连续刚构不等跨桥梁波形钢腹板合龙顺序研究

王宏祥，姜 云

(1. 南京市公共工程建设中心，南京 210019； 2. 苏交科集团股份有限公司，南京 211112)

近年来我国大跨、多跨桥梁数量不断增加，其中多跨连续桥梁因构造相对简单、施工工艺成熟、建设费用经济合理并且工程周期较短而得到广泛应用。但在实际施工中也发现多跨悬浇的预应力混凝土连续桥梁经常出现因抗剪承载力不足而产生斜向裂缝和跨中下挠过大等病害问题。

波形钢腹板桥梁采用16～30 mm的波折钢板代替箱型梁中的300～800 mm混凝土腹板，可彻底解决出现斜向裂缝的问题，波折钢板刚度大、强度高，用于结构中自重较轻。多跨连续刚构桥不需要大型支座、抗震性能好并且跨越能力强，环境恶劣且需跨越大江大河建设时会优先考虑该桥型[1]。

对于多跨且跨径不等的连续刚构波形钢腹板桥梁，合龙顺序选择不当易造成合龙困难、波形板安装难以控制以及梁体应力超限等问题，最终影响成桥的线形和内力。

因此，须提前对合龙顺序进行对比研究，提出合理的合龙方案，确保成桥安全性并适当缩短施工周期。尤加林等[2]研究了运宝黄河大桥副桥在3种合龙顺序下的情况，研究表明成桥后的梁体应力与合龙顺序的先后关系不显著，而不同合龙顺序对成桥状态下的波形钢腹板桥梁线形有着较为明显的影响。叶再军等[3]针对某九跨连续梁桥进行研究，研究表明合龙顺序对成桥状态下的线形有较大影响，通过数据比对最终认为采用隔跨的合龙顺序可使成桥状态下的应力与线形更为合理。

以南京仙新路过江通道北引桥为工程背景，研究合龙顺序对波形钢腹板桥梁成桥应力状态和变形的影响[4]，为连续刚构多跨且不等跨的桥梁波形钢腹板施工提供参考。

1 工程背景

南京仙新路过江通道北引桥为五跨一联桥梁，跨径组合为(50+60+80+100+70)m。桥梁第一跨为等高梁，第二跨至第五跨为变高梁，梁底按照圆曲线变化。桥梁立面如图1所示。

图1 桥梁立面(单位：m)

该桥标准箱梁截面为波形钢腹板单箱三室变高度直腹板形式，箱梁顶板宽为25.95 m，底板宽为17.95 m。悬臂根部设置内衬混凝土从而增加结构刚度，箱梁断面如图2所示，波形钢腹板厚度为16～22 mm，采用开孔钢板剪力键与混凝土顶、底板连接。

(a) 跨中合龙段

(b) 悬臂根部图2 箱梁断面(单位：cm)

该桥拟采用悬臂浇筑施工方法，即在N2～N5墩上浇筑0号块，悬臂浇筑梁段至合龙段进行合龙施工，之后张拉体内、体外预应力成桥。

2 合龙方案

各合龙方案描述如表1所示。

表1 各合龙方案描述

常见的合龙顺序有顺序合龙、跳跨合龙以及先小后大跨合龙等[5]。根据该桥现场施工条件并考虑工期影响，对3种合龙方案进行研究。

3 有限元分析模型

3.1 计算假定与简化

建模时为计算方便，在原有设计基础上对模型进行一定简化处理，忽略普通构造筋的影响[6]，各截面不考虑桥面2%横坡的影响，横隔板、转向块、齿块、内衬混凝土和挂篮等均以集中力代替。

建模时按轴线刚度相等的原则，将波形钢腹板厚度放大αES倍(钢筋与混凝土弹性模量比值，该桥取5.8)折算成混凝土腹板相应值。计算腹板切应力时，认为腹板承受所有切应力且上下均匀分布，忽略顶、底板混凝土对剪切变形的影响，忽略体外预应力钢束与转向块之间所产生的摩擦损失，也不考虑体外预应力增量。

