波形钢腹板PC组合箱梁桥新型异步施工受力性能研究

王　达，黄海珊，曹　政，刘　扬

(1.长沙理工大学　土木与建筑学院，湖南　长沙　410064；2.桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室，湖南　长沙　410064)



波形钢腹板PC组合箱梁桥新型异步施工受力性能研究

王达，黄海珊，曹政，刘扬

(1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙410064；2.桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室，湖南长沙410064)

为进一步推广波形钢腹板PC组合箱梁桥的应用范围，在实桥中采用了一种新型异步悬臂浇注施工方法，提升波形钢腹板PC组合箱梁桥的施工水平，以体现该桥型的经济效益。以工程实桥为研究对象，对比分析了传统挂篮施工法与异步浇注法的工艺流程及经济性指标。基于大型有限元程序ANSYS，建立了该桥的精细化有限元计算模型，对施工全过程结构关键截面的受力进行了详细分析，并与实时监测应力进行了对比研究。研究表明，异步悬臂浇注法工艺流程简洁、工期短、经济性指标高，具有传统挂篮施工法无可比拟的优越性；异步施工法施工全过程中结构应力变化合理，始终处于安全范围内。

桥梁工程；PC组合箱梁；有限元法；波形钢腹板；应力

0　引　言

20世纪80年代，法国学者提出的一种新型钢-混组合结构，继而波形钢腹板PC组合箱梁桥得以诞生[1]。该桥型由于采用了轻型的波形钢腹板代替厚重的混凝土腹板，从而大幅减轻了结构自重，提高预应力效率；加之结构工程量的大幅减少，工程投入被大幅节约，施工工期也大幅缩短[2]；此外，相比传统连续刚构或连续梁，该桥型由于结构轻盈，还具有良好的抗震性能。可见，该桥型具有良好的社会经济价值与受力性能，而备受工程界关注。经过近十几年的快速发展，波形钢腹板PC组合箱梁桥已成为国内外最具竞争能力的桥型之一，其中设计、施工等属在日本发展最为迅速，技术也较为成熟[3]。近年来，该桥型在我国也呈现良好的发展态势，已建成的或在建的主要有：滁河大桥、鄄城黄河大桥及头道河大桥等波形钢腹板PC组合箱梁桥[4]。

现阶段，国内外对波形钢腹板组合箱梁桥的研究主要集中在结构的屈曲强度[5]、剪力连接件[6-11]、动力特性[12-14]及设计优化[15]等方面，并取得了一系列的研究成果，为该桥型的迅速推广起到了良好的促进作用。可见，以往的研究多集中于结构的受力，而结合结构的构造特性及受力特点，开展该桥型施工工艺的创新方面的研究，迄今为止仍未见报道。现阶段，波形钢腹板PC组合梁桥常采用的传统施工方法主要有满堂支架法、悬臂施工法、顶推法等。在国内外已建成的波形钢腹板箱梁桥中，以传统挂篮悬臂施工法居多[2]。尽管传统的挂篮施工方法具有安全快捷、施工简便等优点，但也存在一定的局限性，比如传统的挂篮结构特殊构造，严重干扰波形钢腹板的吊装安装，对结构的施工安全构成极大危害，同时也大幅降低施工效率，延长了施工工期，对于气候环境恶劣的区域，严重制约了该桥型的应用推广。鉴于此，本文以现有的理论研究为基础[16]，在波形钢腹板组合箱梁桥的实际施工中采用一种新型异步浇注施工法；该新型施工法以波形钢腹板为劲性支撑，即做施工平台，从而大幅减轻施工设备的自重，拓广施工作业区面，继而解决了传统挂篮悬臂浇注工艺面临的诸多问题，进而可为该桥型的进一步推广应用提供良好的技术支撑。

新型异步浇注施工法与传统施工法具有显著的区别，而该桥型的施工方法直接影响到结构的受力。对于新型的浇注施工法，可供参考的研究基础并不多，在其施工过程中，结构的受力、变形及安全等方面的研究都急需解决；成桥后的结构内力分布如何也有待于进一步明确。因此，本文将以结构工程实桥为研究对象，基于大型空间有限元程序ANSYS建立精细化有限元计算模型，并对施工全过程中的应力及变形数据进行跟踪监测，对采用新型异步浇注法施工的波形钢腹板PC组合箱梁桥进行相关研究，以为后续进行的相关研究及推广应用提供有益借鉴。

