波形鋼腹板PC組合箱梁橋懸臂施工階段受力及穩(wěn)定性分析

唐 謙，王如寶，顧箭峰，張宇峰

(1.安徽省新路建設(shè)工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 阜陽市 236000； 2.武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 武漢市 430073)

0 引言

波形鋼腹板PC組合箱梁橋用波形鋼板代替混凝土腹板，與傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋相比，具有上部結(jié)構(gòu)自重輕、腹板縱向剛度低、預(yù)應(yīng)力效率高、橋型美觀等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。隨著該橋型跨徑的增大及結(jié)構(gòu)形式的日趨多樣化，懸臂施工法已成為了修建該類大跨橋梁的主要工法之一，以提高施工效率，降低成本[3-4]。現(xiàn)有對(duì)于橋梁懸臂施工階段的研究普遍側(cè)重于普通PC箱梁橋，關(guān)于波形鋼腹板PC組合箱梁橋的研究較少，使得該類橋梁懸臂施工存在隱患，所以有必要對(duì)其施工階段進(jìn)行模擬分析。

以某大跨徑變截面波形鋼腹板PC組合箱梁橋?yàn)槔瑢?duì)其懸臂施工過程進(jìn)行有限元仿真模擬，分析橋梁結(jié)構(gòu)在懸臂施工階段的撓度、內(nèi)力和應(yīng)力，并進(jìn)行關(guān)鍵施工階段穩(wěn)定性驗(yàn)算，檢驗(yàn)箱梁橋的設(shè)計(jì)能否滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)其施工條件的要求。

1 波形鋼腹板PC組合箱梁橋懸臂施工工藝

1.1 工程概況

某大跨變截面波形鋼腹板PC組合箱梁橋長(zhǎng)228m，跨徑布置為(65+98+65)m，主梁采用變截面波形鋼腹板單箱雙室連續(xù)箱梁，中支點(diǎn)梁高6m，底板厚度0.70m；跨中梁高2.8m，底板厚度0.3m，梁高及底板厚度按2次拋物線過渡，混凝土采用C50，波形鋼腹板采用Q345，橋面設(shè)置為雙向四車道。橋型布置如圖1所示，主梁斷面如圖2、圖3所示。

圖1 波形鋼腹板PC組合箱梁橋橋型布置(單位：cm)

圖2 主梁支點(diǎn)橫斷面圖(單位：cm)

圖3 主梁跨中橫斷面圖(單位：cm)

1.2 波形鋼腹板PC組合箱梁橋懸臂施工流程

懸臂施工是大跨波形鋼腹板PC組合箱梁橋的一種重要工法。懸臂施工法是指在橋墩兩側(cè)安裝工作平臺(tái)，平衡地逐段向跨中懸臂澆注并逐段施加預(yù)應(yīng)力，直至橋跨結(jié)構(gòu)合龍的施工方法。波形鋼腹板PC組合箱梁橋懸臂施工特點(diǎn)：

(1)橋墩在施工過程中要和主梁固結(jié)，對(duì)于連續(xù)梁橋存在結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換。

(2)波形鋼腹板節(jié)段施工時(shí)考慮節(jié)段長(zhǎng)度、腹板厚度的變化以及節(jié)段間的連接等因素。

(3)施工中減少腹板的鋼筋施工和混凝土澆注，增加了鋼腹板的定位與安裝工序。

(4)增加了體外預(yù)應(yīng)力體系，需要進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力安裝和張拉[5]。

波形鋼腹板PC組合箱梁橋懸臂施工的具體流程如圖4所示：

圖4 波形鋼腹板PC組合箱梁橋懸臂法施工流程圖

2 有限元模型建立及懸臂施工階段模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

由于波形鋼腹板箱梁的剪力基本上全部由腹板承擔(dān)，而混凝土頂、底板幾乎不參與承剪，將原單箱雙室箱梁等效成單箱單室箱梁，由于此等效方式頂?shù)装寤炷翜p少的恒載，通過外荷載施加[6-9]。

