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施工顺序对钢-混凝土组合梁桥挠度影响研究*

2022-02-17马海军王龙轩任宁波崔丽娜刘红波

施工技术(中英文) 2022年24期
关键词:梁桥钢箱梁桥面

马海军,王龙轩,任宁波,崔丽娜,智 超,刘红波

(1.中交第二公路工程局有限公司,陕西 西安 710065; 2.天津大学建筑工程学院,天津 300072; 3.河北建工集团有限责任公司, 河北,石家庄 050051)

0 引言

钢-混凝土组合梁桥结合了混凝土箱梁桥和钢箱梁桥二者各自的优点,充分利用了混凝土抗压和钢材抗拉的性能优势,有效避免了混凝土开裂和钢材受压失稳问题。相较于纯混凝土箱梁,钢-混凝土组合梁桥自重明显降低,地震作用效应减小,桥梁跨度大大增加[1-2];相较于纯钢箱梁,钢-混凝土组合梁桥用钢量更少、造价更低、结构刚度更大,并具有更好的稳定性、整体性、抗火性与耐久性;另外,采用混凝土桥面板,也避免了钢桥面铺装病害等[3-5]。钢-混凝土组合梁桥符合大跨径桥梁的发展方向,具有显著的技术经济效益与社会效益[6-8]。

为进一步提高钢-混凝土组合梁桥的刚度和承载力,将预应力技术引入桥梁结构之中[9-10],为保证引入预应力技术的钢-混凝土组合梁桥中预应力拉索、预制钢箱梁及混凝土现浇桥面板的协同工作与桥梁整体安全性,需在施工过程中对挠度限值进行严格控制。在实际工程实践中,因客观原因所导致的施工工艺流程的改变对桥梁挠度影响较大。本文基于实际桥梁工程,针对钢-混凝土组合梁桥施工流程的改变进行桥梁挠度控制限值讨论,为工程施工提供参考。

1 工程概况

某桥梁工程位于荣乌高速公路新线京台高速公路至京港澳高速公路段,桥梁全长1 333m,桥梁左、右幅各分为13联。上部结构左、右幅第4~6联采用单孔72m简支钢-混凝土组合梁,桥墩编号:左幅 10~13 号,右幅12~15号;下部结构桥台采用肋板台,桥墩采用柱式墩,墩台采用桩基础。

桥梁整体结构横截面如图1所示。72m简支结构中心线处钢梁高2.6m,桥面板厚0.4m,主梁结构中心线处全高3m,桥面板宽20.53m。其中,钢-混凝土组合梁桥主梁截面由预制开口钢箱梁和现浇预应力混凝土桥面板通过抗剪连接器组成。钢箱梁单幅横截面如图2所示,钢箱梁底板宽2.8m,横截面为单箱单室,悬臂长度1.2m。预制钢箱梁设置跨中160mm的预拱度,向两端呈二次曲线布置。桥梁横坡通过钢箱梁腹板不等高形成,桥面铺装等厚。钢箱梁单联平面布置如图3所示,单幅每联由4道主梁组成,每根主梁分3个制作段,A,C段长23m,B段长26m。左、右幅共计6联,A,C段共48段,B段共24段。

图1 桥梁整体结构横截面

图2 钢箱梁单幅横截面示意

图3 钢箱梁单联平面示意

2 施工工艺及流程

根据该桥结构特点,充分考虑制作、运输等因素,总体施工工艺及流程为:①进行现场勘察测量;②对应位置制作临时支架扩大基础;③预制、安装临时支架(见图4),校对调节管支撑面标高,并在支座和临时支架上标记坐标点,方便钢箱梁就位;④钢箱梁按吊装顺序依次运输至现场,随到随吊,尽量不在现场积压,吊装以联为单位,原则上从一端到另一端依次吊装,现场据实际情况调整;⑤通过连接板和高强螺栓将各钢梁纵向连接成整体;⑥安装、焊接箱间横梁,将钢箱梁横向连接为整体;⑦铺设、焊接桥面钢模板;⑧浇筑箱内混凝土;⑨浇筑桥面混凝土;⑩待混凝土达到强度,张拉预应力钢束;具备拆除临时支架的条件后拆除临时支架和扩大基础;补漆涂装,验收。

图4 临时支架布置示意

因施工现场工期及调度安排发生改变,拟计划将临时支架的拆除工序提前至浇筑混凝土前。工序的改变势必会对桥梁挠度值产生影响,故对改变前后的2种施工流程进行全过程模拟分析,施工工序分别为:①架设桥墩及临时支撑、钢梁;②现浇桥面板;③张拉预应力钢束;④拆除各临时支撑;⑤桥面系施工。改变后的施工工序为:①架设桥墩及临时支撑、钢梁;②拆除各临时支撑;③现浇桥面板;④张拉预应力钢束;⑤桥面系施工。讨论过程中挠度值控制是否超出安全设计限值。

