹板箱梁，當(dāng)梁的高度遠(yuǎn)小于跨度時(shí)，忽略剪切變形的影響也能得到滿意的結(jié)果。但對(duì)于波形鋼腹板箱梁這種新型組合結(jié)構(gòu)，剪切變形的影響不可忽略。

為定量分析剪切變形對(duì)懸臂施工過程箱梁撓度的影響，采用有限元方法建立三個(gè)獨(dú)立模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算：1)采用Euler梁理論(不計(jì)入剪切變形，簡(jiǎn)稱M-1法)；2)采用Timoshenko梁理論(計(jì)入剪切變形，簡(jiǎn)稱M-2法)；3)采用基于ANSYS建立空間有限元模型進(jìn)行精確模擬。重點(diǎn)對(duì)比最大懸臂狀態(tài)下各節(jié)段實(shí)際位移(UZ)、最大懸臂狀態(tài)掛籃拆除工況下各節(jié)段位移增量(U1)、15號(hào)塊混凝土澆筑土引起的各節(jié)段位移增量(U2)以及15號(hào)塊預(yù)應(yīng)力鋼束張拉引起的各節(jié)段位移增量(U3)，計(jì)算結(jié)果見表1，表中位移以向上為正，向下為負(fù)。

由計(jì)算結(jié)果可判斷：1)采用Euler梁理論和Timoshenko梁理論計(jì)算結(jié)果差異較大(對(duì)應(yīng)表中的M-1和M-2)；2)剪力較大、波形鋼腹板較高的懸臂根部梁段(對(duì)應(yīng)于節(jié)段1號(hào)～6號(hào)節(jié)段)剪切變形的影響較大；懸臂前端梁段(對(duì)應(yīng)節(jié)段7號(hào)～15號(hào)節(jié)段)，剪切變形的影響相對(duì)較小；3)采用ANSYS分析模型的計(jì)算結(jié)果，無論是累計(jì)位移還是單獨(dú)工況下的位移增量值，均介于M-1～M-2之間。

累計(jì)位移值直接應(yīng)用于施工過程的橋面高程控制，對(duì)于波形鋼腹板組合箱梁，采用常規(guī)的平面桿系模型，Euler梁理論計(jì)算結(jié)果偏小，而Timoshenko梁理論則過大估計(jì)了剪切變形的影響，兩者均不能準(zhǔn)確模擬和計(jì)算波形鋼腹板組合橋梁結(jié)構(gòu)的變形，只有依據(jù)三維空間實(shí)體模型結(jié)果才能準(zhǔn)確進(jìn)行施工線性控制。

2.2 混凝土徐變

混凝土徐變對(duì)最大懸臂狀態(tài)的波形鋼腹板箱梁變形影響較大，采用有限元分析軟件ANSYS/CivilFEM 建立桃花峪黃河大橋跨大堤橋?qū)嶓w模型(見圖2)，采用逐步計(jì)算方法，徐變模型定義參考中國(guó)04公路橋梁規(guī)范，分析徐變引起的波形鋼腹板箱梁變形[3]。

計(jì)算并列出了在混凝土齡期增長(zhǎng)過程中懸臂梁1號(hào)～15號(hào)塊段撓度數(shù)值，如表2所示。

表1 不同計(jì)算工況下箱梁各節(jié)段位移 mm

表2 波形鋼腹板懸臂施工過程中變形 mm

最大懸臂狀態(tài)各截面(除支座附近截面外)變形增長(zhǎng)均較快，在混凝土齡期達(dá)到108 d時(shí)，最大懸臂端位移從初始-46.6 mm(向下)到-74.5 mm(向下)，徐變產(chǎn)生位移為-27.9 mm，約占初始撓度的59.9%，說明在最大懸臂狀態(tài)下徐變對(duì)梁體變形影響比較大，為保證梁體順利合龍，最大懸臂狀態(tài)梁體在施工過程中不宜停滯過久。

3 波形鋼腹板箱梁立模標(biāo)高計(jì)算

箱梁立模標(biāo)高的理論計(jì)算公式如下：

由于溫度、徐變和非線性等因素，實(shí)際情況和理論計(jì)算不可能一致，因此對(duì)理論立模標(biāo)高要不斷修正。箱梁實(shí)際立模標(biāo)高為：

由于波形鋼腹板連接是采用將施工節(jié)段鋼腹板焊接在已澆節(jié)段波形鋼腹板前端的方式，當(dāng)前節(jié)段混凝土澆筑土過程中的掛籃變形只對(duì)當(dāng)前節(jié)段的頂、底模板的高程有影響，波形鋼腹板焊接在前一節(jié)段上，不依靠掛籃支承，因此當(dāng)前節(jié)段的掛籃變形對(duì)波形鋼腹板的高程變化沒有影響。所以，在計(jì)算混凝土底板立模標(biāo)高時(shí)應(yīng)計(jì)入掛籃變形影響，而對(duì)于波形鋼腹板的安裝標(biāo)高計(jì)算則不需要考慮掛籃變形的影響，箱梁波形鋼腹板安裝標(biāo)高的理論計(jì)算公式如下：

4 結(jié)語(yǔ)

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁懸臂施工線形受到剪切變形和混凝土徐變影響，本文給出了排除這些因素影響的方法。采用三維實(shí)體有限元模型計(jì)算可以準(zhǔn)確模擬剪切變形；同時(shí)采用三維模型計(jì)算混凝土徐變，結(jié)果表明對(duì)梁體撓度影響大，應(yīng)盡快完成合龍，最大懸臂狀態(tài)不宜停滯過久。最后根據(jù)竣工標(biāo)高、成橋變形、施工變形、因素影響調(diào)整值給出波形鋼腹板箱梁混凝土頂?shù)装搴筒ㄐ武摳拱辶⒛?biāo)高計(jì)算方法。

[1] 李宏江.剪切變形對(duì)波形鋼腹板箱梁撓度的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2002,2(4):17-20.

[2] 周期源.考慮剪切變形影響時(shí)變截面梁的撓度計(jì)算[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(3):295-298.

[3] 楊彥海.波形鋼腹板箱梁徐變分析[D].北京:北京交通大學(xué),2013.

Study on linear control of cantilever construction for PC composite box-girder with corrugated steel webs

Yang Yanhai

(ChinaRailwayCompanyProjectManagementCenter,Beijing100038,China)

Based on the project example of PC composite box-girder with corrugated steel webs, research on cantilever construction control is performed, the effect of shear deformation and concrete creep on the box-girder deflection is mainly discussed, and the calculation method of the formwork placing elevation is given, which can provide reference for similar bridges.

composite box-girder, corrugated steel webs, linear control, cantilever construction

2015-02-27

蔡衛(wèi)兵(1967- )，男，工程師

1009-6825(2015)13-0192-02

U445

A