根據(jù)實(shí)際施工節(jié)段，全橋共劃分為70個(gè)單元，83個(gè)節(jié)點(diǎn)。橋梁施工階段結(jié)構(gòu)要承受結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力鋼筋荷載、掛籃荷載、其他施工荷載等。本橋有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元計(jì)算模型

2.2 懸臂施工階段模擬

本橋通過安裝掛籃→澆注混凝土→張拉預(yù)應(yīng)力筋→安裝掛籃……循環(huán)施工的方式來完成橋梁的建設(shè)工作。根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)和施工的實(shí)際情況，本橋施工階段共劃分為43個(gè)，施工階段的具體劃分情況見表1。

表1 施工階段劃分表

3 結(jié)構(gòu)變形和受力性能分析

為了能夠較好地反映波形鋼腹板PC組合箱梁橋在施工過程中的受力和變形特性，選取最大懸臂階段、邊跨合龍階段、中跨合龍階段、張拉體外預(yù)應(yīng)力階段等施工階段以及二期恒載和10年收縮徐變等成橋階段進(jìn)行分析對(duì)比。

計(jì)算分析橋梁結(jié)構(gòu)在各施工階段的撓度和應(yīng)力，依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)進(jìn)行驗(yàn)算，按照規(guī)范所規(guī)定的各項(xiàng)容許指標(biāo)和計(jì)算公式驗(yàn)算結(jié)構(gòu)是否滿足各項(xiàng)要求[10]。

3.1 結(jié)構(gòu)最大懸臂階段分析

(1)撓度分析

最大懸臂階段完成預(yù)應(yīng)力張拉后箱梁的撓度情況如圖6所示。

圖6 最大懸臂階段箱梁的撓度圖

由圖6可知，在最大懸臂狀態(tài)時(shí)，中跨支座處結(jié)構(gòu)無變形，隨著距離中跨支座長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)撓度值不斷增加，到達(dá)懸臂端之前撓度存在最大值，箱梁的撓度最大值約為33.15mm。

(2)內(nèi)力分析

最大懸臂階段完成預(yù)應(yīng)力張拉后，箱梁內(nèi)力分布情況如圖7、圖8所示。

圖7 最大懸臂階段箱梁的彎矩圖

圖8 最大懸臂階段箱梁的剪力圖

由圖7可知，結(jié)構(gòu)處于最大懸臂狀態(tài)，在自重和預(yù)應(yīng)力共同作用下，主梁彎矩在中跨支座附近出現(xiàn)了最大值，最大值約為10.42×104kN·m，由于預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用，在兩邊懸臂端附近出現(xiàn)了較小的正彎矩，其最大值約為1.02×104kN·m。

由圖8可知，主梁剪力基本對(duì)稱，因?yàn)橛袡M隔板的作用，左右剪力存在細(xì)微差異，剪力的最大值出現(xiàn)在支座處附近截面，其最大值約為1.18×104kN。

(3)應(yīng)力分析

最大懸臂階段完成預(yù)應(yīng)力張拉后，截面應(yīng)力分布情況如圖9所示。

圖9 最大懸臂階段箱梁截面下緣的應(yīng)力圖

3.2 其他階段分析

由于篇幅限制，本文將邊跨合龍階段、中跨合龍階段和張拉體外預(yù)應(yīng)力階段等施工階段以及成橋階段結(jié)構(gòu)受力和變形分析結(jié)果列于表2、表3。

表2 施工階段結(jié)構(gòu)受力和變形分析表

表3 成橋階段結(jié)構(gòu)受力和變形分析表

表3與表2對(duì)比分析可知在成橋階段時(shí)，橋梁的撓度、內(nèi)力及應(yīng)力相比施工階段有所下降，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，且其值均能滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

