波形钢腹板桥梁顶底板异步施工控制探讨.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言波形钢腹板桥梁具有自重轻，耐久性好，施工效率高等优势，随着此类桥型的逐步应用，施工方法也日渐丰富和成熟。传统的混凝土桥梁施工方法对于波形钢腹板桥梁均适用，且施工中体现出更好的便利性。在传统施工工艺的基础上，错位异步施工法逐渐得到应用，该方法将原单一工作面扩展至3 个，可同时展开第 N-1 节段顶板混凝土、第 N 节段底板混凝土和第 N+1 节段波形钢腹板施工。本文以具体桥梁工程为例，对错位异步施工过程中波形钢腹板结构应力、挠度展开模拟分析，以指导工程实践。1 工程概况某桥梁主桥为跨径 85 m+9150 m+85 m 的波形钢腹板预应力混凝土桥梁，其北岸和南岸均为跨径40 m+70 m+40 m 的波形钢腹板连续箱梁桥。主桥和北岸、南岸跨堤桥均通过顶底板异步法施工，且主梁节段分成19段，0#和1#节段为中墩顶支架现浇段，216#节段为挂篮悬浇段，17#和18#节段为边跨与中跨合龙段和边跨支架现浇段。其中的0#块和1#块通过临时固结支架现浇；标准梁段则借助挂篮对称悬浇；边跨和中跨合龙段通过挂篮合龙。波形钢腹板以Q345qD钢材为主要材料，波长和波高分别为 1.6 m 和 0.22 m，水平面板设计宽度 0.44 m，水平折叠角为30.6；波形钢腹板通过T-PBL连接件和角钢分别连接混凝土顶板和底板，并通过焊钉形式和PBL键连接内衬混凝土和横隔板。为加快施工进度、提升施工效率，采用异步浇筑施工技术展开主桥上部结构施工。本文以南岸桥为例，展开波形钢腹板桥梁顶底板异步施工控制研究。2 有限元分析2.1 模型构建应用Midas/Civil有限元软件构建该波形钢腹板桥梁仿真模型，结合悬臂梁段构造形式及长度，按照梁段及截面变化划分单元，全桥共划分为535 710个单元和625 065个节点。通过空间梁单元展开单幅主梁模拟，并按照 07#块、边跨现浇、边跨与中跨合龙段等分组。混凝土通过3D实体单元模拟，上下翼缘板和波形钢腹板均通过2D板单元模拟，体内及体外预应力束则通过钢筋梁单元和1D桁架单元模拟；混凝土和上下翼缘板之间、波形钢腹板和内衬混凝土之间均耦合全部自由度1。结合异步施工工艺特点，将该波形钢腹板桥梁上部结构施工过程共划分成若干个施工节段，其中，各典型断面施工过程均分成三个阶段：一是挂篮前移、浇筑N-1顶板和N底板混凝土；二是养护N-1顶板和N底板、吊装下一节段波形钢腹板；三是张拉N-1节段预应力束。该箱梁桥墩顶采用混凝土截面，波形钢腹板截面为钢腹板、顶底板构成的组合梁截面，主梁顶底板均采用C55混凝土。因只能按照直腹板模拟联合截面内波形钢腹板，所以在定义材料时，必须借助转换系数实现腹板形式转换。通过有限元软件中的SPC功能将联合截面参数直接导入组合截面中进行联合截面定义，以得到单梁模型截面，以便真实模拟钢箱梁和混凝土结构的连接2。2.2 计算荷载在不考虑其对截面刚度贡献的基础上，将波形钢腹板箱梁桥横隔板和内衬混凝土等效为荷载计算。横隔板、内衬混凝土、挂篮重量、施工阶段混凝土湿重分别通过梁单元的集中荷载、均布荷载、集中力、集收稿日期：2022-12-1作者简介：喻立群（1986），男，工程师，从事于公路桥梁施工管理。波形钢腹板桥梁顶底板异步施工控制探讨喻立群（宜春市公路事业发展中心樟树分中心，江西 樟树 331200）摘要：为研究和探索波形钢腹板异步悬臂浇筑施工工艺，以某桥梁南岸桥为背景，应用Midas/Civil有限元软件，构建其波形钢腹板桥梁上部结构仿真模型，划分出施工阶段后展开异步施工过程中桥梁线形、应力及挠度的模拟分析，最终验证了施工工艺的可行性及结构受力的合理性。关键词：波形钢腹板；顶底板；异步施工中图分类号：U445.4文献标识码：B133总654期2023年第24期（8月 下）中弯矩等模拟。一期恒载由主梁、内衬混凝土、横隔板自重构成。其中按照实际断面计的主梁自重为25104kN/m；横隔板自重按照集中荷载计；内衬混凝土自重按均布荷载计。