1　工程简介

头道河大桥地处四川省西南边陲，横跨古蔺河的支流头道河是叙古高速公路重点工程之一，该连续刚构桥上部采用了波形钢腹板组合结构，跨径布置为(72+130+72) m；主梁采用分幅式的单箱单室截面，每幅箱梁顶板宽12 m，底板宽7 m；梁底采用1.8次抛物线，跨中处梁高为3.5 m，底板厚30 cm，根部梁高为7.5 m，底板厚110 cm，桥型布置如图1所示。波形钢腹板钢材为Q355NHC，波长1.6 m，波高0.22 m，钢板厚14～24 mm，水平折叠角度为30.7°，弯折内径R为15t(t为波形钢腹板厚度)，细部构造如图2及图3所示。

图1　桥梁示意图(单位: m)Fig.1　Arrangement of bridge (unit: m)

图2　波形钢腹板节段示意图Fig.2　Segment of corrugated steel web

图3　单位波长构造图(单位:mm)Fig.3　Unit of wavelength structure (unit: mm)

2　异步浇注施工法

2.1工艺流程

头道河大桥施工过程中，阶段结构示意如图4所示。比较该图可发现，当前施工阶段，该结构主要包括：(1)异步浇注施工平台；(2)当前施工节段(第n节段)的底板；(3)当前施工节段(第n节段)的波形钢腹板；(4)上一施工阶段已完成的(第n-1节段)顶板；(5)上一施工阶段已完成的(第n-1节段)波形钢腹板；(6)当前施工节段安装的下一节段(第n+1节段)的波形钢腹板。

图4　结构节段示意图Fig.4　Schematic diagram of structural segment

头道河大桥是国内首座采用异步悬臂浇注施工的波形钢腹板PC组合箱梁桥，其施工基本流程如图5所示，图6(a)，6(b)，6(c)分别为波形钢腹板的安装、顶板及底板的现场施工图。

图5　施工流程图Fig.5　Construction process

图6　施工现场Fig.6　Construction site

对于采用传统挂篮进行施工的波形钢腹板PC组合箱梁桥，挂篮安装就位后，作业区内安装波形钢腹板、立模、顶底板钢筋绑扎、混凝土浇注均只能在n节段工作面进行，作业面受限，交叉作业多，周期长。由图4、图6可看出，和传统挂篮相比，采用异步浇注法施工时，作业区由原来的单个节段工作面扩大到n-1，n，n+1共3个节段工作面。n-1节段顶板施工、n节段底板施工、n+1节段波形钢腹板安装，3个作业面流水施工，极大地提高了施工效率，缩短施工周期。

2.2经济性分析

传统挂篮施工，由于施工挂篮笨重，大多为100 t，设备过大的自身质量，对施工阶段桥梁的受力影响较大，并且造价也很昂贵。而异步浇注法主要是以波形钢腹板为劲性支撑，在已安装的波形钢腹板之上设置浇注施工平台，其结构形式简单，受力明确，易于控制，且施工操作十分方便。传统挂篮与异步浇注法所用挂篮施工平台性能参数对比如表1所示。

表1　施工方法比较Tab.1　Comparison of different construction methods

由表1可看出，异步浇注法设备质量约为传统挂篮悬臂施工法的34.5%，结构用钢量约为后者的52.6%，全桥共投入的设备费用前者为后者的40%，直接节省费用约为270万；同时由于工作平台作业面的增加，提高人员及机械设备的工作效率，进而可将每个节段的施工周期相对减少33.3%，使得施工进度大幅加快，对于工期紧迫的波形钢腹板组合箱梁桥具有极大的优势。此外，异步浇注法挂篮施工平台不具有倾覆性，极大增强了施工设备的稳定性。

可见，新型异步浇注施工法，结构构造简洁，施工方便，且投入低，施工效率高，对应的工期短。但由于该方法在施工过程中，波形钢腹板在与上下翼板形成稳定性结构之前，是施工荷载及混凝土湿重主要承重构件，其施工过程中及成桥状态的受力性能如何，需通过有限元分析及现场监测，以进行深入研究。

