波形钢腹板PC组合箱梁桥悬臂施工线形控制研究

杨 彦 海

(中国铁路总公司工程管理中心，北京 100038)

波形钢腹板PC组合箱梁桥悬臂施工线形控制研究

杨 彦 海

(中国铁路总公司工程管理中心，北京 100038)

结合波形钢腹板预应力组合连续箱梁桥工程实例，开展了该种桥型悬臂施工控制技术研究，重点论述了剪切变形、混凝土徐变对箱梁线形的影响，并给出了立模标高的计算方法，以供参考。

组合箱梁，波形钢腹板，线形控制，悬臂施工

0 引言

波形钢腹板预应力组合箱梁采用波形钢腹板代替传统混凝土腹板，该种桥梁结构优势显著：有效减轻上部结构自重，减少下部结构工程量；顶底板混凝土抗弯而腹板钢材抗剪，材料得到充分利用；波形钢腹板纵向刚度小于混凝土腹板，提高预应力施加效率；简化施工设备，加快施工进度；桥梁立体感强，外观优美。波形钢腹板箱梁桥在我国应用越来越广，结构形式从简支梁向多跨连续梁、斜拉桥发展，同时主跨跨径以及建设规模都有较大突破。传统的混凝土腹板箱梁的施工控制已经是比较成熟的技术，但波形钢腹板组合梁桥的结构形式和变形特性与传统混凝土腹板箱梁有较大差异，如果控制不好，有可能导致某些构件应力储备不足或变形过大，从而成为安全隐患。本文结合主跨135 m的波形钢腹板预应力组合连续箱梁桥——桃花峪黄河大桥跨大堤桥，开展波形钢腹板组合梁桥悬臂施工线形控制研究。

1 概述

桃花峪黄河大桥跨大堤桥上部结构为三跨波形钢腹板箱梁结构，跨径组合为(75+135+75)m，全长285 m，采用上、下行分离式桥梁。单幅上部箱梁为单箱单室，顶宽16.05 m，箱梁底宽9 m，墩顶根部梁高7.5 m，高跨比为1/18，跨中梁高3.5 m，高跨比为1/38.6，桥面横坡2%由腹板高差形成，箱梁底横向保持水平(见图1)。箱梁顶底板采用C50混凝土，顶板厚0.28 m，底板厚0.28 m～0.754 m，箱梁梁高及底板厚度按1.8次抛物线变化。波形钢腹板采用Q345d钢材，波长1.6 m，波高22 cm，水平面板宽43 cm，弯折内径R最小值为15t(t为波形钢腹板厚度)，钢板厚度14 mm～24 mm。钢腹板与箱梁顶板的连接方式采用双开孔钢板连接键连接，钢腹板与箱梁底板的连接采用埋入式，埋入混凝土中300 mm。该桥施工方法为0号块墩顶现浇，跨中节段采用挂篮对称悬臂浇筑，边墩及附近节段采用满堂支架浇筑，最后浇筑合龙段完成全桥。

2 波形钢腹板组合箱梁挠度影响因素

2.1 剪切变形

由于波形钢腹板箱梁所用钢板厚度远小于混凝土腹板，使得剪切变形对箱梁挠度计算结果影响较大[1]。剪切变形效应的分析比较复杂，对于混凝土腹板箱梁，当梁的高度远小于跨度时，忽略剪切变形的影响也能得到满意的结果。但对于波形钢腹板箱梁这种新型组合结构，剪切变形的影响不可忽略。

为定量分析剪切变形对悬臂施工过程箱梁挠度的影响，采用有限元方法建立三个独立模型进行对比计算：1)采用Euler梁理论(不计入剪切变形，简称M-1法)；2)采用Timoshenko梁理论(计入剪切变形，简称M-2法)；3)采用基于ANSYS建立空间有限元模型进行精确模拟。重点对比最大悬臂状态下各节段实际位移(UZ)、最大悬臂状态挂篮拆除工况下各节段位移增量(U1)、15号块混凝土浇筑土引起的各节段位移增量(U2)以及15号块预应力钢束张拉引起的各节段位移增量(U3)，计算结果见表1，表中位移以向上为正，向下为负。

