頂推施工中波形鋼腹板PC組合梁局部受力性能分析

陳　釩，高富龍，李　冰（.中電建路橋集團有限公司，北京市 00048；.中電建路橋集團有限公司華中分公司，河南 鄭州 450000）

頂推施工中波形鋼腹板PC組合梁局部受力性能分析

陳釩1，高富龍1，李冰2
（1.中電建路橋集團有限公司，北京市 100048；2.中電建路橋集團有限公司華中分公司，河南 鄭州 450000）

波形鋼腹板PC組合梁采用頂推施工時，其箱梁底板要連續(xù)不斷在支墩上滑動，箱梁局部在頂推過程中的受力與成橋狀態(tài)有較大不同。為了明確組合箱梁波形鋼腹板在頂推施工中的局部受力性能，以國內(nèi)一座采用整體式頂推施工的大跨度波形鋼腹板PC組合梁為例，采用板殼實體模型詳細模擬了混凝土頂?shù)装迮c波形鋼腹板的真實結(jié)構(gòu)，計算在頂推過程中組合箱梁的局部受力性能。比較了不同構(gòu)造形式下的結(jié)構(gòu)受力性能，為設(shè)計計算同類橋梁的局部結(jié)構(gòu)提供了參考。

波形鋼腹板；頂推；局部受力性能；不同構(gòu)造形式

0　引言

波形鋼腹板PC組合梁橋是一種在國外新興并迅速發(fā)展的新型組合橋，近年來，這種橋梁結(jié)構(gòu)形式在我國也得到發(fā)展和應(yīng)用。波形鋼腹板橋梁用約10 mm厚的鋼板取代了30～80 cm厚的混凝土腹板，使得其上部結(jié)構(gòu)自重大大減輕。在特定情況下與同跨度的高強預(yù)應(yīng)力混凝土橋相比，波形鋼腹板PC組合箱梁橋可節(jié)約成本15%～20%［1］，且能夠避免腹板混凝土開裂，相對于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁是一種經(jīng)濟、合理的組合結(jié)構(gòu)形式［2］。

目前波形鋼腹板PC組合箱梁在國外的施工方法中有支架施工法、懸臂施工法和頂推施工法。而我國的波形鋼腹板PC組合箱梁施工目前大量采用支架施工法和懸臂施工法，而采用頂推施工法的工程較少。在一些特殊情況下，如需要跨越鐵路的橋梁，橋下不允許搭設(shè)支架進行現(xiàn)澆施工，波形鋼腹板PC箱梁橋也可以采用頂推法進行施工［3，4］。由于橋梁在成橋狀態(tài)與施工過程有較大的不同，使得橋梁在成橋運營情況下每個部位的受力與施工過程有較大不同，特別是在頂推施工過程中橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)在連續(xù)變化，在橋梁的設(shè)計計算分析中需要充分考慮具體的施工過程對橋梁受力的影響?？紤]頂推施工的波形鋼腹板PC組合箱梁橋其結(jié)構(gòu)受力相對于其他常規(guī)施工方法的結(jié)構(gòu)受力有其特殊之處，主要表現(xiàn)在：（1）在成橋狀態(tài)下僅有支座處的鋼腹板受到支座局部壓力和梁體剪力作用，通常在設(shè)計時把該部位的腹板做的比其他部位厚實一些。而在頂推法施工中組合箱梁的腹板每個部位均要承受支座局部壓力和梁體剪力作用，使得鋼腹板在設(shè)計薄弱位置容易發(fā)生局部失穩(wěn)。（2）波形鋼腹板PC組合箱梁中波形鋼腹板的局部受力受到底板混凝土接觸面積的影響較大，頂推過程中滑道的面積與成橋時支座的面積相差較大，合理的滑道接觸面積對保障波形鋼腹板組合梁頂推過程中的混凝土局部受力和腹板的穩(wěn)定具有重要作用。

