钢-混凝土叠合梁预加荷载法工程实例研究

2015-02-21董丽娜

黑龙江交通科技 2015年11期

关键词：钢箱钢束弯矩

董丽娜

(河北省交通规划设计院试验检测室)

钢-混凝土叠合梁预加荷载法工程实例研究

董丽娜

(河北省交通规划设计院试验检测室)

对西柏坡高速公路二环路至霍寨段工程七标段跨越京昆高速公路2×42 m钢混凝土叠合连续梁进行实验。通过采用有限元软件MIDAS/civil对施工过程进行模拟，与实际施工过程中监控的数据进行对比，验证预加荷载法能否达到大幅减少负弯矩区混凝土应力的效果。检验施工质量，最终得出能否在很薄的混凝土截面只施加少量预应力钢筋通过预加荷载工法满足负弯矩区混凝土具有足够的受拉性能，保证桥梁安全可靠的工作。

钢-混凝土叠合连续梁；负弯矩；预加荷载

1 绪论

1.1 概述

随着市政和公路建设的快速发展,在跨线桥和大型立交中，钢—混凝土连续叠合梁(叠合梁与结合梁是不同规范的称呼)作为—种施工更加方便迅速的主梁结构形式，得到了更加广泛的应用。钢—混凝土叠合梁是将钢梁与混凝土板通过抗剪连接件组合成整体并共同受力的—种新型结构。钢—混凝土叠合梁不仅综合了钢材抗拉，混凝土抗压性能好的优点，而且使用传统的施工方法和简单的施工工艺就能获得良好的结构性能，其技术经济效益和社会效益十分显著，非常适合我国基本建设的国情，具有广阔的应用前景。

众所周知，在单跨简支体系的梁式桥中，钢-混凝土叠合梁的结构形式充分利用了钢梁便于架设、轻质高强和混凝土结构耐久性较好，抗压强度较高的优点，在很大程度上提高了桥梁的跨越能力。在设计过程中也经常会遇到需要用连续梁的结构形式，利用多个较大跨径连续跨越多条公路的情况，这时候就需要用到连续梁体系的钢—混凝土叠合连续梁了。在这种情况下，设计师遇到的问题就是中支点处的负弯矩通常较大，会使得钢—混凝土叠合连续梁上缘的混凝土叠合层中产生很大的拉应力，这样就需要在负弯矩区域内配置很多预应力钢束来抵消拉应力的不利影响，在拉应力不是很大的情况下，这种方法还是可行的，但是每一根预应力钢束的张拉都需要在混凝土叠合层上预留一个张拉槽口，张拉后再封闭，但是这样会费工费时。另外有时候跨径较大或者梁体高度受限制，会造成混凝土叠合层的空间已经不足以放置足够数量的预应力钢束，这样往往导致放弃连续叠合梁的形式，选择特种桥型一跨跨越。

因此，可否寻求一种理论上可行，同时在具体施工中又便于操作的方法能够减小中支点上缘混凝土叠合层的拉应力，从而减少预应力钢束的设置，成为了研究的主要方向。

1.2 预加荷载法设计方案

西柏坡高速公路二环路至霍寨段工程七标段跨越京昆高速公路2×42 m钢混凝土连续叠合梁施工过程中施加预加荷载(临时压重)对钢梁和混凝土叠合层的应力进行调整，减小了中支点上缘混凝土的拉应力，并依此减少了预应力钢束的数量。在本课题研究中拟通过在实际工程中进行应力监测，与设计值对比，得到设计值与工程实际的差异，并分析总结原因，为今后的工程提供依据。

通过贴应变片的方法，对钢量指定部位及混凝土顶部指定位置进行多次多组应力监测，得到不同工况下的应力数值，进行内业分析和对比。

结合本课题实验的具体结果，对比不施加临时荷载，单纯依靠预应力钢束抵抗叠合层混凝土拉应力的理论计算结果，综合比较采用此项新技术所带来的经济效益。

1.3 施工监控

测点布置：

内埋式应变传感器按预定的测试方向固定在主筋上，测试导线引至混凝土表面或梁体内，外贴式应变传感器按预定的测试方向贴在钢板表面，钢板表面须打磨平滑。梁体总共布置7个断面，具体位置如图1所示，监测断面面选取在梁体受力关键截面，B’、C’截面根据B、C截面对称设置，以便相互对比，剔除错误数据，增加整个试验系统的精度。监测断面如图1所示。

