波形钢腹板PC组合箱梁桥异步施工法腹板受力性能研究

黄海珊 林本虎 陈蜀静

摘要：文章以某高速公路波形钢腹板PC组合箱梁桥为工程背景，运用数值模拟软件ANSYS，分别建立桥梁根部附近和跨中合龙段附近施工阶段的局部数值模型，研究异步浇筑施工的波形钢腹板PC组合箱梁桥腹板的受力性能。结果表明：采用异步浇筑施工的波形钢腹板PC组合箱梁桥根部附近腹板最大应力为155MPa，跨中合龙段附近腹板最大应力为167MPa，位置均出现在腹板上翼缘板。

关键词：波形钢腹板；组合箱梁；有限元法；应力

中图分类号：U448.21+3A220724

0引言

波形钢腹板PC组合箱梁桥因采用轻型钢结构代替厚重的混凝土，使其具有自重轻、受力合理、能充分发挥组合材料各自性能等特点，被广泛应用于公路桥梁中。当前，对于波形钢腹板PC组合箱梁研究成果包括结构屈曲强度［1］、抗弯性能［2-3］、模型抗剪性能［4］、动力特性［5-6］等方面，这些研究成果对于该类桥梁的推广具有积极的促进作用。但对于实桥施工过程中的受力研究则涉及较少，特别是对于波形钢腹板的受力性能研究更是鲜有报道。本文以实桥为实施对象，采用数值模拟的分析方法，对波形钢腹板PC组合箱梁桥采用异步法施工过程中腹板的受力性能进行分析，研究成果可为类似组合桥梁的施工提供参考。

1工程概况

某高速公路大桥为波形钢腹板PC组合箱梁桥，跨径组合为（72+130+72）m，横截面形式为单箱单室，单幅箱梁顶板、底板宽分别为12 m、7 m；梁底从根部到跨中采取1.8次抛物线的变化形式；跨中位置梁高3.5 m，底板厚度0.3 m，根部位置梁高7.5 m，底板厚度1.1 m。桥梁纵向布置形式见图1。桥梁腹板材质为Q355NHC，单波长度为1.6 m，波形高度为0.22 m，钢板的厚度由跨中至根部14～24 mm依次变化。钢腹板的构造详见图2和图3。

2施工工艺与结构有限元模型

2.1异步浇筑施工工藝

波形钢腹板PC组合箱梁桥异步浇筑施工工艺步骤是将相同节段顶、底板混凝土分开浇筑，把挂篮安装于第n节段，同时浇筑第n-1节段顶板混凝土和第n节段底板混凝土，并同步安装第n+1节段波形钢腹板，作业面由传统挂篮施工法的单个工作面增加到n-1、n、n+1三个工作面，大大提高了施工效率［7］。

2.2结构有限元模型某高速公路波形钢腹板PC组合箱梁桥共分为13块悬臂浇筑节段，在进行结构腹板受力分析时，选取根部1#节段顶板、2#节段底板浇筑完成与3#节段钢腹板安装完成的施工工况和跨中合龙段附近9#梁段施工至11#梁段浇筑顶板施工工况，分别建立局部数值仿真模型（详见图4和图5）。根部附近数值模型共分2 897节点、4 535个单元；跨中合龙段附近模型共分2 536节点，4 189个单元。建模时，主梁顶、底板混凝土材料采用C55，主墩为C40。数值模型中混凝土统一使用四面体实体单元solid92模拟；波形钢腹板则使用板壳单元shell63模拟；为简化计算，结构预应力采用等效的方法进行模拟；钢腹板的上翼缘板与顶板的结合部位采用剪力钉（combin14弹簧单元）进行模拟，避免端头结合位置发生应力集中现象。

3结果分析

3.1根部附近腹板受力分析

对根部附近施工工况进行建模分析时，根部端部及主墩底部固结，并在波形腹板前端设置两道临时横撑，第一道横撑与钢腹板端头相距0.8 m，第二道横撑与前一道相距3.2 m。计算时，模型中该工况荷载选取已浇筑完成的混凝土和已安装完成的波形钢腹板自重、挂篮支点反力进行组合，由此可计算得出挂篮前支点反力大小为62.5 kN，中支点单点反力大小为293.25 kN，后支点单点反力大小为230.75 kN。该模拟工况下，根部附近波形钢腹板在各种荷载下各部位的应力云图详见图6～10。

