波形钢腹板自承重组合刚构桥施工过程分析.pdf

施工技术（中英文）年 月下第 卷 第 期：波形钢腹板自承重组合刚构桥施工过程分析蔡昊初，王思豪，魏 俊，刘玉擎（同济大学土木工程学院，上海；浙江交通职业技术学院，浙江 杭州）摘要 为了提高波形钢腹板组合梁桥建设的安全性及经济性，腹板自承重的悬臂浇筑逐步发展为该桥型特有的施工方法之一。针对波形钢腹板自承重施工方法，以跨径 的葛溪大桥左线 号桥为背景，基于有限元分析获得了施工过程中各施工段的构件受力特点及腹板稳定性，根据分析结果在实桥受力关键部位布置测点，进行施工过程现场测试，验证了施工方法的适用性，并提出了相应的优化措施。研究结果表明：波形钢腹板自承重悬臂施工过程中，施工主体结构安全，应力分布合理；钢混过渡截面为钢及混凝土构件的受力关键位置，施工时应分别采取措施给予加强；临时横撑的布置可有效避免波形钢腹板发生整体倾覆，且为了提高安全系数，横撑应尽量靠近上、下翼缘板布置。关键词 桥梁工程；组合刚构桥；波形钢腹板；自承重；施工技术；测试；有限元分析中图分类号 文献标识码 文章编号（），（，；，）：，：；浙江省交通运输厅科技项目（）作者简介 蔡昊初，博士研究生，：通信作者 刘玉擎，教授，博士生导师，：收稿日期 引言 波形钢腹板组合桥具有自重小、避免腹板开裂及预应力施加效率高等优点，近年来在国内得到大量工程应用。随着建设数量的增多，腹板自承重的悬臂浇筑法因其可以充分发挥钢腹板的承载力、提升桥梁建设经济性而开始受到关注。因施工过程中结构的受力性能受工法的影响较大，腹板自 蔡昊初等：波形钢腹板自承重组合刚构桥施工过程分析 承重施工方法的应用直接关系到组合结构的受力。为此，需针对波形钢腹板自承重施工过程进行力学分析，为该工法的合理应用提供技术支撑。现有研究大多采用有限元模拟的方法进行施工过程分析。等通过有限元计算对比分析传统悬浇与异步浇筑 种施工方法，结果表明异步浇筑由于挂篮直接作用在波形钢腹板上，会增加腹板的剪应力及变形。姚红兵等采用工况叠加法对前 个节段进行施工模拟，计算分析了主要构件的受力情况及结构稳定性。岳宏智等基于有限元法进行施工全过程模拟，结果表明异步施工过程中结构应力均处于安全范围内。可见，既有研究成果主要基于施工过程的数值模拟，验算结果缺乏现场实测数据的支撑。本研究以跨径 的葛溪大桥左线 号桥为依托工程，结合数值模拟与实桥测试的方法，对腹板自承重施工过程进行受力分析。建立施工至最大悬臂状态有限元模型，研究各施工段的构件应力状态及腹板稳定性，基于构件受力特点进行实桥测试，验证腹板自承重悬臂浇筑施工方法的适用性；考虑施工过程中可能产生的不利情况，提出相应的优化建议，并进行合理布置分析，为后续的相关研究及推广应用提供有益借鉴。波形钢腹板自承重施工工法 工艺流程 传统悬臂浇筑法为了避免顶、底板混凝土浇筑相互干扰，常采用先后浇筑的施工流程，工期较长。波形钢腹板自承重施工将工作面扩展到 个，即（）节段顶板、节段底板的混凝土浇筑和（）节段波形钢腹板的安装同步进行，可大幅度缩短工期，提高经济效益。波形钢腹板自承重施工流程如图 所示，主要施工步骤为：挂篮移动到 节段，支模并绑扎 节段底板钢筋和（）节段顶板钢筋；同时浇筑 节段底板和（）节段顶板混凝土，等待混凝土养护并安装（）节段波形钢腹板；待混凝土强度达到设计要求后，张拉（）节段顶板预应力束，使挂篮行走至（）节段，进入下一循环。