二期恒载则由桥面铺装、防撞护栏等构成，取75.9 kN/m。该桥梁采用公路-级荷载等级。横向分布系数根据车道数、偏载系数和车道折减系数计算，为保证计算结果科学合理，应按桥面所能容纳的最大车道数及相应的折减系数计算。冲击系数则根据公路桥涵通用设计规范（JTG D602015）取值和计算。2.3 预拱度计算根据经验值确定该波形钢腹板桥梁主梁成桥预拱度，中跨、边跨最大预拱分别在跨中位置、跨径3/8处按照 3.6 cm 和 0.875 cm 预抛，并结合余弦曲线进行拟合3。南岸桥波形钢腹板制造预拱度计算结果见表1。表1 南岸桥波形钢腹板制造预拱度桩号/m预拱度/m桩号/m预拱度/m862.05-0.001887.850.010864.200.001890.000.015866.350.003892.150.020868.500.005894.300.025870.650.006896.450.020872.800.007898.600.015874.950.006900.750.010877.100.004902.900.005879.250.001905.050.002881.400.000907.200.003883.550.002909.350.007885.700.005911.500.0043 施工过程控制施工控制监测项目包括主梁线性、温度场、结构应力、桥墩沉降等，通过对各施工阶段展开有限元仿真计算及误差分析，采取合理有效的主梁线性和应力控制措施，确保桥梁施工期间结构安全稳定以及主梁合龙后桥梁线性和应力符合设计要求。不同施工阶段施工监控目标不同，悬臂浇筑阶段应注重主梁线性控制，并以应力控制为辅；合龙阶段注重应力控制，以线形控制为辅，严格控制施工误差。3.1 线形控制进行主梁线形控制时，应以各节段立模标高确定为重点，根据预拱度理论控制计算值、挂篮变形和上个节段挠度实测值修正后得到立模标高。施工开始后，加强各梁段顶底板测点标高实测，并根据预拱度计算结果进行控制；同时测量箱梁轴线位置，严格控制合龙前悬臂端标高偏差，确保成桥后实际线形与目标线形的偏差不超出设计值。在主梁线形监测的过程中，应在各施工梁段顶底板两端对称设置监测点，并在顶板中线处设置 1个测点。以便在进行施工梁段竖向变形测量的同时，保证梁段扭转变形和中线线形满足设计。结合监测结果，当相邻梁段间轴线相对偏差超出梁段长度的0.2%，或轴线偏差超出10 mm时，必须及时采取纠偏措施。3.2 施工阶段应力控制3.2.1 混凝土应力大跨度波形钢腹板桥梁应力监测结果受施工荷载、预应力张拉损失、混凝土收缩徐变、温湿度等的影响较大，在仿真分析期间，模型误差和设计参数对设计应力也存在一定影响，引起应力实际值和设计值之间较大偏差。在实际应力监测时，应通过系统识别、误差处理，尽可能缩小应力实际值和设计值的偏差，以便准确反映混凝土结构真实应力状态。该波形钢腹板桥梁顶底板异步施工过程中，在每个监测断面布置8个测点，具体布设情况见图1。单位：cm图1 应力应变测点布置情况以箱梁根部截面、边跨1/2截面、边跨1/4截面和中跨1/4截面为典型截面，展开截面混凝土上缘和下缘正应力变化情况的仿真分析。根据结果可知，悬臂施工期间，混凝土上缘和下缘正应力均表现出明显的循环变化趋势。在第一个循环中，混凝土上缘和下缘压应力在预应力张拉施工后分别达到最大和最小；且随着混凝土浇筑和养护过程的进行，上缘和下缘压应力分别减小和增大。此外，悬臂结构自重效应随悬臂长度的增大而增强，并在14#和15#节段施工完成后，混凝土下缘压应力取值也超出上缘压应力。也就是说，在14#和15#节段施工开始前，必须重点关注预应力张拉后混凝土上缘压应力取值情况；施工结束后，则重点监测混凝土下缘压应力；而在12#和13#节段施工时，混凝土上缘应力曲线达到低谷，应力水平升高，必须加强监测。分析该波形钢腹板桥梁最大悬臂状态、体外预应力束张拉、中跨合龙束张拉等关键施工节段混凝土正应力沿纵桥向分布情况。