目前未見有關(guān)波形鋼腹板組合箱梁頂推施工中局部受力性能分析的研究，開展這方面的研究對明確組合頂推時的結(jié)構(gòu)安全度具有重要的理論意義和工程實用價值。本文對波形鋼腹板PC組合梁橋在頂推施工中的局部受力性能展開討論，以國內(nèi)一座采用頂推施工的大跨度波形鋼腹板PC組合梁為例，采用ANSYS建立板殼實體單元模型詳細模擬了混凝土頂?shù)装迮c波形鋼腹板的真實結(jié)構(gòu)，計算在頂推過程中組合箱梁的局部受力性能。同時比較了不同支座尺寸下以及底板構(gòu)造形式下的結(jié)構(gòu)受力性能和穩(wěn)定性能，得出了一些有意義的結(jié)論，可為同類橋梁的局部結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1　工程背景

本文分析的橋例是國內(nèi)第一座采用整體式頂推法施工的五跨連續(xù)波形鋼腹板PC組合箱梁，縱橋向采用50 m等跨徑布置，橫橋向采用雙向六車道分兩幅設(shè)計。上部結(jié)構(gòu)采用等高度波形鋼腹板混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，兩幅之間斷開。單幅截面采用單箱單室斜腹板截面，頂板寬度為12.75 m，底板寬度為6.0 m，腹板傾斜角度為75°。雙幅截面頂緣采用雙向2.0%橫坡，梁底水平布置，箱室中心線處梁高3.5 m，箱梁頂板懸臂長度3.2 m，內(nèi)室寬度6.35 m，頂板懸臂端部厚0.2 m，根部厚0.55 m；頂板一般厚度均為0.3 m，底板一般厚度為0.25 m，支點橫梁處加厚至0.55 m。波形鋼腹板采用BCSW1600型，鋼板厚度采用t=16 mm和t=20 mm兩種。鋼翼緣板除導(dǎo)梁段翼緣鋼板厚20mm外，其余一般節(jié)段翼緣鋼板采用 16 mm，與混凝土頂板采用Twin-PBL方式連接，與混凝土底板采用栓釘連接，主梁永久預(yù)應(yīng)力采用體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力混合配置方式。主梁頂、底板采用C60高強度混凝土，鋼腹板采用Q345qC鋼材。橋梁1/2幅橫斷面如圖1所示。

圖1　橋梁斷面圖（單位：mm）

2　波形鋼腹板局部受力分析

在本橋例中，成橋狀態(tài)下位于支座處的鋼腹板厚度為20 mm，其他部位的鋼腹板厚度為16 mm。而在頂推法施工中組合箱梁的腹板每個部位均要承受支座局部壓力和梁體剪力作用，使得鋼腹板在設(shè)計薄弱的位置容易發(fā)生局部失穩(wěn)。橋梁一跨特征斷面位置如圖2所示，斷面1、2、8、9處鋼腹板厚度為20 mm，斷面3～7處鋼腹板厚度為16 mm，斷面1、3、5、7、9處設(shè)置有混凝土橫隔板。因此斷面4、6為設(shè)計薄弱位置，鋼腹板最容易發(fā)生局部失穩(wěn)。

根據(jù)頂推施工整體模型中各工況的計算結(jié)果，選取板厚16 mm波形鋼腹板空腹截面處于支墩位置且支反力最大時的工況進行局部受力分析。此工況下截面6處于YP5墩，該處支座反力最大，為12 153 kN。根據(jù)截面6所在位置，建立10 m ANSYS空間有限元節(jié)段實體模型［5］，研究頂推施工過程中組合箱梁橋波形鋼腹板局部受力性能及其局部穩(wěn)定性能。根據(jù)整體模型計算結(jié)果，提取該工況下節(jié)段模型左右截面的內(nèi)力值見表1。

表1　局部節(jié)段截面內(nèi)力

局部節(jié)段受力復(fù)雜，處于支座局部壓力與梁體剪力彎矩的共同作用下。為了得到各類荷載作用下波形鋼腹板的應(yīng)力分布規(guī)律及失穩(wěn)形式，明確不同荷載對波形鋼腹板局部受力性能的影響，分以下三種荷載情況進行分析：（1）局部壓力作用；（2）剪力作用；（3）剪力和局部壓力共同作用。

