顶推施工中波形钢腹板PC组合梁整体受力性能分析

2016-11-24吕贵宾

城市道桥与防洪 2016年3期

关键词：成桥腹板箱梁

吕贵宾，杨　林，宋　雪

（1.中电建路桥集团有限公司，北京市 100048；2.中电建路桥集团有限公司华中分公司，河南郑州 450000）

顶推施工中波形钢腹板PC组合梁整体受力性能分析

吕贵宾1，杨林1，宋雪2

（1.中电建路桥集团有限公司，北京市 100048；2.中电建路桥集团有限公司华中分公司，河南郑州 450000）

波形钢腹板PC组合梁在成桥状态下的受力与顶推施工中的受力有较大的不同，为了明确箱梁顶推施工过程中受力性能，以国内第一座采用整体式顶推施工的大跨度波形钢腹板PC组合梁为例，采用板壳实体模型详细计算了组合梁在顶推过程中各个部分构件的受力特性。揭示了箱梁不同位置处截面上顶底板混凝土的应力变化规律、支墩反力变化情况和梁体的变形等，可供分析计算同类桥梁结构受力参考。

波形钢腹板；顶推；板壳实体模型；顶底板混凝土；应力变化规律

0　引言

波形钢腹板组合梁桥具有自重较轻、受力明确等多项优点[1]，已经在世界各地相继建设了大量此类型桥梁，相应的施工方法也多种多样，但采用顶推施工的实例较少。特别是在国内，波形钢腹板组合梁桥顶推施工的研究和应用更为少见。相对于混凝土箱梁桥的顶推施工，顶推施工方法运用于波形钢腹板梁桥却有着其独特的优势[2]：（1）波形钢腹板梁桥用约10 mm厚的钢板取代了30～80 cm厚的混凝土腹板，使得上部结构自重减轻20%～30%，从而使顶推力有所减小，并且桥墩与主梁之间的摩擦力减小；（2）传统混凝土桥梁在运用顶推方法施工时需制作钢导梁，并且钢导梁重复利用机会少，势必会增加桥梁的建设成本，而采用波形钢腹板自身作为顶推导梁的技术，将会为桥梁顶推施工技术节约成本开辟一条新途径[3]。

组合箱梁的受力与施工方法密切相关，基于顶推施工方法成桥的波形钢腹板PC组合箱梁桥其受力与其它施工方法成桥的有较大不同，目前还未见考虑顶推施工的波形钢腹板PC组合箱梁桥整体受力性能分析成果。开展波形钢腹板PC组合箱梁桥在顶推施工过程中的整体受力性能分析研究，对明确结构的受力性能具有重要意义。本文以国内第一座采用顶推施工的大跨度波形钢腹板PC组合梁为例，采用板壳实体模型详细计算了组合梁在顶推过程中各个部分构件的受力特性，包括顶底板混凝土和钢梁腹板的应力分布情况、支墩反力变化情况和梁体的变形等，为了分析计算同类桥梁结构受力提供了参考。

1　工程背景

本文分析的桥例是国内一座采用顶推法施工的五跨连续波形钢腹板PC组合箱梁，纵桥向采用50m等跨径布置，横桥向采用双向六车道分两幅设计。上部结构采用等高度波形钢腹板混凝土箱梁结构，两幅之间断开。单幅截面采用单箱单室斜腹板截面，顶板宽度为12.75 m，底板宽度为6.0 m，腹板倾斜角度为75°。双幅截面顶缘采用双向2.0%横坡，梁底水平布置，箱室中心线处梁高3.5 m，箱梁顶板悬臂长度 3.2 m，内室宽度6.35 m，顶板悬臂端部厚0.2 m，根部厚0.55 m；顶板一般厚度均为0.3 m，底板一般厚度为0.25 m，支点横梁处加厚至0.55 m。波形钢腹板采用BCSW1600型，钢板厚度采用t=16 mm和t=20 mm两种。钢翼缘板除导梁段翼缘钢板厚20 mm外，其余一般节段翼缘钢板采用16 mm，与混凝土顶板采用Twin-PBL方式连接，与混凝土底板采用栓钉连接，主梁永久预应力采用体内、体外预应力混合配置方式。主梁顶、底板采用C60高强度混凝土，钢腹板采用Q345qC钢材。桥梁1/2幅横断面见图1。