3　结构受力分析

3.1有限元模型

借助大型有限元分析软件ANSYS，建立了图7所示的有限元基本模型，共分2 897节点，4 535单元。模型中混凝土采用四面体实体单元solid92，波形钢腹板采用板壳单元shell63；模型中预应力通过等效法进行处理；波形钢腹板上翼缘板与混凝土采用剪力钉(combin14弹簧单元)连接，以消除端头混凝土应力集中，其余部位翼缘板与顶、底板混凝土在交界面上进行节点耦合。

图7　有限元模型Fig.7　Finite element model

3.2关键截面受力分析

限于文章篇幅，本文仅以0号块与1号块交界处截面为例，对该处截面的受力进行分析。经计算可得出第一个循环，即在完成第一节段顶、底板混凝土及第二节段底板混凝土浇注后的计算结果，对应的截面应力如图8及图9所示。

图8　节段结构应力(单位:MPa)Fig.8　Structural stresses of segment(unit:MPa)

图9　波形钢腹板剪应力(单位：MPa)Fig.9　Shear stress distribution of corrugated steel web(unit:MPa)

由图8、图9可以看出，在采用异步浇注施工法完成第一节段顶板混凝土及第二节段底板混凝土浇注后，混凝土最大主压应力为6.3 MPa，远低于设计允许使用应力24.4 MPa；最大主拉应力出现于0号块钢腹板，其大小为15.3 MPa，更低于设计允许值295 MPa；波形钢腹板最大竖向剪应力为37.4 MPa，也低于设计允许值170 MPa。

比较图8(a)可发现，在顶板与腹板的交界处附近，出现应力集中，该现象表明在对于波形钢腹板PC组合梁桥，钢腹板与顶底板在结合部位的受力十分关键。因此，在保证钢-混有效组合的前提下，连接件要能有效地防止混凝土和钢腹板之间发生相对滑移，抵抗两种材料之间的纵向剪切力，并且还要抵抗它们之间的掀起作用。这也对钢-混连接部位连接件的设计提出了更高的要求，该桥中通过在波形钢腹板的顶底缘设置缀板以改善该处结构的局部受力。此外，结合图9可发现，波形钢腹板除在该处发生少许应力集中以外，其余各处应力沿截面腹板高度方向分布均匀。

3.3关键阶段结构受力分析3.3.1应力测点布置

施工过程中，为确保结构安全，全过程中对结构关键截面的应力进行了跟踪监测，其中监测的应力主要是通过在0号块根部截面、1/8截面及1/4截面的混凝土顶底板和波形钢腹板上布置高精度的应力传感器进行监测；其中顶底板混凝土内沿纵向布置，波形钢腹板上部沿纵向、竖向分别布置，分别如图10及图11所示。此外，为便于实时监测成桥后箱梁的应力状态，在全桥范围内每一个施工悬臂节段的顶、底板及波形钢腹板上均布置国外进口的高精度应力传感器进行跟踪监测。

图10　混凝土应力传感器布置Fig.10　Arrangement of stress sensor on concrete

图11　波形钢腹板应力传感器布置Fig.11　Arrangement of stress sensor on corrugated steel web

3.3.2施工阶段应力分析

头道河大桥边跨分为13个施工阶段，中跨25个施工阶段，两侧先行对称悬臂施工12个阶段，而后进行边、中跨合龙。在各施工阶段结束前后，都将对图10及图11所示的传感器数据进行监测，若有需要还将对各施工阶段的子阶段数据进行监测分析；现将有限元分析结果及现场监测数据对比如图12所示。

图12　主应力实测值与理论值对比Fig.12　Comparison of principal stresses between measured value and theoretical value

由图12可以看出，该桥在采用异步浇注施工工艺施工过程中，混凝土顶、底板压应力及波形钢腹板剪应力实测值与理论值的变化趋势基本相同。随着施工的进行，各项应力值均逐渐增大，0号块根部波形钢腹板剪应力实测值在施工到8号悬臂节段时达到最大值23.3 MPa，但仍低于有限元计算值26.5 MPa，该阶段波纹钢腹板对应的剪应力已达最大值。

随着施工阶段的进行，顶板预应力的迅速增加，混凝土顶、底板压应力随之增大，但其增大的幅度到后期变化增量相对较小，呈现出平稳的态势，最大压应力均不超过12 MPa。这是因为顶板布置体内预应力束，施工过程中各主要截面的应力逐渐趋于合理，表明采用异步浇注法施工具有合理性。