4 最大懸臂階段穩(wěn)定性分析

4.1 荷載類型及組合

分析波形鋼腹板PC組合箱梁橋在最大懸臂階段，在結(jié)構(gòu)自重、掛籃荷載、不平衡梁段重、不平衡施工荷載、風(fēng)荷載等荷載組合下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。荷載類型如下：

(1)最大懸臂階段主梁自重為5.96×104kN；

同位素是指一類原子核內(nèi)具有相同質(zhì)子數(shù)，但中子數(shù)不同，在元素周期表中處于同一位置的核素。其中，某些核素會(huì)因其不穩(wěn)定的性質(zhì)自發(fā)衰變成新核素，同時(shí)放出一種或多種射線，如α、β-、β+、γ、X等，這種特性稱為放射性。具有放射性的核素稱為放射性核素或放射性同位素，不具放射性的核素稱為穩(wěn)定同位素。

(2)掛籃荷載，掛籃取800kN，梁體兩端動(dòng)力系數(shù)分別取1.2和0.8；

(3)掛籃跌落，梁體兩端動(dòng)力系數(shù)分別取2和0；

(4)不平衡梁段重，最后一個(gè)節(jié)段左側(cè)多澆30%；

(5)不平衡施工荷載，左側(cè)梁端有150kN施工荷載；

(6)橫向風(fēng)載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)中的有關(guān)規(guī)定對(duì)結(jié)構(gòu)施加；

(7)縱向風(fēng)載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)中的有關(guān)規(guī)定對(duì)結(jié)構(gòu)施加[11]。

4.2 荷載組合

當(dāng)掛籃正常工作時(shí)：

工況1：荷載(①+②+④+⑤)+風(fēng)載⑥

工況2：荷載(①+②+④+⑤)+風(fēng)載⑦

當(dāng)掛籃突然跌落時(shí)：

工況3：荷載(①+③+④+⑤)+風(fēng)載⑥

工況4：荷載(①+③+④+⑤)+風(fēng)載⑦

4.3 穩(wěn)定性分析結(jié)果

4種工況下結(jié)構(gòu)的一階穩(wěn)定系數(shù)及相應(yīng)的屈曲模態(tài)見表4。最不利工況3的屈曲模態(tài)如圖10所示。

表4 最大懸臂一階穩(wěn)定安全系數(shù)

圖10 工況3下的一階屈曲模態(tài)

計(jì)算結(jié)果表明：

(1)最大懸臂狀態(tài)所有工況的結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)均為縱向失穩(wěn)，且一階穩(wěn)定系數(shù)均大于5，滿足《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)要求且安全儲(chǔ)備充足，結(jié)構(gòu)安全可靠。

(2)在懸臂施工階段掛籃跌落產(chǎn)生的沖擊荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性有比較大的影響，因此在施工中應(yīng)特別注意最大懸臂階段時(shí)橋梁的穩(wěn)定性，采取有效措施防止掛藍(lán)的跌落。

(3)在懸臂施工階段橫向風(fēng)載比縱向風(fēng)載對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響大。

5 結(jié)語

以某大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁橋?yàn)楸尘埃诜治隽瞬ㄐ武摳拱錚C組合箱梁橋懸臂施工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Midas Civil有限元軟件對(duì)波形鋼腹板PC組合箱梁橋懸臂施工過程進(jìn)行仿真模擬，分析該橋不同施工階段的結(jié)構(gòu)變形和受力，并進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，得出了如下結(jié)論：

(1)通過工程實(shí)例分析，波形鋼腹板PC組合箱梁橋在懸臂施工中的撓度、內(nèi)力和應(yīng)力均控制在允許范圍內(nèi)，成橋技術(shù)狀況良好，結(jié)構(gòu)受力合理，能夠滿足施工階段施工的要求。

(2)波形鋼腹板PC組合箱梁橋在最大懸臂階段最不利工況下一階穩(wěn)定性系數(shù)均大于5，穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范要求且安全儲(chǔ)備充足，結(jié)構(gòu)安全可靠。