架橋機(jī)剛度對節(jié)段膠拼簡支梁橋受力影響分析

趙成龍

(中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 引言

簡支橋梁節(jié)段膠拼施工工藝具有施工速度快、節(jié)段梁體制作質(zhì)量易控制、節(jié)段重量輕、施工過程減少噪聲和灰塵等優(yōu)點(diǎn)[1－2]，廣泛應(yīng)用于城市橋梁施工中[3]，對此國內(nèi)外諸多學(xué)者對該種施工技術(shù)做了大量可靠性和創(chuàng)新性研究[4－5]。

張雷以節(jié)段預(yù)制膠拼40＋56＋40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃岢龉?jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施、結(jié)構(gòu)檢算技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、拼裝工藝要求[6]。楊繼光對節(jié)段預(yù)制膠拼主梁構(gòu)造、強(qiáng)度、剛度等提出了總體設(shè)計(jì)方法，針對剪力鍵、臨時(shí)預(yù)應(yīng)力、墩梁錨固等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展了探索研究[7]。李偉超采用有限元軟件ABAQUS對試驗(yàn)簡支梁進(jìn)行數(shù)值模擬，對接縫截面附近混凝土的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析[8]，并提出確保膠拼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的相關(guān)建議。閆澤宇研究了節(jié)段預(yù)制拼裝UHPC梁膠接縫受力行為，提出UHPC單鍵齒膠接縫抗剪承載力遠(yuǎn)高于相同截面尺寸平接膠接縫的抗剪承載力[9]。而針對節(jié)段膠拼簡支梁施工過程中受力性能的相關(guān)研究鮮有報(bào)道，施工過程中架橋機(jī)和主梁通過吊桿連接，架橋機(jī)和主梁為組合結(jié)構(gòu)，吊裝過程中架橋機(jī)對梁段起支撐作用，張拉過程中，梁體上緣的壓應(yīng)力較小，由于架橋機(jī)所恢復(fù)的變形值遠(yuǎn)小于吊梁階段的變形值，故預(yù)應(yīng)力張拉過程中吊桿對梁體存在向上的拉力，可能使梁體上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，若梁體上緣開裂，對膠縫和梁體耐久性會產(chǎn)生不可逆的影響。拉應(yīng)力與架橋機(jī)的剛度有直接關(guān)系，不同的架橋機(jī)剛度影響預(yù)應(yīng)力張拉過程中的架橋機(jī)上拱值和吊桿的殘余張力，因此針對不同的架橋機(jī)剛度需要在拆吊桿前張拉相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力值。本文以48 m節(jié)段膠拼簡支梁橋施工為工程背景，分析架橋機(jī)剛度對節(jié)段膠拼簡支梁預(yù)應(yīng)力張拉量的影響，并對吊桿拆除前預(yù)應(yīng)力張拉量的確定方法展開研究。

2 工程概況

鹽通鐵路通張段工程長江大橋南引橋緊鄰長江且墩高在50 m以上，大風(fēng)等惡劣條件較多，無法采用支架法施工，且在墩高較高的情況下如采用32 m簡支梁，由于架設(shè)設(shè)備和結(jié)構(gòu)跨度等因素并不經(jīng)濟(jì)，故采用48 m節(jié)段預(yù)制膠接架橋機(jī)拼裝簡支箱梁[10]。

梁體為單箱單室等高預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，梁體采用C60混凝土，梁頂寬12.2 m、底寬6.2 m，梁高為4.0 m。跨中截面頂板厚0.32 m、底板厚0.35 m，腹板厚0.5 m；支點(diǎn)附近頂板厚0.406 m、底板厚0.687 m，腹板厚0.769 m。簡支梁結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示[11]。箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用15-7?5鋼絞線，橫截面布置如圖3所示。設(shè)計(jì)張拉順序?yàn)镹4-N7-N3-N8-N5-N6-N2-N1。

圖1 48 m簡支梁立面(單位:mm)

圖2 跨中/支點(diǎn)橫截面(單位:mm)

圖3 預(yù)應(yīng)力束布置

箱梁節(jié)段選用長線短線結(jié)合匹配法進(jìn)行預(yù)制，采用架橋機(jī)吊裝各梁段并精準(zhǔn)定位后進(jìn)行涂膠。涂膠后張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力確保截面上有0.30～0.60 MPa的壓應(yīng)力，然后張拉永久預(yù)應(yīng)力、灌漿錨固后拆除架橋機(jī)。48 m簡支梁采用TJ1600型架梁機(jī)節(jié)段拼裝施工。由于橋墩較高、風(fēng)荷載較大，架橋機(jī)主梁采用桁架結(jié)構(gòu)，以減少風(fēng)荷載的影響。架橋機(jī)主要由主框架、1～4號支腿、1臺主天車、1臺輔助天車、吊掛、附屬結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等部分組成[12]。架橋機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖4所示。

