波形鋼腹板PC組合箱梁橋異步施工法腹板受力性能研究

黃海珊 林本虎 陳蜀靜

摘要：文章以某高速公路波形鋼腹板PC組合箱梁橋為工程背景，運用數值模擬軟件ANSYS，分別建立橋梁根部附近和跨中合龍段附近施工階段的局部數值模型，研究異步澆筑施工的波形鋼腹板PC組合箱梁橋腹板的受力性能。結果表明：采用異步澆筑施工的波形鋼腹板PC組合箱梁橋根部附近腹板最大應力為155MPa，跨中合龍段附近腹板最大應力為167MPa，位置均出現在腹板上翼緣板。

關鍵詞：波形鋼腹板；組合箱梁；有限元法；應力

中圖分類號：U448.21+3A220724

0引言

波形鋼腹板PC組合箱梁橋因采用輕型鋼結構代替厚重的混凝土，使其具有自重輕、受力合理、能充分發揮組合材料各自性能等特點，被廣泛應用于公路橋梁中。當前，對于波形鋼腹板PC組合箱梁研究成果包括結構屈曲強度［1］、抗彎性能［2-3］、模型抗剪性能［4］、動力特性［5-6］等方面，這些研究成果對于該類橋梁的推廣具有積極的促進作用。但對于實橋施工過程中的受力研究則涉及較少，特別是對于波形鋼腹板的受力性能研究更是鮮有報道。本文以實橋為實施對象，采用數值模擬的分析方法，對波形鋼腹板PC組合箱梁橋采用異步法施工過程中腹板的受力性能進行分析，研究成果可為類似組合橋梁的施工提供參考。

1工程概況

某高速公路大橋為波形鋼腹板PC組合箱梁橋，跨徑組合為（72+130+72）m，橫截面形式為單箱單室，單幅箱梁頂板、底板寬分別為12 m、7 m；梁底從根部到跨中采取1.8次拋物線的變化形式；跨中位置梁高3.5 m，底板厚度0.3 m，根部位置梁高7.5 m，底板厚度1.1 m。橋梁縱向布置形式見圖1。橋梁腹板材質為Q355NHC，單波長度為1.6 m，波形高度為0.22 m，鋼板的厚度由跨中至根部14～24 mm依次變化。鋼腹板的構造詳見圖2和圖3。

2施工工藝與結構有限元模型

2.1異步澆筑施工工藝

波形鋼腹板PC組合箱梁橋異步澆筑施工工藝步驟是將相同節段頂、底板混凝土分開澆筑，把掛籃安裝于第n節段，同時澆筑第n-1節段頂板混凝土和第n節段底板混凝土，并同步安裝第n+1節段波形鋼腹板，作業面由傳統掛籃施工法的單個工作面增加到n-1、n、n+1三個工作面，大大提高了施工效率［7］。

2.2結構有限元模型某高速公路波形鋼腹板PC組合箱梁橋共分為13塊懸臂澆筑節段，在進行結構腹板受力分析時，選取根部1#節段頂板、2#節段底板澆筑完成與3#節段鋼腹板安裝完成的施工工況和跨中合龍段附近9#梁段施工至11#梁段澆筑頂板施工工況，分別建立局部數值仿真模型（詳見圖4和圖5）。根部附近數值模型共分2 897節點、4 535個單元；跨中合龍段附近模型共分2 536節點，4 189個單元。建模時，主梁頂、底板混凝土材料采用C55，主墩為C40。數值模型中混凝土統一使用四面體實體單元solid92模擬；波形鋼腹板則使用板殼單元shell63模擬；為簡化計算，結構預應力采用等效的方法進行模擬；鋼腹板的上翼緣板與頂板的結合部位采用剪力釘（combin14彈簧單元）進行模擬，避免端頭結合位置發生應力集中現象。

3結果分析

3.1根部附近腹板受力分析

對根部附近施工工況進行建模分析時，根部端部及主墩底部固結，并在波形腹板前端設置兩道臨時橫撐，第一道橫撐與鋼腹板端頭相距0.8 m，第二道橫撐與前一道相距3.2 m。計算時，模型中該工況荷載選取已澆筑完成的混凝土和已安裝完成的波形鋼腹板自重、掛籃支點反力進行組合，由此可計算得出掛籃前支點反力大小為62.5 kN，中支點單點反力大小為293.25 kN，后支點單點反力大小為230.75 kN。該模擬工況下，根部附近波形鋼腹板在各種荷載下各部位的應力云圖詳見圖6～10。

