大跨度波形钢腹板连续刚构桥徐变效应研究

2021-11-05胡逸凡王绵坤孙约瀚荆国强

铁道建筑技术 2021年10期

胡逸凡王绵坤孙约瀚荆国强

（1.温州市七都大桥北汊桥建设有限公司浙江温州 325099；2.广东水利电力职业技术学院市政工程系广东广州 510635；3.西南交通大学土木工程学院四川成都 610031；4.中铁大桥科学研究院有限公司湖北武汉 430034；5.桥梁结构健康与安全国家重点实验室湖北武汉 430034）

1 引言

波形钢腹板（Corrugated Steel Web，CSW）预应力组合箱梁桥起源于法国，与传统预应力混凝土（Prestressed Concrete，PC）箱梁相比优势显著［1－2］。目前，该桥型已在德国、挪威、美国、韩国、日本得到广泛应用［3］，我国的波形钢腹板桥梁也在迅速发展［4－5］。在大跨度桥梁结构中，混凝土徐变是引起结构下挠的主要因素，同时徐变还会引起结构内力和应力的重分布［6－7］，对结构长期受力性能的影响不容忽视，在设计和施工中应充分考虑。波形钢腹板箱梁的顶底板材料为混凝土，腹板材料为钢材，两种材料特性差异很大，同时徐变可能引起箱梁混凝土顶底板、波形钢腹板之间的应力重分布，并引起预应力损失，对桥梁的长期变形和内力产生重要影响，近几年受到广泛关注。李立峰［8］对波形钢腹板简支梁在长期荷载下的徐变效应进行了试验研究，并对波形钢腹板简支梁徐变计算方法进行验证，通过参数分析结果表明，波形钢腹板截面能有效减小徐变效应，从而减小长期徐变效应引起的反拱。李明［9］建立了一座等截面波形钢腹板与预应力混凝土简支梁的模型，对比分析了徐变效应导致的内力以及位移的变化。唐杨［10］建立了一座大跨径波形钢腹板组合箱梁桥模型，研究环境相对湿度、混凝土加载龄期、持续加载时间、混凝土强度等级以及桥墩高度对波形钢腹板组合箱梁桥收缩徐变的影响。熊锋［11］研究了剪切变形对波形钢腹板组合箱梁桥徐变效应的影响，得出剪切变形对徐变应力与徐变变形均产生明显影响，且徐变应力减小而徐变变形增大的结论。杨彦海［12］从徐变效应、徐变影响因素以及徐变计算方法对波形钢腹板以及混凝土简支梁进行了对比研究。徐变效应对于大跨径桥梁的影响十分显著，特别近年大跨度桥梁由于徐变效应产生的跨中挠度增加，甚至腹板开裂的问题层出不穷，现有波形钢腹板主梁与混凝土主梁徐变效应的对比研究主要集中在简支梁，对大跨径波形钢腹板桥梁徐变效应研究较少，因此对大跨径波形钢腹板桥梁的研究具有较大意义。

本文采用大型通用有限元软件Midas／Civil建立一座3跨预应力连续刚构桥梁，其中主梁分别采用波形钢腹板与混凝土箱梁，对比分析截面类型不同时，主梁与墩顶位移、主梁顶底板应力以及预应力损失，旨在为修建同类型的大跨度波纹钢腹板连续刚构桥梁提供参考。

2 工程概况

本文以一座波形钢腹板连续刚构桥为研究对象，该桥跨径布置为（105＋190＋105）m，桥型布置如图1所示。箱梁顶板宽16.5 m，底板宽9.5 m，外翼板悬臂长3.5 m。箱梁跨中及边跨支架现浇段梁高5.0 m，箱梁根部断面梁高为11.7 m。从箱梁根部至跨中及边跨现浇段，梁高以1.8次抛物线变化。箱梁预应力钢束采用体内预应力与体外预应力相结合的方式进行配置。

图1 桥型布置（单位：cm）

箱梁0号段长11.6 m（包括桥墩两侧各外伸1.3 m），每个T构纵桥向划分为22个梁段，梁段长度从根部至端部分别为2×3.0 m、8×3.6 m、11×4.8 m。1～22号梁段采用挂篮悬臂浇筑施工，悬臂浇筑梁段最大控制重量274 t，挂篮设计自重110 t。全桥合计共有3个合龙段，合龙段长度均为3.2 m。边跨现浇段长8.2 m。

