異步懸澆施工中波形鋼腹板局部變形研究

彭東林，楊建榮，鄭曉龍

異步懸澆施工中波形鋼腹板局部變形研究

彭東林，楊建榮，鄭曉龍

(昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

為準確計算波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)橋在異步懸澆施工過程中的局部變形。通過有限元軟件Midas/FEA建立了板殼單元模型，研究了波形鋼腹板在荷載作用下的局部變形，對比現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析了計算值與實測值的誤差變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：異步施工過程中的波形鋼腹板局部變形主要來源于荷載的影響，根據(jù)誤差變化規(guī)律擬合出撓度關(guān)系式，對施工中的波形鋼腹板局部變形值進行修正，以保證成橋線形達到設(shè)計要求。

波形鋼腹板；懸臂施工；連續(xù)剛構(gòu)橋；異步施工；局部變形

隨著波形鋼腹板PC組合箱梁橋的逐步推廣和建造，其施工方法也逐步成熟。德國Altwipfergrund橋首次使用異步懸澆施工進行波形鋼腹板PC組合箱梁橋的建設(shè)[1]。異步懸澆施工法是基于懸臂施工法的改進施工法，以波形鋼腹板作為梁段懸臂施工過程中的承重支架，承受掛籃自重和混凝土濕重，使掛籃更簡單、更輕便，相鄰節(jié)段的混凝土頂板、底板同時澆筑，提高了施工效率[2]。波形鋼腹板的安裝定位對橋梁線形影響大。施工過程中，通過設(shè)置預(yù)抬值，抵消施工期的位移和成橋后運營期間的結(jié)構(gòu)下?lián)希_保成橋后線形達到設(shè)計要求。施工期間，位移主要由掛籃彈性變形、主梁整體下?lián)霞颁摳拱寰植孔冃委B加組成[3?4]。異步懸澆施工與傳統(tǒng)懸臂施工的區(qū)別為混凝土頂、底板的異步澆筑，波形鋼腹板作為承重支架。其變形與傳統(tǒng)懸臂施工過程中的變形存在明顯差異，而異步懸澆施工中的鋼腹板局部變形難以通過計算控制。為保證施工中波形鋼腹板立模標高的準確性，必須了解異步懸澆施工中波形鋼腹板局部變形規(guī)律。

諸多學(xué)者對異步懸澆施工中波形鋼腹板的受力性能和變形規(guī)律進行了研究。鄭尚敏[5]等人通過分別建立三維實體模型與梁單元模型，研究波形鋼腹板PC組合梁橋在施工過程中不同施工階段和不同施工荷載作用下，分析剪切變形對其撓度的影響。發(fā)現(xiàn)在自重和外荷載作用下，最大懸臂施工階段剪切產(chǎn)生的撓度占總撓度的30%～40%。鄧文 琴[6]等人通過波形鋼腹板箱梁橋異步施工階段足尺模型試驗，得出等效施工荷載作用下的波形鋼腹板兩端撓度差達到5.13 mm，側(cè)向變形值最大達到25 mm。岳宏智[7]等人建立了山東小清河特大橋上部結(jié)構(gòu)精細化實體模型，發(fā)現(xiàn)懸臂施工過程中隨著懸臂長度的增加，觀測截面的總體下?lián)现翟龃螅龇仓饾u增大。易征[8]對某連續(xù)剛構(gòu)橋跨中斷面進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：當上、下游斷面不同高程時，上游斷面的三分力系數(shù)隨著工況的變化呈規(guī)律性變化，下游斷面受到強烈的尾流干擾和遮擋效應(yīng)。因此，橋梁氣動干擾效應(yīng)對位移的影響不容忽視。

當前的研究更多集中于波形鋼腹板異步懸澆施工中的受力性能和整體撓度，針對波形鋼腹板局部變形的研究較少。連續(xù)剛構(gòu)橋施工中，常遇到波形鋼腹板局部下?lián)线^大的問題。因此，本研究以某在建橋梁的波形鋼腹板為研究對象，擬采用Midas/ FEA有限元軟件建立板殼單元模型，計算施工荷載作用下波形鋼腹板的局部變形。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對敏感參數(shù)進行相關(guān)性分析，得出波形鋼腹板局部變形值修正公式。解決施工中產(chǎn)生的局部變形過大的問題，保證成橋線形達到設(shè)計要求。