工法特点 相较于采用悬臂浇筑施工的挂篮，波形钢腹板自承重施工挂篮大多采用简支体系的钢桁架吊篮形式，无须设置复杂的挂篮锚固装置，施工荷载通过挂篮立柱直接作用在腹板上方的翼缘板上。由于支撑体系的不同，挂篮的行走机制也发生转变。如图 所示，可利用上翼缘板和开孔板形成图 波形钢腹板自承重施工流程 的凹槽作为行走轨道，液压千斤顶作为动力装置，千斤顶前端与立柱相连，后端通过销轴与开孔板孔洞连接，以开孔作为反力点顶推前进。图 现场挂篮移动装置 当（）节段顶板、节段底板混凝土同时浇筑，施工荷载较传统悬臂浇筑法大幅度增加。波形钢腹板作为主要传力构件，在施工过程中腹板自身的受力特点及各传力部位的受力状态有待进一步探究。施工节段数值模拟 工程概况 葛溪大桥左线 号桥位于浙江省温州市泰顺县境内，是浙闽界公路控制性工程之一。该桥的总体布置和典型断面如图，所示，上部结构采用波形钢腹板组合箱梁连续刚构，跨径布置为。主梁为分幅式单箱单室截面，每幅箱梁顶板宽 、底板宽 。梁高和底板厚度均以二次抛物线形式由跨中向根部变化，跨中梁高，根部梁高 。主桥腹板波长 ，波高 ，跨中至中墩墩顶厚度依次为，。波形钢腹板与顶板通过双开孔板连接，与底板通过埋入式角钢连接。有限元模型 采用有限元软件 建立施工至最大悬臂状态的有限元模型，如图 所示。顶底板、横梁、内衬混凝土均采用 单元，波形钢腹板及体内 施工技术（中英文）第 卷图 桥梁总体布置（单位：）（：）图 箱梁典型断面（单位：）（：）预应力束分别采用 及 单元模拟，开孔板连接件采用 三向弹簧单元模拟。通过单元尺寸敏感性分析，并考虑计算效率，混凝土构件单元尺寸 ，钢构件单元尺寸 ，预应力束单元尺寸 。除了在顶板和上翼缘板间建立接触关系外，其余构件间均采用结点单元耦合。图 有限元模型 通过约束中横梁端面结点全部自由度模拟固定端，约束中横梁底面结点的 个方向位移自由度模拟主梁与桥墩的刚接。顶底板、横梁和内衬的混凝土强度等级均为，波形钢腹板采用 钢，材料特性根据 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范和 低合金高强度结构钢进行取值。计算荷载包括挂篮自重、现浇混凝土湿重及预应力荷载，施工荷载通过挂篮前、后支点等效作用于上翼缘板处。对于最大悬臂状态，挂篮支撑在 号节段，前、后支点的等效集中荷载分别为 ，。预应力荷载通过等效降温法进行模拟。建模中采用改变材料属性、最后工况叠加的方法模拟节段施工过程，考虑构件应力累积，其具体过程如下：建立全部节段有限元模型，将所有未浇节段材料密度、弹性模量均设为；将待浇节段的等效集中力施加于挂篮支点处，模拟混凝土的现场浇筑；恢复中现浇节段材料的弹性模量及密度，将集中力等值反向加载，模拟挂篮前移；保持已浇节段弹性模量，密度设为 以避免重力重复作用，施加下一待浇节段等效集中力；循环 步，最后对各荷载步计算结果进行叠加，得到各工况应力状态。主要构件受力分析 施工过程主梁变形 施工至最大悬臂状态时主梁的竖向挠度如图 所示，挂篮所在 号节段变形最大，为 ，越靠近 悬 臂 根 部 变 形 越 小。最 大 挠 度 满 足 规 范（为悬臂长度）的限值要求。