经分析，在最大悬臂状态下，波形钢腹板桥梁混凝土结构下缘在中间墩两侧存在应134交通世界TRANSPOWORLD力集中现象，最大压应力达到11.78 MPa。6#节段混凝土上缘和下缘应力水平最大达到6.54 MPa和9.37 MPa。在完成中跨合龙张拉后，合龙段周围50 m以外截面混凝土应力分布基本均匀，表明施工期间预应力配束较为合理。在施加体外预应力束后，混凝土应力分布程度更加均匀。在以上三个关键施工节段，仅中支座处和边支座处混凝土上缘和下缘拉应力较小，其余截面混凝土均处于受压状态，最大压应力（16.84 MPa）出现在体外预应力束张拉完成后中跨合龙段下缘。综上，关键性施工阶段混凝土拉应力和压应力分别小于1.89 MPa 的设计抗拉强度和 24.5 MPa 的设计抗压强度，结构处于基本稳定状态。3.2.2 波形钢腹板应力通过对波形钢腹板施工过程中典型截面剪应力变化过程的模拟分析看出，在各施工阶段，钢腹板剪应力均沿竖向均布；在悬臂浇筑施工期间，钢腹板剪应力表现出增大趋势，但增幅减缓。各阶段混凝土浇筑后波形钢腹板剪应力大幅增加，此后随挂篮的前移，剪应力小幅递增。待完成预应力张拉施工后，剪应力基本趋于稳定，也说明预应力张拉施工对波形钢腹板剪应力无明显影响。以二期恒载和最大悬臂状态为典型施工阶段，进行钢腹板施工期间应力状况模拟分析。分析结果表明，最大悬臂状态下剪应力最大值及von Mises准则应力最大值分别取63.43 MPa和123.65 MPa；二期恒载施工阶段剪应力最大值及 von Mises 准则应力最大值分别取84.18 MPa和161.03 MPa，以上应力均集中于内衬混凝土末端钢腹板处，存在应力集中现象。同时，全桥钢腹板结构剪应力均不超出50 MPa，比155 MPa的钢材设计抗剪强度值低；全桥钢腹板结构von Mises准则应力值不超出130 MPa，远低于钢材屈服强度。从结构整体受力情况来看，设置内衬混凝土的节段因混凝土材料已经和钢板形成共同受力的组合腹板结构，故波形钢腹板整体处于较低应力水平；而纯钢腹板节段，跨中及边支座处应力水平较低，中支座处应力水平有所升高。综合以上分析，在该桥梁施工过程中，钢腹板应力状态基本稳定，无需将其应力状态作为监测重点。3.3 施工阶段挠度控制悬臂施工过程中，随着悬臂长度的增大，各截面总体挠度随之大幅增加。各节段预应力张拉施工结束后，梁体均表现出不同程度的上拱，但上拱幅度呈递减趋势；随着混凝土浇筑施工的完成，截面出现大幅度下挠。以上模拟结果变化趋势详见图2。引起以上变化趋势的原因主要在于后续施工梁体的结构自重远大于预应力效应。随着中跨合龙及体外预应力束张拉施工的进行，相应截面又表现出上拱的态势，上拱值最大达到8.7 mm。总之，在该波形钢腹板桥梁施工期间，梁体挠度变化复杂，必须作为重点监控对象。图2 典型截面挠度变化此外，通过对最大悬臂状态下钢腹板桥不同施工节段主梁挠度变化趋势的分析看出，主梁节段均表现为下挠趋势，-49.8 mm 的最大挠度出现在 14#节段前部。在具体施工时，必须结合预拱度计算结果和挠度实测结果调整梁段立模标高，以有效控制钢腹板桥梁线形。4 结束语通过以上对该桥梁南岸桥波形钢腹板梁顶底板异步施工阶段应力的仿真分析结果表明，该南岸桥线形和应力分布均处于可控状态，也说明了错位异步施工工艺在此类桥梁施工中的适用性。为达到钢腹板、顶板和底板平行施工，缩短工期，在波形钢腹板桥梁顶底板异步施工过程中，挂篮以钢腹板为承重结构，这一点与普通混凝土箱梁桥不同。通过施工监控，掌握波形钢腹板桥梁顶底板错位异步施工中结构自重效应及预应力效应作用下，应力和挠度变化的趋势规律，为工程施工提供可靠依据。参考文献：1 冯晓楠，张建东，金光雷，等.波形钢腹板PC连续梁桥异步施工临时横撑设计研究J.世界桥梁，2020，48（4）：16-20.2 岳宏智，牛传同，曹洪亮，等.波形钢腹板PC组合箱梁桥异步施工全过程分析J.公路，2020，65（5）：129-134.3 邓文琴，刘朵，冯杰，等.波形钢腹板箱梁桥异步施工节段足尺模型试验研究J.桥梁建设，2019，49（1）：53-58.135