1 工程概況

某連續(xù)剛構(gòu)橋采用(65+4×120+65) m跨徑布置，主梁為單箱單室波形鋼腹板組合箱梁，箱梁頂板寬10.55 m，底板寬6.5 m；中墩支點梁高7.5 m，底板厚80 cm；邊跨支點及跨中梁高3.5 m，底板厚28 cm，梁高和底板厚度均按二次拋物線變化；腹板采用1600型波形鋼腹板[9]，板厚為14～22 mm；混凝土采用C55，波形鋼板采用Q345qc鋼。

為了縮短工期，提高施工效率，主橋上部結(jié)構(gòu)采用異步懸澆施工。主梁節(jié)段劃分為15段，合攏前節(jié)段劃分為14.4 m(0#、1#節(jié)段)+3.2 m(2#節(jié)段)+ 10×4.8 m(3#～12#節(jié)段)，中跨合攏段長3.2 m，邊跨合攏段長1.6 m，邊跨現(xiàn)澆段長4.8 m，節(jié)段劃分示意圖如圖1所示。

該橋中跨和邊跨懸臂施工過程可劃分為13個施工階段，除0#、1#節(jié)段及13#合攏段外，每一施工階段的標準步驟為：①移動掛籃至第節(jié)段；②綁扎第節(jié)段底板和第?1節(jié)段頂板普通鋼筋；③澆筑第節(jié)段底板和第?1節(jié)段頂板混凝土；④混凝土養(yǎng)護，吊裝第+1節(jié)段波形鋼腹板，待混凝土達到強度后，張拉?1節(jié)段頂板預(yù)應(yīng)力鋼束；⑤掛籃前移，進入下一施工循環(huán)。異步懸澆施工流程如圖2所示。

圖1 箱梁節(jié)段劃分(單位：cm)

圖2 異步懸澆施工流程

2 波形鋼腹板局部變形計算

2.1 施工工況

混凝土板與鋼梯形波紋腹板剪力重分布的主要因素是剪力效應(yīng)，這是影響橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生撓度的關(guān)鍵[10]。細化施工工況，有利于分析剪力效應(yīng)，可更好地觀察每個施工步驟的撓度值。對于第節(jié)段波形鋼腹板，在標準異步懸澆施工循環(huán)中，按照所承受的荷載可劃分為5個工況：

工況一：移動掛籃至第節(jié)段波形鋼腹板；

工況二：澆筑第節(jié)段底板混凝土；

工況三：安裝第+1節(jié)段波形鋼腹板；

工況四：移動掛籃至第+1節(jié)段波形鋼腹板；

工況五：澆筑第+1節(jié)段底板和第節(jié)段頂 板混凝土。

2.2 計算模型

選取第節(jié)段波形鋼腹板，利用Midas/FEA有限元分析軟件建立板殼單元模型，如圖3所示，對異步懸澆施工中的波形鋼腹板局部變形進行計算。其中，混凝土的頂板、底板采用實體單元模擬，波形鋼腹板采用板單元模擬，臨時橫撐采用梁單元模擬，依次將板殼單元劃分為200、100、50 mm的網(wǎng)格進行計算。分析結(jié)果表明：網(wǎng)格單元長度為100 mm的計算結(jié)果與50 mm的無差別，且100 mm網(wǎng)格劃分的收斂性更好，所以本研究將網(wǎng)格單元的大小取為100 mm。波形鋼腹板的上、下翼緣板和混凝土的頂板、底板在交界面上全部自由度耦合；已成形的第?1節(jié)段對第節(jié)段的約束條件為固結(jié)。

圖3 Midas/FEA板殼單元模型

2.3 施工階段計算撓度值

異步懸澆施工中，波形鋼腹板受到的施工荷載包括：波形鋼腹板自重、混凝土濕重、掛籃荷載。其中，混凝土濕重和掛籃自重均簡化為集中力形式，作用于頂模后吊點、底模后吊點和掛籃前后支點。有限元計算結(jié)果見表1。