局部模型單元及其屬性與整體模型一致，即混凝土頂?shù)装鍐卧捎肧olid65單元，波形鋼腹板上下鋼翼緣板單元采用Shell43單元，在局部模型中忽略剪力連接件以及預(yù)應(yīng)力的作用。建立10 m ANSYS有限元節(jié)段三維模型如圖3（a）所示。為真實考慮剪力和局部承壓的影響，在兩側(cè)滑道處1.5 m（順橋）×1.2 m（橫橋）范圍內(nèi)建立支座單元，支座單元采用Link10模擬，設(shè)置為僅承受壓桿單元，如圖3（b）所示。

圖2　特征斷面位置（單位：mm）

圖3　ANSYS節(jié)段模型示意圖

2.1波形鋼腹板在局部壓力作用下的受力性能

為研究波形鋼腹板在局部壓力作用下的受力性能并分析其在頂推施工過程中的局部穩(wěn)定性，約束局部模型滑道區(qū)域范圍頂板節(jié)點的三向位移，將支座反力12 153 kN用均布荷載的方式加載在混凝土底板滑道區(qū)域范圍內(nèi)，單個滑道尺寸為1.5 m（順橋）×1.2 m（橫橋）。計算波形鋼腹板的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)的第一階屈曲特征值并得到相應(yīng)屈曲模態(tài)。

圖4　波形腹板在局部壓力作用下的應(yīng)力及屈曲模態(tài)（單位：MPa）

圖5　波形腹板在剪力作用下的應(yīng)力及屈曲模態(tài)（單位：MPa）

波形鋼腹板面內(nèi)豎向正應(yīng)力、面內(nèi)剪應(yīng)力、Mises應(yīng)力和第一階屈曲模態(tài)如圖4所示。由圖可知，波形鋼腹板在局部壓力作用下主要受豎向壓應(yīng)力作用，分布在支座處1.5 m（支座縱向尺寸）長的腹板內(nèi)，支座外腹板壓應(yīng)力水平較低。最大壓應(yīng)力為146 MPa，出現(xiàn)在支座中心位置的腹板處，應(yīng)力由此點向左右兩側(cè)和上方擴散逐漸減少；在支座上方長0.75 m、高約1/3腹板高度范圍的腹板內(nèi)豎向正應(yīng)力在130 MPa以內(nèi)，在長1.2 m、高約2/3腹板高度范圍的腹板內(nèi)豎向正應(yīng)力在110 MPa，在支座邊緣壓應(yīng)力擴散至腹板上緣范圍的豎向正應(yīng)力在93 MPa以內(nèi)。面內(nèi)剪應(yīng)力較小呈左右對稱分布，最大剪應(yīng)力為11 MPa，出現(xiàn)在支座邊緣腹板的上下緣。Mises應(yīng)力分布規(guī)律和豎向正應(yīng)力類似，最大Mises應(yīng)力為151 MPa。結(jié)構(gòu)第一階屈曲穩(wěn)定特征值為9.14，鋼腹板屈曲模態(tài)為支座處波形腹板的單個板件部分出現(xiàn)的局部屈曲。

2.2波形鋼腹板在剪力作用下的受力性能

將該節(jié)段兩端剪力-5 007 kN和-5 307 kN施加于局部模型上，計算波形鋼腹板的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)的第一階屈曲特征值并得到相應(yīng)屈曲模態(tài)。

波形鋼腹板面內(nèi)豎向正應(yīng)力、面內(nèi)剪應(yīng)力、Mises應(yīng)力（第四強度理論等效應(yīng)力）和第一階屈曲模態(tài)如圖5所示。由圖可知，波形鋼腹板在剪力作用下豎向正應(yīng)力較小，最大豎向正應(yīng)力僅30 MPa，出現(xiàn)在腹板中央上緣和腹板兩端下緣。面內(nèi)剪應(yīng)力近似呈左右對稱分布，右側(cè)剪應(yīng)力稍大，沿高度方向均勻分布。最大面內(nèi)剪應(yīng)力為-48 MPa和45 MPa，出現(xiàn)在支座兩側(cè)腹板中央2.4 m長的整個板高內(nèi)，并向左右側(cè)均勻擴散至4 m長的區(qū)域內(nèi)剪應(yīng)力達到-27 MPa和24 MPa。Mises應(yīng)力分布規(guī)律和面內(nèi)剪應(yīng)力類似，最大Mises應(yīng)力為86 MPa。結(jié)構(gòu)第一階屈曲穩(wěn)定特征值為24.90，鋼腹板屈曲模態(tài)為支座右側(cè)波形腹板在兩個波段的合成屈曲，是一種局部屈曲和總體屈曲相互影響、相互作用的復(fù)雜屈曲模式。