3.3.3成桥状态应力分析

对于超静定结构桥梁，施工方法的不同，将直接影响桥梁结构成桥之后的应力状态。经计算可得出，异步浇注法与传统挂篮施工法对成桥之后结构顶、底板的应力状态影响，分别比较如图13所示。

图13　成桥状态下主应力比较Fig.13　Comparison of principal stresses in bridge completion state

比较图13(a)和13(b)可发现，在成桥状态下，异步浇注法与传统挂篮施工法计算结果及实测结果表明箱梁的顶、底板均处于压应力状态，且沿全桥应力变化趋势基本相同。异步浇注法施工时，除两端部分压应力较小外，全桥顶板压应力最大差值仅为2.34 MPa，明显低于传统挂篮法施工的4.49 MPa，底板压应力最大差值仅为3.72 MPa，亦小于传统挂篮法施工的5.29 MPa。这说明异步浇注法较传统挂篮施工法的桥梁，在成桥后顶、底板所受应力变化更为均匀，状态更为合理，结构整体性能更好。此外，实测值与有限元计算结果十分接近，这说明波形钢腹板PC组合箱梁桥采用异步浇注法施工具有可行性，并且成桥后受力合理，性能优越。

4　结论

本文以工程实例为研究对象，对比分析了提出的波形钢腹板PC组合箱梁桥新型异步浇注法的工艺流程及经济性指标，基于大型有限元计算程序，建立了精细化计算模型，对施工全过程结构的受力进行了详尽的对比分析，可得出以下研究结论：

(1)本文提出的异步浇注法以波形钢腹板为劲性支撑，其结构简洁、受力明确，能大幅降低工程造价，工作面可由传统的1个扩展到3个，极大地提高了施工效率；此外，异步浇注法克服了传统挂篮具有倾覆性的缺点，增强了施工安全性，工程应用结果表明其具有良好的社会经济价值。

(2)波形钢腹板PC组合箱梁桥在钢-混连接处附近，易出现应力集中，过大的应力集中将导致结构出现滑移、掀起等破坏，因此在后续设计过程中，对钢-混连接部位的构造设计应予以高度关注。

(3)异步浇注法施工的波形钢腹板PC组合箱梁桥，前期结构应力增幅十分明显，但实测值仍低于计算值，且结构处于安全可控范围；随着施工阶段的推进，各项应力指标值虽均逐渐增大，但到后期变化较小，呈现出平稳的趋势。

(4)相比传统挂篮悬臂浇注法，异步浇注法施工的波形钢腹板PC组合箱梁桥，在施工过程中结构应力变化更为均匀，结构受力更合理，在成桥状态下结构的整体性更好。

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Analysis of Mechanical Property of Composite Box-girder with Corrugated Steel Webs Using New Asynchronous Construction Technology

WANG Da，HUANG Hai-shan，CAO Zheng，LIU Yang

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 410064 China;2. Co-constructing Key Laboratory for Safety Control of Bridge Engineering of Ministry of Education, Changsha Hunan 410064 China)

For application and population of PC composite box-girder bridge with corrugated steel webs, a new asynchronous cantilever construction method is adopted in a real bridge to enhance the construction level and reflect the economic benefit of this type of bridge. Taking a real bridge under construction as the research object, the construction processes and economic indexes between the traditional hanging basket cantilever construction method and the asynchronous cantilever construction method is compared. Based on the large finite element program ANSYS, a fine finite element model of the studied bridge is built, detailed analysis of the mechanical property of the key sections of the bridge structure is conducted in the whole process of construction, the whole process of construction, and the calculation result is compared with the field testing data of the real-time monitored stress. The result indicates that (1) the process of asynchronous cantilever construction method is simple and clear, the construction period is short and the economic indicators are high, this proposed asynchronous cantilever construction method is far superior to the traditional hanging basket cantilever construction method; (2) the stresses of structure are varied in a reasonable and safety range during the construction for the proposed method.

bridge engineering；PC composite box-girder；finite element method；corrugated steel web；stress

2015-11-06

国家自然科学基金项目(51308071)；国家重点基础研究发展计划(九七三)项目(2015CB057701)；交通运输部应用基础研究项目(2015319825120)

王达(1980-)，男，湖南新邵人，工学博士，副教授.(yxwang2006@yeah.net)

U448.21+6

A

1002-0268(2016)08-0058-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.08.010