由图6～10可知，采用异步法施工完成1#梁段顶板、2#梁段底板混凝土浇筑与3#梁段钢腹板安装后，波形钢腹板最大竖向剪应力仅为37.4MPa，远小于设计规定值170MPa；腹板最大顺桥向正应力仅为80.8MPa，亦小于设计规定值295MPa；波形钢腹板上翼缘板顺桥向与底部钢板顺桥向最大正应力分别为155MPa和-79MPa，也低于钢结构设计允许应力值；整个钢构件von-mises应力最大值仅为136MPa。由此可见，该阶段钢腹板最大应力出现在上翼缘钢板，位于1#节段和2#节段钢腹板结合部附近；同时由以上分析结果得出，对于采用异步施工法施工的波形钢腹板PC组合梁桥，上翼缘钢板的受力十分关键，应采取措施进行加强；其余各类型应力除在局部发生少许应力集中外，大部分部位应力分布较为合理。

3.2合龙段附近腹板受力分析

对跨中合龙段附近施工工况进行建模时，主梁顶底板混凝土采用C55，9#梁段端部边界条件采用固结的形式模拟。计算时，模型中该工况荷载选取已浇筑完成的混凝土与已安装完成的波形钢腹板自重、挂篮支点反力等进行组合，由此可计算得出挂篮前支点反力为150.5 kN，中支点单点反力为381.3 kN，后支点单点反力为230.75 kN。

根据施工需要，设置了两道临时横撑构造，第一道横撑与钢腹板端头相距0.8 m，第二道横撑与前一道相距3.2 m。跨中合龙段附近钢腹板在各种荷载作用下各部位的应力云图详见图11～15。

由图11～15可知，采用异步法施工完成9#梁段顶板、10#梁段底板混凝土浇筑与11#梁段钢腹板安装后，波形钢腹板最大竖向剪应力仅为33.7MPa，远小于设计规定值170MPa；腹板最大顺桥向正应力为114MPa，亦小于设计规定值295MPa；波形钢腹板上翼缘板顺桥向与底部钢板顺桥向最大正应力分别为167MPa和-76.9MPa，也低于钢结构设计允许应力值；整个钢构件von-mises应力最大值为180MPa，位于第二道横撑和波形钢腹板的连接处。由此可见，该阶段钢腹板最大应力出现在上翼缘钢板，位于9#节段与10#节段钢腹板结合部附近；同时，由以上分析结果得出，对于采用异步施工法施工的波形钢腹板PC组合梁桥，上翼缘钢板的受力较为重要。另外，钢构件von-mises应力最大值出现在横撑和波形钢腹板的连接处，说明钢腹板与临时横撑的连接亦应受到重视，应采取措施进行加强。

4结语

通过对采用异步浇筑法施工的某高速公路波形钢腹板PC组合箱梁桥腹板进行局部受力分析，可得出以下结论：

（1）通过局部模型分析，根部至3#梁段波形钢腹板施工工况下最大应力出现在上翼缘钢板，应力值达155MPa，表明上翼缘钢板的受力十分关键；其余各类型应力除在局部发生少许应力集中外，大部分部位应力分布比较合理。

（2）在完成9#梁段顶板、10#梁段底板混凝土浇筑与11#梁段钢腹板安装后，波形钢腹板最大应力亦出现在上翼缘钢板，应力值达167MPa；钢构件von-mises应力最大值出现在横撑和波形钢腹板的连接位置，说明钢腹板与临时横撑的连接亦应受到重视，应采取措施进行加强。

（3）采用异步法施工的波形钢腹板PC组合箱梁桥，除关注主梁混凝土结构最大应力、腹板剪应力外，腹板上翼缘板的顺桥向应力亦应成为关注的重点，施工过程中需对该结构的应力进行监测。

参考文献

［1］ Luo R，Edlund B.Shear capacity of plate girders with trapezoidally corrugated webs［J］.Thin-Walled Structures，1996，26（1）：19-44.

［2］安里鵬，汪宏，安永日.波形钢腹板连续刚构桥静力特性分析［J］.重庆交通大学学报，2011，30（5）：903-906.

［3］郑博文.装配式波形钢腹板组合箱梁抗弯性能试验研究［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2021.

［4］聂建国，朱力，唐亮.波形钢腹板的抗剪强度［J］.土木工程学报，2013，46（6）：97-109.

［5］冀伟，刘世忠，蔺鹏臻.波形钢腹板连续箱梁的动力特性［J］.公路交通科技，2011，28（11）：55-60.

［6］韦忠瑄，孙鹰.波形钢腹板PC组合箱梁的动力特性研究［J］.固体力学学报，2011，32（S1）：394-398.

［7］王达，黄海珊，曹政，等.波形钢腹板PC组合箱梁桥新型异步施工受力性能研究［J］.公路交通科技，2016，33（8）：58-64.

作者简介：黄海珊（1990—），硕士，工程师，研究方向：桥梁检测与施工控制。