2.3波形鋼腹板在剪力和局部壓力作用下的受力性能

將該節(jié)段左端剪力-5 007 kN、軸力16 812 kN、彎矩31 972 kN·m和右端剪力-5 307 kN、軸力-16 812 kN、彎矩33 598 kN·m施加于局部模型上，計算波形鋼腹板應(yīng)力和結(jié)構(gòu)的第一階屈曲特征值并得到相應(yīng)屈曲模態(tài)。

波形鋼腹板面內(nèi)豎向正應(yīng)力、面內(nèi)剪應(yīng)力、Mises應(yīng)力（第四強度理論等效應(yīng)力）和第一階屈曲模態(tài)如圖6所示。由圖可知，波形鋼腹板在剪力和局部壓力作用下豎向壓應(yīng)力集中分布在支座上方半圓區(qū)域內(nèi)。最大豎向壓應(yīng)力為136 MPa，出現(xiàn)在支座中心偏右0.2 m的小區(qū)域內(nèi)，并以其為圓心向四周擴散；在半徑約0.8 m的半圓區(qū)域內(nèi)壓應(yīng)力擴散為74 MPa，在半徑約1.2 m的半圓區(qū)域內(nèi)擴散為54 MPa。面內(nèi)剪應(yīng)力近似呈左右對稱分布，右側(cè)剪應(yīng)力稍大，沿高度方向應(yīng)力均勻分布。左右兩側(cè)的最大面內(nèi)剪應(yīng)力分別為-61 MPa和59 MPa，出現(xiàn)在支座兩側(cè)腹板中央0.4 m長的整個板高內(nèi)，并向左右側(cè)擴散。除支座處腹板上緣半圓區(qū)域和腹板兩端外，大部分腹板的Mises應(yīng)力大于83 MPa。最大Mises應(yīng)力為125 MPa，出現(xiàn)在支座右邊緣處腹板下緣。剪力和局部壓力作用下波形腹板各類應(yīng)力均小于鋼板的屈服應(yīng)力。結(jié)構(gòu)第一階屈曲穩(wěn)定特征值為13.69，鋼腹板屈曲模態(tài)為支座處波形腹板一個波段部分出現(xiàn)的局部屈曲。

圖6　波形腹板在剪力和局部壓力作用下的應(yīng)力及屈曲模態(tài)（單位：MPa）

圖7　不同支座尺寸波形腹板應(yīng)力

3　波形鋼腹板局部受力的影響因素

3.1支承面積的影響

波形鋼腹板PC組合箱梁中波形鋼腹板的局部穩(wěn)定承載力受到不同支承構(gòu)件的接觸面積影響較大，為研究不同滑道支座尺寸對波形鋼腹板受力的影響，采用圖3所示的計算模型，考慮在剪力和局部壓力作用下，變化不同的滑道接觸面積。首先保持支座順橋向尺寸1.5 m不變，調(diào)整其橫橋向尺寸有0.8 m、1 m、1.2 m、1.4 m和1.6 m共五種；其次保持支座橫橋向尺寸1.2 m不變，調(diào)整其縱橋向尺寸有0.75 m、1 m、1.25 m、1.5 m、1.75 m、2 m和2.25 m共七種。