图 主梁竖向挠度 混凝土构件应力 施工至最大悬臂状态时腹板位置相应混凝土顶、底板的纵向应力包络图如图 所示。顶板大部分区域均处于受压状态，节段预应力锚固区存在应力集中。由于施工荷载通过腹板与顶板的连接件传递至顶板，在钢混过渡位置出现拉应力，施工中应采取措施防止端部混凝土开裂。底板压应力由悬臂自由端向根部逐渐增大，并且由于施工荷载通过下翼缘板与底板的接触承压点传递至底板，导致底板的悬臂前端存在压应力峰值，但均不超过混凝土抗压强度设计值 。钢构件应力 翼缘板的纵向应力包络图如图 所示，应力峰值均出现在节段分界处，过渡截面钢与混凝土的应变差较大，使其成为翼缘板受力的关键部位。上翼缘板最大拉应力为 ，具有足够的安全储备；下翼缘板最大压应力为，满足设计强度要求，然而施工中还要注意受压局部失稳问题。挂篮前、后支点及顶、底板悬臂端部 个受力不利截面的腹板 应力包络图如图 所示。挂篮荷载的集中作用导致前、后支点位置腹板上缘存在较大应力，局部应力可达。在顶、底板悬臂端部截面，腹板上、下缘的局部应力接近，这与波形钢腹板剪切变形受到混凝土板的约束有关。蔡昊初等：波形钢腹板自承重组合刚构桥施工过程分析 图 顶、底板纵向应力 图 翼缘板纵向应力 应指出，上述应力均满足腹板强度设计要求，但由于局部效应的存在，施工过程中仍须关注腹板边缘的稳定性问题。图 波形钢腹板 应力 施工结构稳定性 对于钢构件而言，为防止结构在达到屈服强度前率先发生失稳破坏，针对最大悬臂工况进行弹性屈曲稳定分析，以充分发挥材料的承载性能。施工至最大悬臂状态时结构前 阶的屈曲模态及荷载系数如表 所示。根据表，前 阶的荷载系数均，满足设计限值要求。施工荷载作用下，悬臂结构的最不利失稳模式为波形钢腹板侧向倾覆。为保证腹板的承载性能，避免发生整体失稳破坏，在施工中应采取一定的防侧倾措施。表 施工结构稳定性 屈曲阶数屈曲模态特点荷载系数波形钢腹板侧向倾覆整体失稳 波形钢腹板侧向倾覆局部失稳 底板悬臂端的下翼缘板屈曲局部失稳 实桥测试与施工优化 现场测点布置 基于有限元分析获得的波形钢腹板自承重施工过程中结构的受力特点，以葛溪大桥作为依托工程，对最大悬臂工况关键部位进行实桥测试，验证工法的适用性，并提出施工优化建议。考虑到现场条件的复杂性，应力测点采用高精度的振弦式传感器。如图 所示，顶板混凝土及上、下翼缘板测点沿纵向布置，波形钢腹板测点分别在挂篮前、后支点截面沿竖向布置。为反映施工最不利工况下的构件性能，分别在混凝土浇筑前后进行读数，考察最大施工荷载下构件的应力变化。图 测点布置 测试结果与施工优化 顶板纵向应力变化 图 比较了顶板悬臂自由端附近的纵向应力。施工荷载作用下，实测值与有限元结果具有相同的变化趋势，靠近悬臂自由端纵向应力较大，局部最大，应力沿纵向削减较快，距自由端 节段长度处，应力值已处于较低水平。实际施工过程中，可增加端部防裂钢筋布置，限制裂缝开展；或在端部开孔板孔洞内套设橡胶圈，通过弱化连接件刚 施工技术（中英文）第 卷度，促使剪力向后传递，改善应力分布。在前端 个孔洞内设置橡胶圈的计算结果如图 所示，由图可见，设置橡胶圈后悬臂端部的顶板纵向应力明显降低，峰值点位置向内侧移动。图 顶板纵向应力 图 设置橡胶圈结果比较 上、下翼缘板应力变化 图 比较了上、下翼缘板的纵向应力。