3 波形鋼腹板局部變形分析

為研究異步懸澆施工中波形鋼腹板的局部變形，在每一梁段的波形鋼腹板上翼緣板中心點布置一變形測點，測點編號-1表示第節(jié)段第1測點。以波形鋼腹板安裝定位的高程值作為初始值，每一施工工況后的測量值與初始值的差值為絕對變形值，每一梁段波形鋼腹板的絕對變形值與相鄰前一節(jié)段的差值為該節(jié)段波形鋼腹板的局部變形值。采用彭官友[11]提出基于累積法的GM(1,1)對橋梁進行監(jiān)控，線性誤差分析會大大減小。本研究選取2#節(jié)段、6#節(jié)段、11#節(jié)段三個關(guān)鍵節(jié)段的模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測值見表2。2#、6#、11#階段的撓度值如圖4～6所示，實線代表計算值，虛線代表實測值。

表1 FEA計算結(jié)果(單位：mm)

表2 5#墩第2、6、11節(jié)段波形鋼腹板局部變形(單位：mm)

圖4 2#節(jié)段撓度值

圖5 6#節(jié)段撓度值

圖6 11#節(jié)段撓度值

將實測結(jié)果與理論計算值進行對比，由工況二可以看出，澆筑混凝土底板引起的下?lián)现蹬c理論計算值基本吻合，差值范圍不超出1 mm。由工況三可以看出，下一節(jié)段波形鋼腹板吊裝時，波形鋼腹板變形值極不穩(wěn)定，部分出現(xiàn)上撓。安裝波形鋼腹板的過程中，為了調(diào)整波形鋼腹板的立模標高，上吊調(diào)整時提高了第節(jié)段的高程，造成波形鋼腹板出現(xiàn)上撓。由工況四可以看出，移動掛籃造成的下?lián)现蹬c理論計算值吻合。由工況五可知，澆筑下一節(jié)段混凝土與本節(jié)段頂板混凝土，造成的波形鋼腹板局部變形值與理論計算值差別較大，且實測值均大于理論值，應(yīng)考慮混凝土澆筑期施工荷載，由于泵送管泵送混凝土造成的沖擊作用所導(dǎo)致。

4 結(jié)論

1) 懸臂長度較小時，波形鋼腹板的局部變形值也較小；懸臂長度較大時，波形鋼腹板局部變形值變化迅速。結(jié)果表明：主要來自混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力張拉2個施工步驟。

2) 實際測量值與理論值存在差異，根據(jù)已有的研究可知，誤差可能來源：混凝土容重實際值與理論值存在差異、溫度變化引起的變形、施工活載造成的下?lián)系取Ｓ捎诒緲蛏舷掠胃叱滩煌瑪嗝媸艿綇娏业奈擦鞲蓴_和遮擋效應(yīng)，橋梁氣動干擾效應(yīng)對橋梁兩側(cè)斷面位移也不容忽視。

3) 小懸臂節(jié)段時，波形鋼腹板因受到橋墩的約束，其變形值較小。隨著施工地進行，懸臂長度地增加，波形鋼腹板實測局部變形值與理論值的誤差迅速增加。最大懸臂狀態(tài)時，計算值與實測值的誤差可達到實測值的23.7%。

4) 根據(jù)實測值和計算值擬合修正公式，此公式經(jīng)驗證，符合后續(xù)施工階段撓度的計算。對施工中的波形鋼腹板局部變形值進行修正，可為后續(xù)施工解決腹板局部變形過大的問題，保證成橋線形達到設(shè)計要求。

[1] 王衛(wèi),張建東,段鴻杰,等.國外波形鋼腹板組合橋梁的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代交通技術(shù),2011,8(6):31?33,52. (WANG Wei, ZHANG Jian-dong, DUAN Hong-jie, et al. Development and status of composite structure bridge with corrugated steel webs on board[J]. Modern Transportation Technology, 2011, 8(6): 31?33, 52. (in Chinese))

[2] 莊艷偉,楊彪,程永志.波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)梁橋施工技術(shù)[J].筑路機械與施工機械化,2020,37(Z1):87?90. (ZHUANG Yan-wei, YANG Biao, CHENG Yong-zhi. Construction technology of continuous rigid frame beam bridge with corrugated steel webs[J]. Road Machinery & Construction Mechanization, 2020, 37(Z1): 87?90. (in Chinese))

[3] 秦明星.波形鋼腹板PC梁施工期位移分析與控制[J]. 中外公路,2017,37(3):138?140.(QIN Ming-xing.The analysis and control of displacement during construction period of PC beam with waveform steel web[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2017, 37(3): 138?140. (in Chinese))