图1　桥梁断面图(单位：mm)

2　顶推施工过程中整体受力性能

波形钢腹板PC组合箱梁通过ANSYS板壳—实体模型进行施工阶段实桥模拟。全桥钢结构用shell43单元模拟；混凝土结构用solid65单元模拟；预应力钢筋用link8单元模拟；钢导梁水平撑等型钢构件采用beam189模拟[4]。建模时考虑结构左右不对称以及桥面横坡。不考虑施工过程中上下翼缘板以及结合段剪力连接件的滑移作用，认为钢和混凝土完全连接，不考虑桥面板横向预应力作用。为综合研究顶推施工过程中波形钢腹板PC组合箱梁整体受力，以及考虑模型的大小，本文模拟组合梁顶推三跨至四跨的过程，有限元模型组合梁建四跨加上导梁跨，共五跨，全桥有限元模型见图2。

图2　全桥有限元模型

由于组合梁宽度相对桥梁跨度而言较大，剪力滞效应使得组合梁顶板混凝土和底板混凝土的正应力在横桥向会分布不均匀。为分析顶底板混凝土正应力沿纵桥向分布，取图3（a）中顶板上缘位置1～5为特征点，分别位于顶板上缘的边缘、靠近腹板和中间等位置；取图3（b）底板下缘位置1～3为特征点，分别位于底板下缘的靠近腹板和中间等位置。

图3　计算特征位置(单位：mm)

将顶推三跨至四跨的过程细化成5个顶推工况，在后文图表中用lc1～lc5表示，见图4。其中工况2和工况3时梁段位置相同，工况2模拟导梁即将上墩前最大悬臂状态，工况3模拟导梁上墩时状态。图4中根据成桥阶段分段，即根据50 m一段分为导梁段和第一～第五跨，五个顶推工况分别模拟五个特征断面分别处于支点位置、悬臂位置、跨中位置等不同状态。

2.1混凝土顶板的应力分布特点

图4　顶推工况(单位：m)

根据各个标准跨顶推的5个工况划分，分别计算顶推施工过程中组合梁的受力性能，考虑体内体外预应力以及临时预应力的作用，得到混凝土顶板的纵向正应力结果见图5。

图5　顶推各工况混凝土底板应力云图（单位MPa）

由图5可知，在顶推施工的5个工况中，不考虑建模引起的应力集中，混凝土顶板的纵向正应力在-18～0 MPa的范围内。墩顶支座截面顶板正应力为-4～0 MPa，且由于剪力滞效应的影响，正应力大于-2 MPa的区域集中在顶板特征点2、4附近；跨中截面顶板正应力为-10～-18 MPa，且横向分布较均匀。工况2断面9位置由于导梁处于最大悬臂状态，在较大负弯矩作用下大部分区域出现拉应力，而当工况3导梁上墩以后，拉应力区域大大减小。工况4坐标位置175 m的截面由于处于顶板预应力张拉端附近，存在明显的应力集中现象，不考虑该处最大拉应力。

为分析顶推中混凝土顶板应力沿纵向的分布规律，取拉应力较大的特征点2绘制纵桥向应力包络图见图6，图中同时绘出了成桥状态特征点2的应力分布曲线，其中坐标系为以组合梁第五跨左端为原点，以纵桥向为x轴的相对坐标系，并跟随者梁体顶推过程不断右移。由图6可知，组合梁不同截面在顶推过程中都要经历正负弯矩的频繁交替，从而导致混凝土顶板应力值也在上下包络线之间不断变化。在成桥状态位于跨中附近的截面，其顶推过程中的应力上限值高于成桥状态应力值，部分截面在顶推中顶板出现了拉应力，最大可达3.32 MPa，而大部分截面顶推过程中的应力下限值也低于成桥状态。因此，除了成桥状态位于支座位置的截面，大部分截面顶板的控制应力出现在顶推中。

图6　顶推中混凝土顶板应力包络图

表1列出了顶推各工况支点处混凝土顶板的最大正应力值。由表可知同一个墩顶截面顶板正应力随着不同工况而改变，同一个工况下不同墩顶截面顶板正应力也各不相同。顶推过程中，混凝土顶板最大拉应力为3.32 MPa，出现在工况1的YP6墩顶截面。

