异步施工波腹板PC 组合箱梁桥模型试验研究

2021-11-04代浩郑和晖杜松

中国港湾建设 2021年10期

代浩，郑和晖，杜松

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430013；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉 430014；3.交通运输行业交通基础设施智能建造技术研发中心，湖北武汉 430014）

0 引言

在混凝土箱梁中采用钢腹板的设计思想最早由法国工程师提出，后经逐步优化将最初的平面钢腹板改为波形钢腹板，从而定型为一种更为合理的波形钢腹板PC 组合箱梁桥。外力作用下，波腹板几乎不承受轴力和弯矩，预应力的保证具有先天优势，波腹板主要承受剪力，结构受力明确，与同跨径的普通PC 箱梁相比，波腹板PC 箱梁自重可减轻25%~30%，近年来得到广泛的推广应用[1-2]。

在施工工艺方面，满堂支架法、悬臂浇筑法、顶推施工是波腹板PC 组合箱梁桥施工的主流方法。异步施工法则是一种新型的挂篮悬浇施工工艺，最初由日本发明，目前资料记载的案例仅有日本信乐桥、日本津久见川桥、四川头道河大桥，武西高速桃花峪黄河大桥，运宝黄河大桥副桥等，相关研究比较匮乏。

王达、黄海珊等[3-5]以头道河大桥为研究对象，利用ANSYS 建立局部精细化有限元模型，分析了施工全过程关键截面和挂篮的受力及变形。结果表明，异步施工工艺操作简单、经济效益好且根部混凝土和波腹板剪力均符合规范要求。

罗炎波等[6]依托宁波奉化江大桥介绍了异步施工工艺流程，建议下翼缘角钢连接件采用“开孔板+焊钉”形式，并利用局部模型验证了可行性。

黄强[7]以武西高速桃花峪黄河大桥为例，对新型异步悬臂浇筑工艺和挂篮构造进行了介绍，进一步探讨了波腹板PC 组合箱梁桥的应用范围。

岳宏智等[8]以山东小清河特大桥为工程背景，利用Midas FEA 软件建立全桥上部结构精细化实体模型模拟了异步施工全过程，研究了混凝土和波形钢腹板的应力及变形。结果表明结构受力合理，应力始终处于安全范围内，验证了工法的可行性。

由相关资料调研可知，目前对于异步施工的相关研究大多停留在理论分析及数值模拟阶段，鉴于异步施工工艺尚不成熟，为确保“异步施工法”结构安全与施工可行性，更好地研究实际条件下的主梁变形和内力控制，本文针对运宝黄河大桥副桥进行了大缩尺比模型试验，对重要施工节点的截面应力及变形数据进行跟踪监测，同时建立了TDV 精细化计算模型进行对比分析，以对异步施工的研究及推广应用提供有益借鉴。

1 工程简介

运宝黄河大桥副桥全长906 m（48 m+9×90 m+48 m），为双幅波形钢腹板刚构-连续组合体系梁桥，其桥墩F1—F3、F8—F11 为墩梁分离连续体系，F4—F7 为墩梁固结刚构体系。主梁采用C55混凝土单箱单室结构，箱梁顶面宽15.5 m，底宽8.5 m，跨中高度为2.7 m。

箱梁腹板采用波形钢腹板，腹板与主梁顶板采用“T-PBL”（双开孔板）连接件，与底板采用外包式连接件，运宝大桥副桥施工采用新型异步施工法悬臂浇筑工艺。

2 模型试验

2.1 目的

1）验证“异步施工法”工艺条件下，施工阶段主体结构的受力状态，尤其是波腹板的变形和应力水平；

2）对比分析传统后支点菱形挂篮和专用轻质挂篮工艺，验证异步施工法的便利性（顶底板独立工作面施工），专用轻质挂篮在波腹板上行走的可行性（图 1）。

图1 异步施工法新型轻质挂篮Fig.1 A new type of lightweight hanging basket with asynchronous construction method

2.2 相似分析

试验采用1∶4 几何缩尺比，模型和原型应力一致，根据相似理论，确定箱梁模型长度、宽度、截面惯性矩、外加荷载等几何特性，再现实际结构状态的响应特征，由此达到控制原结构的使用安全性和施工可行性。

2.3 总体设计

根据前述几何缩尺比，试验模型设计为全长8.1 m，模型0 号块左侧采用传统菱形挂篮施工，施工节段为①—③；模型0 号块右侧采用异步施工法施工，施工节段为①—④；模型节段编号及详细尺寸如图2 所示。

图2 缩尺模型示意图（cm）Fig.2 Schematic diagram of scale model(cm)

异步施工法作业区施工顺序为首先进行N+1段波形钢腹板安装，其次为N 节段底板施工，最后施工N-1 节段顶板，上下作业面的增加有效提高了施工效率，减少了相互干扰，缩短了工期[9]。