3 施工全过程有限元模拟

采用有限元软件Midas Civil中的梁格法建立的钢箱梁模型如图5所示。钢箱采用Q345qD钢板材料,预应力钢绞线公称直径15.2mm,钢绞线面积139mm2。钢绞线抗拉标准强度fpk=1 860MPa,弹性模量EP=1.95×105MPa。箱内、桥面铺装混凝土均采用C50混凝土。

图5 钢箱梁模型轴测图

采用板单元建立40cm厚混凝土桥面板。设置10cm厚沥青混凝土桥面铺装与8cm厚C50防水混凝土调平层等桥面施工为恒荷载,根据设计图纸边界条件采用简支梁支座。取C50混凝土重度γ=26.0kN/m3, 根据桥面宽度20.53m、长度72m,计算出恒荷载中线荷载值3.6kN/m。车道荷载采用 JTG D64—2015 《公路钢结构桥梁设计规范》中规定的线荷载10.5kN/m。

3.1 预拱度计算

根据JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中“当预加应力的长期反拱值小于按荷载频遇组合计算的长期挠度时应设预拱度,其值应按该项荷载的挠度值与预加应力长期反拱值之差采用”,在有限元软件MIDAS Civil中设置荷载组合为1.0恒荷载+0.5车道荷载+1.0预应力,分别计算设计施工工序与改变后的施工工序桥梁预拱度,如图6所示。设计施工工序预拱度设置应为71.3mm为宜,改变后的施工工序预拱度设置应为129.0mm为宜。已知钢箱梁的预拱度设置为160mm,2种工序均满足要求。

图6 预拱度计算

3.2 设计施工工序结构挠度计算

设置桥梁预拱度为160mm,分别在各项工序进行时叠加相应的荷载,计算设计施工工序各施工阶段结构挠度,结果如图7~12所示。架设桥墩及临时支撑、钢梁后桥梁的最大挠度为0.359mm,现浇桥面板后桥梁的最大位移为0.937mm,张拉预应力钢束后桥梁的最大位移为1.050mm,拆除临时支撑后桥梁的最大位移为55.633mm,桥面系施工后桥梁的最大位移为68.743mm,通车运行后桥梁的最大位移为83.087mm。

图7 架设桥墩及临时支撑、钢梁后桥梁位移

图8 现浇桥面板后桥梁位移

图9 张拉预应力钢束后桥梁位移

图10 拆除各临时支撑后桥梁位移

图11 桥面系施工后桥梁位移

图12 通车运行后桥梁位移

3.3 改变后施工工序结构挠度计算

设置桥梁预拱度为160mm,分别在各项工序进行时叠加相应荷载,计算改变后施工工序各施工阶段结构应力及位移,结果如图13~18所示。架设钢梁后桥梁的最大位移为0.359mm,现浇桥面板后桥梁的最大位移为116.307mm,张拉预应力钢束后桥梁的最大位移为252.969mm,拆除临时支撑后桥梁的最大位移为115.326mm,桥面系施工后桥梁的最大位移为128.418mm,通车运行后桥梁的最大位移为141.480mm。

图13 架设桥墩及临时支撑、钢梁后桥梁位移

图14 拆除各临时支撑后桥梁位移

图15 现浇桥面板后桥梁位移

图16 张拉预应力钢束后桥梁位移

图17 桥面系施工后桥梁位移

图18 通车运行后桥梁位移

3.4 设计施工工序与改变施工工序位移应力对比

钢-混凝土组合梁桥2种工序全过程模拟的位移及相应的结构应力值如表1所示。

如表1所示,改变前后的施工工序对桥梁挠度值影响较大。原设计施工工序挠度随着流程缓慢增加,最大值出现在桥梁通车运行后,仅为83.087mm;改变后的施工工序将临时支撑的拆除提前至桥梁楼面板施工前,使得桥梁挠度值骤然升高。在预应力张拉工序后,预应力钢束的反拱效应使挠度值有所下降,然而相较于设计施工工序仍然过大,最大值出现在现浇桥面板施工工序后,为252.969mm,较原设计施工工序增大了269%。虽然2种施工顺序的结构应力值均未超出钢材屈服强度极限值,但是随着挠度的变化巨大,相较于原设计施工工序,改变后的施工工序结构内最大应力值提升较多,从原设计的最大106.65MPa增大至152.0MPa,增大了42.52%。

表1 施工工序变化前后结构位移应力值对比

4 结语

钢-混凝土组合梁桥施工工序的改变对桥梁挠度值影响较大,同时会伴随结构内力值的剧增。为保证成桥的安全工作,避免引起过大的结构变形使桥梁挠度值超出限度,故而不建议在施工过程中随意变更施工顺序。

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