图1 应力监测断面图

每个截面布置9个测点，测点方向均为顺桥向布置，其中1～4#测点为混凝土埋入式应变传感器，须在混凝土浇筑前按预定的测试方向固定在主筋上。5～9#测点为外贴式应变传感器，监测开始前由工作人员粘结在打磨平滑的钢板表面。测点布置图如图2所示。

图2 截面测点布置图

2 连续叠合梁预加荷载法施工过程

2.1 工程概况

西柏坡高速公路二环路至霍寨段工程七标段跨越京昆高速公路2×42 m钢混凝土连续叠合梁右幅采用四片箱梁连接而成，钢箱为2.1 m宽、1.8 m高的矩形钢箱。横向坡度3% ，钢箱上叠合30 cm混凝土用剪力键连接。

2.2 施工阶段划分

根据施工过程，划分的具体时段为：钢梁拼装；拆除临时墩；浇筑一期混凝土；压重；浇筑二期混凝土；卸载压重；张拉预应力筋；成桥；

3 连续叠合梁预加荷载法实验的有限元模拟

3.1 有限元模型的建立

本桥采用MIDAS Civil 2010结构计算软件进行计算，程序自动计算收缩徐变等影响因素。本模型将桥体共划分成174个节点，172个单元组成。根据施工过程将模型的施工阶段分解成8个施工步进行施工过程模拟。

根据施工过程，有限元模型划分8个阶段：

因有限元划分的施工阶段完全是按照施工时划分，故与施工阶段完全一致，具体内容见上文2.2。

3.2 施工过程的模拟

组是MIDAS/Civil中一个非常有用的功能一可以将一些节点和单元定义为一个结构组，以便于建模、修改和输出；将在同一施工阶段同时施加或同时撤除的边界条件定义为一个边界组；对于在同一施工阶段施加或撤除的荷载定义为一个荷载组；对于受力性能相同、预应力损失情况一致的钢束定义为一个钢束组。

组划分完毕后，即可定义施工阶段，按照施工阶段的划分，选择在同一个施工阶段施工的构件定义为一个结构组，并在该施工阶段中激活，将在同一施工阶段拆除的构件定义为一个结构组，在该施工阶段钝化。边界组和荷载组的定义同结构组的定义。

在模拟实际施工阶段时，采用MIDAS Civil软件直接激活与钝化结构组、荷载组以及边界组来模拟实际施工过程。

4 霍寨立交实验数据对比分析

4.1 理论值与实测值的对比分析

对施工过程中几个关键过程理论值与实测值进行对比，验证最初设计的实际效果。

表1 压重阶段应力对比表 MPa

通过预压荷载使各截面的正负弯矩都有所增加与前阶段相比混凝土承受应力，由于中部支座箱梁未与混凝土叠合理论值应力相对较大，在模型模拟中中部支座处5 m未浇筑混凝土部位边界处出现应力集中，也成为理论应力相对较大的原因。由于工期原因，混凝土未达到规定的养护时间就已进行压重，也是混凝土应力理论值与实际值误差的主要原因。考虑到混凝土过早承受压重导致竖向压缩影响下，轴向应变减小使实际的混凝土数据偏小。浇筑二期混凝土应力对比见表2。

表2 浇筑二期混凝土应力对比表 MPa

该阶段仅对中间墩部5 m混凝土浇筑，故其他部位应力变化不大，而中部支座处由于由于混凝土使截面刚度增强，所以中部支座处钢箱应力有所减小，但由于混凝土养护时间短，未能达到理论值的截面水平，混凝土实测数据并未达到理论值的水平，而钢箱顶部应力也因此较理论值偏大。

表3 卸载压重应力对比表 MPa

通过对比可发现混凝土特别是负弯矩区混凝土受压更为明显卸载压重后各截面混凝土均有明显的受压，特别是负弯矩区混凝土有明显的预应力效果，通过预压防止混凝土受拉破坏。顶板应力特别是BB’截面的应力存在较大差距估计为对回弹效果模拟不佳，以及微膨混凝土挤压效果未能模拟造成。通过与上一阶段差值修正对中部支座处混凝土应力得到改正，但其他控制截面受膨胀的影响有待进一步验证修改。