3 截面设计及有限元模型

3.1 截面设计

为保证CSW截面与PC截面在同等条件下对比其徐变性能，以截面抗弯承载力与腹板抗剪承载力一致为目标设计两类截面，腹板抗剪承载力的等效换算公式：

式中：t为混凝土腹板厚度；［τ1］为钢板的容许抗剪强度；［τ］为混凝土的容许抗剪强度；t1为波形钢腹板厚度。

根据式（1）可得到腹板厚度，在箱梁底板尺寸一致且顶底板配筋相同的情况下，将顶板根据抗弯承载力等效，则可通过试算调整顶板各部分分块尺寸，使得两种截面的抗弯承载力一致。

根据以上等效方法，可得到如图2所示的CSW截面与PC截面尺寸。

图2 截面尺寸（单位：mm）

3.2 有限元模型

桥梁有限元模型采用Midas软件建立，主梁截面采用CSW截面与PC截面分别建模，全桥模型共分为89个施工阶段。主梁采用C60混凝土，弹性模量为3.6×104MPa；桥墩采用C30混凝土，弹性模量为3×104MPa。为便于比较，CSW截面与PC截面均采用相同的体外预应力与体内预应力，预应力钢束采用Ø15.2 mm高强低松弛钢绞线，弹性模量为1.95×105MPa。施工时，边跨采用支架现浇方式施工，其余部分采用悬臂浇筑施工。主墩与主梁之间采用刚性连接，主墩底部采用固结处理，边跨支座采用滑动铰支座进行模拟。有限元空间计算模型如图3所示。有限元模型采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）中规定的徐变模型计算徐变效应，徐变的时变效应采用逐步计算法进行计算，相对湿度为70%，构件理论厚度为0.001，水泥种类系数取5.0，其他参数由程序自动生成。

图3 有限元模型

4 波形钢腹板与普通混凝土腹板连续刚构桥徐变效应对比分析

4.1 主梁跨中以及墩顶变形分析

大跨度连续刚构桥在徐变作用下，主梁变形不断增大，同时桥墩墩顶也会产生一定的变形。本节以成桥阶段为基准，提取CSW连续刚构桥和PC连续刚构桥的跨中挠度以及墩顶变形，并进行差分，得到跨中挠度以及墩顶变形随时间的变化率，如图4～图5所示。

图4 跨中挠度增量

图5 左墩墩顶水平位移增量

由图4可以看出：总体上PC连续刚构桥的徐变挠度较CSW连续刚构桥大，成桥20年时，前者为后者徐变变形的1.64倍，说明在桥梁运营后期，CSW连续刚构桥能一定程度上克服长期变形对行车舒适性的影响，且由于采用CSW代替了传统的混凝土腹板，也会减少腹板开裂的现象。在成桥前期，两种结构挠度均随时间明显增大，CSW连续刚构增长速率要明显低于PC连续刚构，后者为前者的1.76倍，后期两种桥梁挠度增长速率逐渐变缓。

由图5可以看出：CSW连续刚构桥墩顶位移以及变化率均较PC连续刚构桥大，且位移逐渐向跨中方向增大，成桥20年时，前者水平位移为后者的1.21倍，说明随着桥梁运营时间增加，CSW连续刚构桥桥墩受力较为不利，需要通过增大墩高等方式减小推力带来的不利影响。

4.2 顶底板应力分析

图6为成桥20年时两种桥梁截面的徐变应力对比曲线，图中横坐标表示截面坐标距离桥梁左端点的距离。

由图6a可以看出：徐变导致的跨中处截面上缘应力最大，且PC连续刚构较CSW连续刚构大，增幅达111%；由图6b可以看出，徐变导致的跨中处截面下缘应力最大，且PC连续刚构较CSW连续刚构大，增幅达49%，这说明CSW连续刚构能有效减小混凝土的徐变应力，从而可以优化混凝土截面，使上下底板混凝土用量更少，达到节省工程量的目的。

根据图6计算结果，最不利徐变应力位于桥梁中跨跨中截面，因此本文给出桥梁中跨跨中截面上下缘的徐变应力随时间的变化曲线，见图7。由图7可知，成桥初期，截面徐变应力随时间变化较快，且CSW连续刚构徐变应力的增加速度要慢于PC连续刚构；15年后，两种桥梁结构的徐变应力均不再增加。对比两图可知，顶板的徐变应力增加速度要快于底板。CSW连续刚构截面上、下缘徐变应力在成桥20年与成桥初期相比增幅分别为186%、191%，PC连续刚构截面上、下缘徐变应力在成桥20年与成桥初期相比增幅为308%、292%，且从图中可以看出：成桥初期徐变应力均较小，说明长期徐变效应对混凝土的应力影响较大，而CSW连续刚构可减小这种不利效应。