上翼缘板纵向应力最大值出现在顶板悬臂自由端外侧，下翼缘板最大值出现在底板悬臂自由端部截面，应力峰值分别为 ，。施工过程中，应重点考察底板自由端下翼缘板的受力，可在端部焊接加劲板，避免局部受压发生屈曲。波形钢腹板应力变化 图 比较了挂篮前、后支点截面波形钢腹板 应力。在靠近挂篮支撑位置，腹板应力逐渐增大，实测数据与有限元模拟结果规律一致。施工过程中，为防止波形钢腹板在挂篮支撑处发生局部变形而破坏，可在支点位置的腹板上缘设置竖向加劲肋，以保证足够的安全储备，腹板加劲肋布置如图 所示。施工抗失稳优化 根据有限元弹性屈曲的分析结果，施工的悬臂结构最不利失稳模式为腹板的整体侧向倾覆。实际施工过程中，为避免出现上述情况，可在相邻 个波形钢腹板间设置临时横撑。如图 所示，通过将图 上、下翼缘板纵向应力 图 波形钢腹板 应力 图 腹板加劲肋布置 相邻 个波形钢腹板连成整体，确保横撑自身杆件和腹板在施工中均不发生失稳。通过变化临时横撑在高度方向的作用位置，对 蔡昊初等：波形钢腹板自承重组合刚构桥施工过程分析 图 临时横撑布置 横撑布置方式进行讨论。横撑边缘与翼缘板不同间距时施工结构的首阶屈曲模态及荷载系数如表 所示，不同间距下，结构最不利失稳模式均为底板悬臂端下翼缘板的局部屈曲，且横撑边缘与翼缘板的间距越小，荷载系数越大，结构安全储备越高。因此，实桥施工中临时横撑应尽量靠近上、下翼缘板布置，以充分发挥临时横撑的作用。表 不同间距结构稳定性比较 横撑边缘与翼缘板间距 首阶屈曲模态首阶荷载系数 底板悬臂端的下翼缘板局部屈曲 底板悬臂端的下翼缘板局部屈曲 底板悬臂端的下翼缘板局部屈曲 结语 结合有限元分析获得的主要构件受力特点开展了关键部位实桥测试，得到以下结论。）波形钢腹板自承重悬臂施工过程中，混凝土顶、底板的整体应力水平较低，在悬臂自由端部易产生应力集中，实际施工中可通过增设防裂钢筋或弱化端部连接件刚度来改善顶板的局部受力。）波形钢腹板及上、下翼缘板在钢混过渡处、挂篮支点位置应力相对较大，但均处于安全范围内，施工时可焊接加劲肋，避免发生局部屈曲。）施工结构最不利屈曲模态为腹板的侧向倾覆，屈曲荷载系数满足设计要求，但为了避免结构整体失稳破坏，可设置临时横撑改善屈曲模态，提高安全系数，且横撑宜尽量靠近翼缘板布置。）波形钢腹板自承重悬臂施工方法整体结构受力合理，工法适用性良好。参考文献：刘玉擎，陈艾荣 组合折腹桥梁设计模式指南 北京：人民交通出版社，：，魏俊，孙明明，顾俊波，等 葛溪大桥悬臂错位浇筑施工关键技术施工技术，（）：，（）：，（）：，：姚红兵，王思豪，刘玉擎，等 组合折腹梁桥钢腹板自承重施工过程分析中外公路，（）：，（）：岳宏智，牛传同，曹洪亮，等 波形钢腹板 组合箱梁桥异步施工全过程分析公路，（）：，（）：舒宏生，侯润锋，刘新华，等 波形钢腹板 组合箱梁桥同步异位悬臂施工新型挂篮设计研究施工技术（中英文），（）：，（）：李辉，陈成，刘宁波 波形钢腹板桥箱梁错位法施工工艺研究与应用施工技术，（）：，（）：中交公路规划设计院有限公司公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：北京：人民交通出版社，：，鞍钢股份有限公司，冶金工业信息标准研究院，首钢总公司，等低合金高强度结构钢：北京：中国标准出版社，：，