表1　顶推各工况支点处混凝土顶板应力表　MPa

2.2混凝土底板的应力分布特点

根据计算组合箱梁顶推的5个工况得到混凝土底板的纵向正应力结果见图7。

图7　顶推各工况混凝土底板应力云图（单位MPa）

由图7可知，在顶推施工的5个工况中，不考虑建模引起的应力集中，混凝土底板的纵向正应力在-18～0 MPa的范围内。墩顶支座截面底板压应力在-16～-18 MPa，跨中截面底板压应力在-4～0 MPa，且由于剪力滞效应的影响，正应力大于-2 MPa的区域集中在底板特征点2附近。工况2坐标位置175m的截面由于导梁处于最大悬臂状态，在较大负弯矩作用下大部分区域压应力大于18 MPa，而当工况3导梁上墩以后，压应力大大减小。底板压应力在导梁段部（坐标位置200～215 m）压应力约为-30～-10 MPa。

为分析顶推中混凝土底板应力沿纵向的分布规律，取拉应力较大的特征点2绘制纵桥向应力包络图见图8，图中同时绘出了成桥状态特征点2的应力分布曲线。由图8可知，混凝土顶板应力值也在上下包络线之间不断变化。在成桥状态位于支座附近的截面，其顶推过程中的应力上限值高于成桥状态应力值，部分截面在顶推中顶板出现了拉应力，最大可达1.94 MPa，而大部分截面顶推过程中的应力下限值远低于成桥状态。因此，除了成桥状态位于跨中位置的截面，大部分截面顶板的控制应力出现在顶推中。

图8　顶推中混凝土底板应力包络图

表2列出了顶推各工况跨中处混凝土底板的最大正应力值。由表可知同一个跨中截面底板正应力随着不同工况而改变，同一个工况下不同跨中截面底板正应力也各不相同。在顶推工况1时，第三跨跨中截面混凝土底板最大拉应力为1.22 MPa。

表2　顶推各工况跨中处混凝土底板应力表　MPa

2.3钢腹板的应力分布特点

分别计算顶推施工工况1～5，得到各工况下波形钢腹板面内剪应力云图见图9。图10为波形钢腹板靠近中间高度位置的面内剪应力包络图，图中同时绘出了成桥状态腹板的剪应力分布曲线。由图可知，剪应力值基本在-60～60 MPa之间，剪应力最大值出现在坐标75 m、125 m和175 m附近。成桥状态下剪应力最大值为40 MPa，出现在支点截面附近腹板上。几乎所有截面的剪应力最大值出现在顶推施工中，必须考虑波形腹板在顶推中受剪力作用下的稳定性。

图9　顶推各工况波形钢腹板应力云图（单位MPa）

图10　顶推中波形钢腹板应力包络图

2.4支点反力变化规律

支点反力既是桥墩在顶推过程中所承受的主要荷载，也是桥墩上方各千斤顶顶推力控制的主要依据，同时还是波形钢腹板PC组合梁顶推施工中确保其局部稳定性的关键影响因素之一[5]。在顶推三跨至四跨过程中支点反力的变化趋势见图11。

图11　顶推过程中各墩支反力变化趋势图

由图11可知，各墩支反力变化较有规律，但各墩之间的变化趋势有所不同：YP4在各工况下支座反力基本在12 000 kN左右；YP5支反力初始值为11 146 kN，在lc2有所下降，在lc3～lc5逐渐稳定并增加至11 559 kN；YP6反力初始值为8 701 kN，在lc2迅速增加到最大值11 831 kN，之后稍有降低之势，并逐渐趋于稳定值11 627 kN；YP7在lc1～lc2由于导梁未上墩，支反力为0，lc3导梁上墩后反力为719 kN，并持续增加至5 230 kN。若绘制顶推全过程的支反力变化曲线，可知各墩支反力变化趋势几乎一致，即从导梁上墩开始支反力由0快速增加至最大值，经小幅削减后趋于稳定值11 000～12 000 kN。

2.5竖向挠度变化规律

为分析组合梁顶推过程中的刚度是否满足要求，绘制各工况下挠度曲线见图12，组合梁在顶推过程中的挠度曲线为二次抛物线，各工况下组合梁在支点处以及预制平台上挠度为0，在YP3～YP6墩之间挠度变化规律相似，跨中处达到挠度最大值约15 mm，且各工况最大挠度近似相等。