[4] 楊瑩.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋長期下?lián)弦蛩赜绊懛治鯷D].西安:長安大學(xué),2019.(YANG Ying. Analysis of long term deflection factors of long-span prestressed concrete continuous rigid frame bridge[D]. Xi’an: Changan University,2019.(in Chinese))

[5] 鄭尚敏,楊丙文,萬水.波形鋼腹板PC組合梁橋施工階段撓度有限元分析[C]//第20屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集.寧波,2011:299?303.ZHENG Shang-min,YANG Bing-wen, WAN Shui. Finite element analysis on deformation of corrugated steel webs composite bridge in construction stage[C]// Proceedings of the 20th Ational Conference on Strauctural Engineering. Ningbo, 2011: 299?303.

[6] 鄧文琴,劉朵,馮杰,等.波形鋼腹板箱梁橋異步施工節(jié)段足尺模型試驗研究[J].橋梁建設(shè),2019,49(1):53?58. (DENG Wen-qin,LIU Duo,FENG Jie,et al.Segmental full-scale model test for asynchronous construction of box girder bridge with corrugated steel webs[J].Bridge Construction,2019,49(1):53?58.(in Chinese))

[7] 岳宏智,牛傳同,曹洪亮,等.波形鋼腹板PC組合箱梁橋異步施工全過程分析[J].公路,2020,65(5):129?134. (YUE Hong-zhi,NIU Chuan-tong,CAO Hong-liang,et al. The analysis of asynchronous construction process of prestressed concrete composite box girders with corrugated Steel webs of bridge[J].Highway,2020,65(5): 129?134.(in Chinese))

[8] 易征.連續(xù)剛構(gòu)橋梁氣動干擾效應(yīng)數(shù)值模擬[J].交通科學(xué)與工程, 2018, 34(3): 20?26. (YI Zheng. Numerical simulation of aerodynamic interference effect of continuous rigid frame bridge[J]. Journal of Transport Science and Engineering,2018,34(3):20?26.(in Chinese))

[9] 中華人民共和國交通運輸部.中華人民共和國交通行業(yè)標準:組合結(jié)構(gòu)橋梁用波形鋼腹板 JT/T 784—2010[S]. 北京:人民交通出版社,2010.(Ministry of Transport of the People’s Republic of China. Highway & Transportation Standard of the People’s Republic of China: Corrugated steel webs in composite structure bridges. JT/T784—2010[S]. Beijing: China Communications Press,2010.(in Chinese))

[10] Man Z,Lin A.Full-range shear behavior of a nonprismatic beam with steel trapezoidal corrugated webs: Experimental tests and FE modeling[J].Journal of Structural Engineering, 2020, 146(8):4020162.

[11] 彭官友.橋梁施工監(jiān)控的改進GM(1,1)灰色預(yù)測模型研究[J]. 交通科學(xué)與工程, 2019, 35(1): 54?60. (PENG Guan-you. Application of improved GM(1,1) grey prediction model in the bridge construction monitoring[J]. Journal of Transport Science and Engineering,2019,35(1): 54?60.(in Chinese))

Study on local deformation of corrugated steel web in asynchronous suspension construction

PENG Dong-lin, YANG Jian-rong, ZHENG Xiao-long

(Construction Engineering College, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

To accurately calculate the local deformation of corrugated steel web in asynchronous suspension construction, the plate and shell element model was established by finite element software Midas/FEA to study the local deformation of corrugated steel web under load. The error variation between the calculated value and the measured value was analyzed. The results show that the local deformation of corrugated steel web in asynchronous construction mainly comes from the influence of load. According to the law of error change, the deflection relation is fitted out, and the local deformation value of corrugated steel web in construction is corrected to ensure that the bridge alignment meets the design requirements.

corrugated steel web; cantilever construction; continuous rigid frame bridge; asynchronous construction; local deformation

U445.4

A

1674 ? 599X(2021)01 ? 0089 ? 06

2020?09?11

國家重點研發(fā)計劃(2017YFE0103000)；云南省科技富民強縣計劃(2015EA002)；云南省交通運輸廳科技項目(云交科2016(A)02)

彭東林(1993?)，男，昆明理工大學(xué)碩士生。