圖4 架橋機(jī)結(jié)構(gòu)(單位:mm)

3 有限元分析模型

綜合考慮架橋機(jī)、吊桿、梁體共同作用建立簡支梁膠拼施工全過程仿真分析有限元模型。架橋機(jī)桿件和節(jié)段膠拼簡支梁采用空間梁單元模擬，吊桿采用空間桁架單元模擬，膠縫采用長度較小的梁單元模擬，膠縫單元在涂膠階段激活。有限元模型包含1 071個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 490個(gè)單元。整體模型按照現(xiàn)場施工順序分為架橋機(jī)拼裝、吊裝梁段、涂膠、按設(shè)計(jì)順序逐束張拉鋼束、拆除吊桿、拆除架橋機(jī)等施工階段，整體有限元模型如圖5所示。

圖5 48 m簡支梁＋架橋機(jī)整體有限元模型

在架橋機(jī)剛度不同條件下，張拉過程中吊桿作用在梁體上的力也不同，故對架橋機(jī)剛度進(jìn)行調(diào)整，分析架橋機(jī)剛度對節(jié)段膠拼簡支梁預(yù)應(yīng)力鋼束逐束張拉過程中梁體受力影響，剛度分別取現(xiàn)場架橋機(jī)剛度的10%、20%、30%…100%、200%、300%…1 000%。

4 分析結(jié)果

由于風(fēng)荷載引起的動力作用可能會在膠縫處引起拉應(yīng)力，故張拉過程中其控制條件為膠縫處壓應(yīng)力不得小于0.5 MPa；考慮到臨時(shí)預(yù)應(yīng)力在永久預(yù)應(yīng)力張拉后拆除，故張拉過程中不得出現(xiàn)拉應(yīng)力，且梁體下緣的壓應(yīng)力小于20 MPa。

為表達(dá)更清晰，分別列出架橋機(jī)剛度折減和剛度增加兩種情況下的梁體上緣應(yīng)力，如圖6所示(應(yīng)力以受拉為正、受壓為負(fù)；剛度比為架橋機(jī)計(jì)算剛度/實(shí)際剛度)。

圖6 梁體上緣應(yīng)力

梁體下緣應(yīng)力如圖7所示。

圖7 梁體下緣應(yīng)力

可以看出:

(1)隨著架橋機(jī)剛度增加，在張拉同一鋼束的情況下，梁體上緣壓應(yīng)力逐漸增加，在剛度比較小時(shí)變化趨勢較大，剛度比大于4倍以上時(shí)，變化趨于平緩。

(2)架橋機(jī)剛度較小時(shí)，上緣應(yīng)力部分出現(xiàn)拉應(yīng)力，在現(xiàn)場實(shí)際架橋機(jī)60%剛度以上情況下，梁體上緣基本處于受壓狀態(tài)。

(3)在剛度比小于70%的情況下，張拉N1鋼束時(shí)，上緣壓應(yīng)力減小；在剛度比大于100%之后，梁體上緣壓應(yīng)力隨著鋼束張拉數(shù)量的增加而增大。

(4)在剛度比小于70%的情況下，張拉N1鋼束時(shí)梁體下緣壓應(yīng)力大于20 MPa，90%剛度比時(shí)的下緣壓應(yīng)力為19.1 MPa；考慮臨時(shí)預(yù)應(yīng)力的作用，也同樣接近20 MPa限值。故架橋機(jī)剛度降低對梁體下緣應(yīng)力影響較大。

(5)現(xiàn)場實(shí)際采用的架橋機(jī)梁體上緣未出現(xiàn)拉應(yīng)力且下緣壓應(yīng)力小于20 MPa，既經(jīng)濟(jì)又保證了結(jié)構(gòu)承載力，說明架橋機(jī)設(shè)計(jì)合理。

綜上，在架橋機(jī)懸吊梁體張拉預(yù)應(yīng)力階段，為避免梁體截面上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力而導(dǎo)致梁體、膠縫開裂及下緣壓應(yīng)力超限，可適當(dāng)增加架橋機(jī)剛度。

5 拆吊桿前鋼束張拉量確定方法

張拉過程中采用兩種方案控制預(yù)應(yīng)力張拉量和梁體應(yīng)力。

5.1 實(shí)時(shí)放松吊桿方案

張拉過程中采用位移控制，建立僅考慮施工階段的模型，分析跨中在自重和預(yù)應(yīng)力共同作用下的位移為＋28.3 mm，故張拉過程中按照張拉鋼束數(shù)量分批控制梁體上拱值，張拉鋼束數(shù)量按總數(shù)的20%、40%、…100%進(jìn)行控制，對應(yīng)的梁體上拱控制值按張拉鋼束百分比取值。在張拉過程中分批次對梁體標(biāo)高測點(diǎn)進(jìn)行控制性測量，若超過該分級上拱限值時(shí)需實(shí)時(shí)放松吊桿，放松量為實(shí)測變形值－本級控制值。