2.4 测试断面

测试断面选取图2 截面0 号—4 号，其中3号截面具体测点布置如图3 所示，SP01—SP06 为混凝土应力测点，SP07、SP08 为底板钢混结合区和混凝土底板顶面的补充测点，ST01—ST06 为波形钢腹板应力测点。

图3 测点布置图Fig.3 Layout of measuring points

2.5 工艺流程

模型试验的总体工艺流程如表1 所示，总共划分为13 个施工工序，其中在工序9、工序10及工序13 前后分别进行应变片数据的测试采集工作。

表1 总体工艺流程Table 1 Overall process flow chart

3 理论分析

分别建立运宝黄河大桥副桥F4 桥墩1∶1 原型与1∶4 缩尺的TDV 模型如图4 所示。模拟实桥0号块—节段④的施工过程，最终状态为0 号块右侧新型轻质挂篮“4 底3 顶”施工完毕，左侧传统菱形挂篮节段③浇筑完成。考虑最不利试验工况为“4 底3 顶”浇筑完成，选取图2 中3号最不利截面的应力与悬臂端位移值进行对比，结果见表2。

图4 理论模型示意图Fig.4 Schematic diagram of the theoretical model

由表2 可知，最大应力和最小应力相似比均在1 上下；原型悬臂端位移6.1 mm，模型悬臂端位移1.5 mm，位移相似比4.1，误差在合理范围内，因此模型相似比关系吻合较好，本试验缩尺TDV 模型是合理、可用的。

表2 1∶1 原型与1∶4 缩尺模型计算结果对比表Table 2 Comparison of calculation results between 1∶1 prototype and 1∶4 scale model

图 4 为 TDV 缩尺模型“4 底 3 顶”浇筑工况，根据计算可知，顶板最大拉应力出现在4 号测试截面，且其值很小，这主要是由于4 号截面的顶板预应力张拉抵消了顶板拉力。实际现场条件下，“4 底3 顶”节段在异步浇筑过程中，节点N1017截面并未形成闭口截面，由于其截面刚度较低无法抵抗承受的弯矩和剪力，因此底板最大压应力和波腹板最大应力均出现在3 号测试截面N1015节点，这是符合理论分析的。

4 试验结果分析

4.1 0 号截面施工阶段受力分析

用1∶4 缩尺TDV 模型模拟异步施工阶段见表3，其中0 号块0 号截面的测试结果见图5~图6。

表3 数值模拟施工阶段Table 3 Numerical simulation construction stages

图5 0 号块根部应力理论值Fig.5 Theoretical value of root stress of No.0 block

图6 0 号块波腹板应力理论值Fig.6 Theoretical stress value of the corrugated steel web of No.0 block

图5 为0 号块根部顶底板应力理论值，由顶板应力可以看出，0 号块端部张拉完成后，顶板处于受压状态，压应力为0.93 MPa，随着施工工序的开展，应力值小幅度缓慢增加，在节段①和节段②预应力张拉阶段（施工阶段8、13），顶板压应力均呈现陡增变化，最大压应力分别达到2.6 MPa 和4.1 MPa。SP08 和SP05 分别代表底板中部的上下边缘，随着施工工序的开展，上缘点SP08应力变化幅度较小，下缘点SP05 压力逐渐增大，在两次预应力张拉阶段均有小幅度减小，但相对顶板变化并不明显，最大压应力在4 底3 顶施工阶段达到0.35 MPa。

图6 为0 号块根部波形钢腹板的应力变化图，3 条曲线分别代表截面上的等距3点ST01、ST02和ST03，ST01 为受拉，ST02 和ST03 呈现受压状态，且随着施工工序的开展，各点应力值均不断增加，ST02、ST03 的变化幅度较小，ST01 拉应力增加比较明显，最大拉应力为15.5 MPa。

4.2 关键截面受力分析

根据前述试验预先布置好的应力测点，对模型试验的关键施工阶段（阶段12—16）完成前后进行实测，由于本试验0 号块左侧的菱形挂篮主要作为传统悬臂工艺对照组，仅列出异步施工工艺下的应力实测值，并将数值模拟结果与模型试验实测结果进行对比分析，典型结果如图7 所示。

图7 3 号截面波腹板应力对比图Fig.7 Stress comparison diagram of corrugated steel web of section 3

试验结果表明，随着施工工序的开展，4 号测试截面和3 号测试截面波形钢腹板、底板应力的变化基本一致。对于波腹板来说，ST01 应力点表现为拉力，且拉力值不断增加，ST02、ST03 敏感性相对较小。对于底板来说，底板的下边缘应力点SP05 与上边缘应力点SP08 也有明显差异，随着悬臂长度的增加，底板下边缘压应力不断增加，模型试验测试分析结果应力变化趋势与TDV模型理论计算基本一致。