建模分析波形鋼腹板連續剛構橋施工技術

許華章

（湖北交通職業技術學院， 湖北 武漢 430000）

1 工程概況

模擬建模中大橋全長312m，由(75+160+75)m波形鋼腹板連續剛構組合而成，用MIDAS/Civil軟件建立空間模型，波紋鋼梁末端采用三向預應力鋼筋混凝土的連續剛構技術，并將預制箱梁截面設置為單箱單室。頂板為12.6 m，底板為7.5 m，外凸緣板為懸垂式，臂長2.55 m。箱梁跨中梁高4.0 m（箱梁高均以箱梁中心處高度為準）。

2 波形鋼腹板加工制作、運輸

波形鋼腹板的制作必須要按照國家規范標準和設計的實用要求層層把關，且在制作完成后還需編制指導書，保證它達到了國家規范的標準和設計的標準。

在進行涂裝操作后利用保護膜對其進行保護。為防止波紋鋼腹板在運輸的過程中受到損傷，要利用平板車裝運，且要把鋼腹板臥放在車上。且在運輸的過程中不采取其他措施鋼腹板容易在剎車等情況下出現滑動，為解決這個問題，可以把鋼腹板的下端與平板車進行焊接， 側邊同樣焊接，此時底層的鋼腹板便固定了， 然后用堅固的繩子把下端和上端的鋼腹板綁在一起（要注意相鄰鋼腹板之間要設置摩擦阻力大的木頭防止發生相對滑動， 且必須小于或等于5層），這時候便都得到了固定，保證了運輸過程中的安全問題[1]。

3 建模分析波形鋼腹板連續鋼構橋重難點以及施工過程仿真計算、結構安全驗算

3.1 波形鋼腹板連續鋼構重難點分析

首先，分析橋梁結構應力與線性控制。在整個工程施工過程中，梁橋的一些荷載，例如自作用力，工程施工荷載，預應力鋼筋等，會逐漸增加。每個工程施工環節都可能伴隨塑性變形，初始條件的調整和預應力變化。都可以使用MIDAS / Civil軟件創建橋梁施工模型，對整個施工過程進行仿真計算，并進行結構安全檢查。在明確工程建設計劃的前提下，如何分析各工程建設環節的承載力特征和變形，以及完成的橋梁結構是橋梁工程建設的重中之重。在項目建設期間，有必要對波形鋼梁末端的現場應力進行詳細檢測。在載荷測試過程中，使用高精度且可靠的系統軟件對波形鋼梁端部進行應力測試。應變力測量點沿高度方向排列。多個測量點以長寬比排列，并根據評估結果驗證了設計概述的準確性[2]。

波形鋼梁端懸臂的安裝受設計方案的橫坡度，斜率，生產加工誤差以及混凝土懸臂澆筑全過程中施工桁架變形的影響，其線性精度控制難度系數較大。

其次，波形鋼腹板橋梁體外束有效索力影響。形鋼梁端部公路橋梁在公路橋梁主體外部受到合理的纜索力的損害。波紋鋼腹板PC桁架梁和剛性框架橋是體外束和體內束相結合的結構。由于梁端使用波紋鋼梁端，因此結構中沒有梁端梁，并且現澆板坯梁增加太多。可能會在基板上產生拉應力。進行身體外部束的檢測可以知道增加身體外部束的有效性[4]。

再次，波形鋼腹板橋梁頂底板混凝土收縮徐變的影響。與混凝土腹板連續剛構橋相比，波形鋼腹板連續剛構橋的優點突出。波形鋼腹板是一體結構，頂底板混凝土和波形鋼腹板徐變特性有別于傳統混凝土腹板，徐變作用下跨中撓度、應力和波形鋼腹板應力隨時間的變化均是控制的難點。

3.2 建模中主要施工方案與施工控制

模型中，主橋預制箱梁采用波形鋼梁端部預應力鋼筋混凝土箱形連續剛構，澆注底板混凝土；安裝頂板鋼筋，澆注頂板混凝土；主橋合攏分為現澆邊跨和合龍中跨兩個階段。主橋主梁邊跨采用固定支架澆鑄。首先，將混凝土澆注在平行線段上，預應力側跨過頂部和底部板束，最后將中跨封閉。必須準確測量施工現場，以控制所有施工質量。計算方法主要有無應力法，反向拆卸測量算法和正裝測量算法。