由圖6～10可知，采用異步法施工完成1#梁段頂板、2#梁段底板混凝土澆筑與3#梁段鋼腹板安裝后，波形鋼腹板最大豎向剪應力僅為37.4MPa，遠小于設計規定值170MPa；腹板最大順橋向正應力僅為80.8MPa，亦小于設計規定值295MPa；波形鋼腹板上翼緣板順橋向與底部鋼板順橋向最大正應力分別為155MPa和-79MPa，也低于鋼結構設計允許應力值；整個鋼構件von-mises應力最大值僅為136MPa。由此可見，該階段鋼腹板最大應力出現在上翼緣鋼板，位于1#節段和2#節段鋼腹板結合部附近；同時由以上分析結果得出，對于采用異步施工法施工的波形鋼腹板PC組合梁橋，上翼緣鋼板的受力十分關鍵，應采取措施進行加強；其余各類型應力除在局部發生少許應力集中外，大部分部位應力分布較為合理。

3.2合龍段附近腹板受力分析

對跨中合龍段附近施工工況進行建模時，主梁頂底板混凝土采用C55，9#梁段端部邊界條件采用固結的形式模擬。計算時，模型中該工況荷載選取已澆筑完成的混凝土與已安裝完成的波形鋼腹板自重、掛籃支點反力等進行組合，由此可計算得出掛籃前支點反力為150.5 kN，中支點單點反力為381.3 kN，后支點單點反力為230.75 kN。

根據施工需要，設置了兩道臨時橫撐構造，第一道橫撐與鋼腹板端頭相距0.8 m，第二道橫撐與前一道相距3.2 m。跨中合龍段附近鋼腹板在各種荷載作用下各部位的應力云圖詳見圖11～15。

由圖11～15可知，采用異步法施工完成9#梁段頂板、10#梁段底板混凝土澆筑與11#梁段鋼腹板安裝后，波形鋼腹板最大豎向剪應力僅為33.7MPa，遠小于設計規定值170MPa；腹板最大順橋向正應力為114MPa，亦小于設計規定值295MPa；波形鋼腹板上翼緣板順橋向與底部鋼板順橋向最大正應力分別為167MPa和-76.9MPa，也低于鋼結構設計允許應力值；整個鋼構件von-mises應力最大值為180MPa，位于第二道橫撐和波形鋼腹板的連接處。由此可見，該階段鋼腹板最大應力出現在上翼緣鋼板，位于9#節段與10#節段鋼腹板結合部附近；同時，由以上分析結果得出，對于采用異步施工法施工的波形鋼腹板PC組合梁橋，上翼緣鋼板的受力較為重要。另外，鋼構件von-mises應力最大值出現在橫撐和波形鋼腹板的連接處，說明鋼腹板與臨時橫撐的連接亦應受到重視，應采取措施進行加強。

4結語

通過對采用異步澆筑法施工的某高速公路波形鋼腹板PC組合箱梁橋腹板進行局部受力分析，可得出以下結論：

（1）通過局部模型分析，根部至3#梁段波形鋼腹板施工工況下最大應力出現在上翼緣鋼板，應力值達155MPa，表明上翼緣鋼板的受力十分關鍵；其余各類型應力除在局部發生少許應力集中外，大部分部位應力分布比較合理。

（2）在完成9#梁段頂板、10#梁段底板混凝土澆筑與11#梁段鋼腹板安裝后，波形鋼腹板最大應力亦出現在上翼緣鋼板，應力值達167MPa；鋼構件von-mises應力最大值出現在橫撐和波形鋼腹板的連接位置，說明鋼腹板與臨時橫撐的連接亦應受到重視，應采取措施進行加強。

（3）采用異步法施工的波形鋼腹板PC組合箱梁橋，除關注主梁混凝土結構最大應力、腹板剪應力外，腹板上翼緣板的順橋向應力亦應成為關注的重點，施工過程中需對該結構的應力進行監測。

參考文獻

［1］ Luo R，Edlund B.Shear capacity of plate girders with trapezoidally corrugated webs［J］.Thin-Walled Structures，1996，26（1）：19-44.

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［3］鄭博文.裝配式波形鋼腹板組合箱梁抗彎性能試驗研究［D］.石家莊：石家莊鐵道大學，2021.

［4］聶建國，朱力，唐亮.波形鋼腹板的抗剪強度［J］.土木工程學報，2013，46（6）：97-109.

［5］冀偉，劉世忠，藺鵬臻.波形鋼腹板連續箱梁的動力特性［J］.公路交通科技，2011，28（11）：55-60.

［6］韋忠瑄，孫鷹.波形鋼腹板PC組合箱梁的動力特性研究［J］.固體力學學報，2011，32（S1）：394-398.

［7］王達，黃海珊，曹政，等.波形鋼腹板PC組合箱梁橋新型異步施工受力性能研究［J］.公路交通科技，2016，33（8）：58-64.

作者簡介：黃海珊（1990—），碩士，工程師，研究方向：橋梁檢測與施工控制。