3.2 模型建立

1) 结构离散

计算时采用杆系结构有限元对结构进行模拟，全桥共有梁单元136个，节点154个，体内及体外预应力钢束432根。全桥共考虑56个施工阶段。

2) 材料取值及边界条件

结构计算时，采用墩底固结，N1、N2墩和N6墩与梁体采用释放纵向约束的方式模拟连续体系支撑方式，N3、N4墩和N5墩则与主梁刚接模拟刚构方式。

梁体顶、底板采用C55混凝土，波折钢腹板采用Q345qD钢，桥墩采用C40混凝土，并采用15/17Φs15.2预应力钢束和1860型高强度低松弛预应力钢绞线。有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

4 成桥状态应力和变形分析

采用不同合龙顺序分别进行计算[7]，对3种方案成桥状态下的结构变形和应力进行分析，成桥状态下结构变形统计如图4所示。成桥状态下主梁应力统计如图5所示。

由图4可知，3种合龙顺序的竖向挠度整体变化趋势大体一致，线形变化相差较小，其中方案一的竖向挠度在第四跨合龙段附近下挠最大，为20 mm；最大上挠为8 mm，位于第四跨合龙段。合龙方案二的竖向挠度在第五跨合龙段下挠最大，为27 mm，其余各合龙段均有上挠趋势，其中最大上挠为17 mm，位于第四跨合龙段。方案三的最大下挠为25 mm，仍位于第五跨合龙段附近，最大上挠位于第四跨合龙段，为15 mm。不同顺序的结构最大变形相差44 mm。

图4 成桥状态下结构变形统计

(a) 上缘

由图5可知，方案一～方案三中结构上、下缘的应力峰值大体一致，趋势相同、浮动微小。方案一～方案三上缘最大应力分别为10.00 MPa、10.10 MPa、10.10 MPa，下缘最大应力分别为7.11 MPa、7.27 MPa、7.22 MPa，应力最大差值仅为0.16 MPa。

(b) 下缘图5 成桥状态下主梁应力统计

对优选的方案一进行整体升降温计算，分别设置整体升降温10 ℃和20 ℃四种工况，合龙阶段温差对桥梁挠度的影响如图6所示。由图6可知，温差越大，合龙阶段桥梁的挠度变化越大，相较于基准合龙温度，整体升温20 ℃时，桥梁最大上挠19 mm，整体降温20 ℃时，桥梁最大下挠36 mm。由此可知，温度是影响桥梁合龙的重要因素，须严格控制合龙温度，合理控制成桥线形。

图6 合龙阶段温差对桥梁挠度的影响

通过对成桥状态下的挠度与应力分析可知，在成桥状态下合龙顺序对连续刚构不等跨桥梁波形钢腹板的主梁应力影响不大，而合龙顺序对结构变形影响显著。由小跨径到大跨径的合龙顺序比从第一跨至第五跨以及先奇数跨后偶数跨所产生的位移更大。但在实际施工阶段更关注悬浇块产生的竖向挠度，梁块产生的竖向位移越大(尤其是下挠越大)，悬臂浇筑各个号块时产生的线形误差也会越大，导致无法精确合龙。为保证桥梁顺利成形，工程中会采用变形较小的方案，该桥采用顺序合龙的方案较为合理。

5 结论

依托五跨波形钢腹板预应力混凝土连续刚构不等跨箱梁桥，研究不同合龙顺序对成桥状态下结构应力及变形的影响规律，结论如下：①连续刚构不等跨桥梁波形钢腹板合龙顺序的先后，对成桥状态下各梁段的应力影响不大，均符合规范要求；②与传统的多跨连续梁桥相比，连续刚构不等跨桥梁波形钢腹板采取先边跨、后次跨、再中跨的方案并不是最优选择；③温差越大，合龙阶段桥梁的挠度变化越大，须严格控制合龙温度或进行温差修正，合理控制成桥线形；④从线形控制的角度分析，采取由第一跨依次至第五跨的合龙顺序可明显减小主梁的竖向挠度，更利于桥梁成形，同时应力也满足规范要求。