無應力狀態法：這是一種確定橋梁施工全過程的內在動力和線性的方法。它確定結構在施工過程中的無應力結構的長度，并且無應力折射率在整個施工過程中不會作為迭代更新標準發生變化進行計算。這種計算方法優勢在確保預制組件模塊具有一定長度和折射率而沒有原位應力的前提下，結構的最終內部功和偏移與結構的整個過程無關。這種方法的優點是可以合理地減少一些可變因素的危害，例如環境危害和臨時工程施工負荷，尤其是可以納入超大跨度橋梁的工程施工控制要求中[4]。該實驗模型采用正裝測量算法來闡明橋梁建造過程的理想化。正裝測量算法基于橋梁工程建設和安裝的順序，以及分階段子過程數值模擬結構具體生成的全過程，以確定各環節的內力狀態和線性。在進行結構設計之前，有必要制定詳細的工程施工圖，并按照工程施工的順序進行結構特征的設計；在結構分析之初，確定結構最初實際狀態；前一環節的結構偏差是該環節清晰的結構中心線。前一環節的結構耐久性是計算該環節施工時差和原料離散系統的基礎。對于混凝土收縮、徐變等時差效應在施工階段中逐漸錄入；本環節完成的時間結構承載力由該鏈節的載荷作用下的結構承載力與先前鏈節的結構應力之間的平衡確定。

3.3 計算數據分析

建模中主箱梁采用C60混凝土，主墩墩身采用C40混凝土，承臺采用C30混凝土，用MIDAS/Civil軟件建立空間模型，進行施工過程仿真計算、結構安全驗算。混凝土力學性能指標見表1。

表1 混凝土力學性能指標

預應力鋼絞線采用高強度低松弛預應力鋼絞線；鋼腹板采用Q355NHD鋼材；普通鋼筋采用HPB300級和HRB400級鋼筋；鋼筋力學性能指標表見表2。

表2 預應力鋼筋力學性能指標

在計算中，將永久性功能載荷分配為：第一階段靜載荷：混凝土的水灰比為26 kN / m3，不銹鋼板的密度為78.5 kN / m3；第二階段恒載：橋頭平板由10厘米瀝青混合料（24 kN）建造。 / m3），10 cm C40混凝土（26 kN / m3），則根據設計圖計算防護圍欄的凈重；集料的塑性變形效果：根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁和涵洞設計規范》，平均空氣濕度為70%；孔隙摩擦阻力指數μ被賦予0.17的值，并且管道誤差指數被取為0.0015。

可變效率負荷：選擇Ⅰ級道路效率布局，并根據“高速公路工程技術標準”（JTG B01-2014）進行關鍵性能指標，等級和降低指標。考慮到主橋的三車道負荷，根據《公路橋梁和涵洞設計通用規范》（JTG D60-2015）（以下簡稱通用標準）計算沖擊指數和制動系統力效率。

根據通用標準中的基本風速表分配，運行期間的風荷載為每100年一次24.5 m / s的基本風力。在施工過程中，每十年使用一次基本風力，Vsd = 18.5 m / s。

根據氣候材料，按照通用標準分配全橋結構管理系統的溫度和離散系統的溫差；考慮到10 cm橋頭的厚度，T1 = 14℃，T2 = 5.5℃，混凝土梁橫截面溫度差的影響符合通用標準。正溫度差的0.5倍。

對于支架結構，由于支架結構的移動而引起的縱向臨時施工荷載為1025.9kN；在閉合部分選擇了折疊支架，并且支架的承重為512.9kN。初始條件將連接墩簡單地由墩梁，主墩下的土以及主墩和承重梁之間的土支撐。為橋梁建造的整個過程創建一個有限元分析實體模型，如圖3所示：

圖3 大橋整體模型

主梁在懸臂澆筑過程中，每個梁段的線形、應力時刻發生著變化，但是對于懸臂澆筑階段，施工監控最關心的是懸臂端部的高程、端部的轉角及上下游高差，因為這些因素直接影響下一個梁段的安裝，關鍵施工階段主梁的位移。

施工過程中在主梁中跨合龍階段，豎向最大位移為-0.077 m；收縮徐變10年后，中跨豎向最大位移為-0.081m，與中跨合攏時位移接近；中跨合攏時，主梁砼頂板最大拉應力為0.08 MPa，主梁砼底板最大拉應力為1.61MPa；通車十年后主梁全部處于受壓狀態，主梁應力與中跨合攏時主梁應力變化不大。

根據設計方提供的橋面竣工線形，由橋面鋪裝完成時的施工預拱度與設計提供的經驗預拱度組合，計算波形鋼腹板制作預拱度。制造線形預拱度最大值在2#墩小樁號側的第18截面處，為220 mm[5]。

波形鋼腹板制作預拱度由施工階段的橋面竣工線形與設計一致所需的施工過程預拱度，與設計方按經驗公式計算的預拱度（含收縮徐變和1/2汽車活載的影響）兩部分構成。波形鋼腹板制造線形為設計高程+制作預拱度，全橋制作預拱度線形如圖7所示。

圖4 大橋主梁波鋼腹板制造線形預拱度