由计算结果可判断：1)采用Euler梁理论和Timoshenko梁理论计算结果差异较大(对应表中的M-1和M-2)；2)剪力较大、波形钢腹板较高的悬臂根部梁段(对应于节段1号～6号节段)剪切变形的影响较大；悬臂前端梁段(对应节段7号～15号节段)，剪切变形的影响相对较小；3)采用ANSYS分析模型的计算结果，无论是累计位移还是单独工况下的位移增量值，均介于M-1～M-2之间。

累计位移值直接应用于施工过程的桥面高程控制，对于波形钢腹板组合箱梁，采用常规的平面杆系模型，Euler梁理论计算结果偏小，而Timoshenko梁理论则过大估计了剪切变形的影响，两者均不能准确模拟和计算波形钢腹板组合桥梁结构的变形，只有依据三维空间实体模型结果才能准确进行施工线性控制。

2.2 混凝土徐变

混凝土徐变对最大悬臂状态的波形钢腹板箱梁变形影响较大，采用有限元分析软件ANSYS/CivilFEM 建立桃花峪黄河大桥跨大堤桥实体模型(见图2)，采用逐步计算方法，徐变模型定义参考中国04公路桥梁规范，分析徐变引起的波形钢腹板箱梁变形[3]。

计算并列出了在混凝土龄期增长过程中悬臂梁1号～15号块段挠度数值，如表2所示。

表1 不同计算工况下箱梁各节段位移 mm

表2 波形钢腹板悬臂施工过程中变形 mm

最大悬臂状态各截面(除支座附近截面外)变形增长均较快，在混凝土龄期达到108 d时，最大悬臂端位移从初始-46.6 mm(向下)到-74.5 mm(向下)，徐变产生位移为-27.9 mm，约占初始挠度的59.9%，说明在最大悬臂状态下徐变对梁体变形影响比较大，为保证梁体顺利合龙，最大悬臂状态梁体在施工过程中不宜停滞过久。

3 波形钢腹板箱梁立模标高计算

箱梁立模标高的理论计算公式如下：

由于温度、徐变和非线性等因素，实际情况和理论计算不可能一致，因此对理论立模标高要不断修正。箱梁实际立模标高为：

由于波形钢腹板连接是采用将施工节段钢腹板焊接在已浇节段波形钢腹板前端的方式，当前节段混凝土浇筑土过程中的挂篮变形只对当前节段的顶、底模板的高程有影响，波形钢腹板焊接在前一节段上，不依靠挂篮支承，因此当前节段的挂篮变形对波形钢腹板的高程变化没有影响。所以，在计算混凝土底板立模标高时应计入挂篮变形影响，而对于波形钢腹板的安装标高计算则不需要考虑挂篮变形的影响，箱梁波形钢腹板安装标高的理论计算公式如下：

4 结语

波形钢腹板预应力组合箱梁悬臂施工线形受到剪切变形和混凝土徐变影响，本文给出了排除这些因素影响的方法。采用三维实体有限元模型计算可以准确模拟剪切变形；同时采用三维模型计算混凝土徐变，结果表明对梁体挠度影响大，应尽快完成合龙，最大悬臂状态不宜停滞过久。最后根据竣工标高、成桥变形、施工变形、因素影响调整值给出波形钢腹板箱梁混凝土顶底板和波形钢腹板立模标高计算方法。

[1] 李宏江.剪切变形对波形钢腹板箱梁挠度的影响[J].交通运输工程学报,2002,2(4):17-20.

[2] 周期源.考虑剪切变形影响时变截面梁的挠度计算[J].南昌大学学报,2006,28(3):295-298.

[3] 杨彦海.波形钢腹板箱梁徐变分析[D].北京:北京交通大学,2013.

Study on linear control of cantilever construction for PC composite box-girder with corrugated steel webs

Yang Yanhai

(ChinaRailwayCompanyProjectManagementCenter,Beijing100038,China)

Based on the project example of PC composite box-girder with corrugated steel webs, research on cantilever construction control is performed, the effect of shear deformation and concrete creep on the box-girder deflection is mainly discussed, and the calculation method of the formwork placing elevation is given, which can provide reference for similar bridges.

composite box-girder, corrugated steel webs, linear control, cantilever construction

2015-02-27

蔡卫兵(1967- )，男，工程师

1009-6825(2015)13-0192-02

U445

A