5.2 一次性拆除吊桿方案

本方案需要基于精確的有限元計(jì)算，鑒于建立架橋機(jī)和箱梁的組合模型較為繁瑣，故建立兩種簡化的有限元模型進(jìn)行分析。

(1)模型一:自重由架橋機(jī)承擔(dān)。該模型不考慮梁體結(jié)構(gòu)自重，梁體自重全部由架橋機(jī)承擔(dān)，不考慮張拉預(yù)應(yīng)力過程中梁體上拱對架橋機(jī)產(chǎn)生的卸載作用。在預(yù)應(yīng)力作用下，主要控制梁體上緣應(yīng)力，在考慮預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的上拱造成架橋機(jī)卸載部分自重由梁體承擔(dān)后，梁體上緣實(shí)際壓應(yīng)力將大于計(jì)算值。由于未考慮自重作用，混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力的限值可適當(dāng)放寬，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，施工過程中混凝土最大拉應(yīng)力不得超過0.7fct，可保證梁體上緣不開裂。

(2)模型二:自重完全由預(yù)應(yīng)力承擔(dān)。該模型不考慮架橋機(jī)作用，按設(shè)計(jì)順序張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，分析各張拉階段梁體下緣應(yīng)力。在拆除吊桿之前，梁體下緣不得出現(xiàn)拉應(yīng)力且需有一定的壓應(yīng)力儲備。

對比實(shí)時(shí)放松吊桿方案和一次性拆除吊桿方案，前者較適合節(jié)段膠拼簡支梁橋的預(yù)應(yīng)力張拉過程控制，但放松吊桿需按從跨中到支點(diǎn)以拋物線的分布形式進(jìn)行。分級較多的情況下，現(xiàn)場工作量較大，施工工藝相對復(fù)雜。一次性拆除吊桿方案在進(jìn)行有限元分析時(shí)工作量相對較大，但施工過程相對簡單，放松吊桿時(shí)也可留有余地，不完全拆除吊桿可為施工過程提供安全保障。

本橋按照一次性拆除吊桿方案進(jìn)行施工，表1為兩種模型下各張拉階段應(yīng)力狀態(tài)。

表1 兩種模型張拉階段梁體應(yīng)力分析結(jié)果 MPa

由表1可知，模型一在張拉至N6鋼束之前梁體上緣拉應(yīng)力變化不大，均小于1.0 MPa，且實(shí)際張拉過程中自重會逐漸施加于結(jié)構(gòu)之上，所以實(shí)際結(jié)構(gòu)中不會出現(xiàn)模型一中的拉應(yīng)力。模型二在張拉到N8后下緣才有一定的壓應(yīng)力儲備。故實(shí)際施工時(shí)可選擇張拉完成N8、N5或N6后拆除吊桿三個(gè)方案，考慮到張拉到N6后上緣應(yīng)力變化不大，且結(jié)構(gòu)有較大承載力，故可選擇N6張拉完成后拆除吊桿。

6 結(jié)論

本文對48 m節(jié)段膠拼簡支梁橋預(yù)應(yīng)力張拉過程中的梁體應(yīng)力進(jìn)行研究，分析架橋機(jī)剛度對張拉過程中梁體上下緣應(yīng)力的影響。根據(jù)分析結(jié)果，得出結(jié)論如下:

(1)架橋機(jī)剛度對張拉過程中的梁體應(yīng)力有一定影響，在架橋機(jī)剛度較小的情況下，梁體上緣出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，下緣出現(xiàn)了較大的壓應(yīng)力。建議適當(dāng)增加架橋機(jī)剛度以提高節(jié)段膠拼簡支梁施工質(zhì)量，確保膠縫強(qiáng)度。

(2)本橋節(jié)段拼裝過程中采用的架橋機(jī)結(jié)構(gòu)合理，剛度適宜，從分析結(jié)果看，本橋在拼裝過程中梁體上緣一直處于受壓狀態(tài)且下緣壓應(yīng)力未超限值。

(3)提出實(shí)時(shí)放松吊桿和一次性拆除吊桿方案，并針對一次性拆除吊桿方案提出兩種分析模型來保證節(jié)段拼裝過程中的梁體上下緣應(yīng)力不超過規(guī)范限值。

(4)研究一次性拆除吊桿方案預(yù)應(yīng)力張拉過程中兩種模型梁體應(yīng)力變化規(guī)律，并對比分析拆除吊桿前的預(yù)應(yīng)力張拉量確定方法，避免了梁體及膠接縫開裂，可為后續(xù)節(jié)段膠拼簡支梁橋設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。