不同支承面積下波形鋼腹板的最大Mises應(yīng)力如圖7所示。其中圖7（a）為支座順橋向尺寸1.5 m不變，不同橫向支座尺寸對波形腹板受力的結(jié)果；圖7（b）為支座橫橋向尺寸1.2 m不變，不同縱向支座尺寸對波形腹板受力的結(jié)果。由圖7可知，支座橫向尺寸的變化對波形鋼腹板受力的影響不大，增加支座的縱向尺寸可以顯著改善波形鋼腹板的受力，且隨著支座縱向尺寸的增加鋼腹板最大應(yīng)力在減小，特別是在縱向尺寸小于1.5 m時降低程度更明顯。

采用上述ANSYS模型，計算不同支座尺寸下結(jié)構(gòu)的屈曲特征值并得到相應(yīng)屈曲模態(tài)，計算所得彈性屈曲特征值見表2。由表可知，更改支座橫向尺寸對波形鋼腹板局部失穩(wěn)影響不大，腹板失穩(wěn)第一階屈曲特征值均在13～14，而更改支座縱向尺寸對波形鋼腹板局部失穩(wěn)影響較大，增加支座縱向長度可以明顯提高支座處波形鋼腹板的穩(wěn)定性能。除屈曲穩(wěn)定特征值不同外，不同支座尺寸下的第一階屈曲模態(tài)均為局部受壓處波形腹板的局部失穩(wěn)。

3.2混凝土約束邊界的影響

波形鋼腹板PC組合箱梁中波形鋼腹板的局部穩(wěn)定承載力受到混凝土約束邊界的影響，混凝土的約束與混凝土的結(jié)構(gòu)形式有較大關(guān)系。這里考慮不同混凝土構(gòu)造形式下波形鋼腹板的局部失穩(wěn)形式和穩(wěn)定承載力的研究［6，7］。

為研究混凝土約束邊界條件對波形鋼腹板的局部失穩(wěn)形式和穩(wěn)定承載力的影響，提出三種不同的底板約束構(gòu)造（見圖8）：構(gòu)造一采用有馬蹄形混凝土底板構(gòu)造尺寸；構(gòu)造二中鋼下翼緣板保持15°傾斜，鋼腹板與構(gòu)造一相同，混凝土底板去掉馬蹄形構(gòu)造，鋼下翼緣板中心下底板厚度為250 mm；構(gòu)造三將鋼下翼緣板改為水平，即波形鋼腹板與鋼下翼緣板斜交，混凝土底板厚250 mm。

不同構(gòu)造波形鋼腹板豎向正應(yīng)力及Mises應(yīng)力如圖9所示。由圖可知，不同的底板約束構(gòu)造對波形鋼腹板的穩(wěn)定承載力有較大影響，比較承載能力結(jié)果由高至低排序為：構(gòu)造一（有馬蹄形混凝土底板）、構(gòu)造二（鋼下翼緣板傾斜的混凝土底板）、構(gòu)造三（鋼下翼緣板水平的混凝土底板）。構(gòu)造二、三波形鋼腹板Mises應(yīng)力都在200 MPa以上，遠大于構(gòu)造一的125 MPa。

表2　不同支座尺寸波形腹板屈曲特征值

圖8　不同底板構(gòu)造（單位：mm）

不同構(gòu)造混凝土底板主應(yīng)力如圖10所示。由圖可知，不同的底板約束構(gòu)造對底板主應(yīng)力的分布有較大影響，構(gòu)造一底板應(yīng)力分布比較均勻，構(gòu)造三應(yīng)力分布有局部集中現(xiàn)象，構(gòu)造二底板應(yīng)力集中比較明顯。構(gòu)造一、二和三情況下的底板主拉應(yīng)力最大值分別為5 MPa、11 MPa和7 MPa。

構(gòu)造一、二和三下的波形鋼腹板第一階屈曲特征值分別為13.69、9.30和8.93，失穩(wěn)模態(tài)均為支座處腹板局部失穩(wěn)，一階屈曲失穩(wěn)模態(tài)相同，如圖11所示。

三種不同構(gòu)造的混凝土底板總體的混凝土用量較為接近，但馬蹄形構(gòu)造的混凝土底板不僅對波形鋼腹板的受力更加合理，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，對于混凝土底板本身也減小了主應(yīng)力，且應(yīng)力分布更加均勻。因此，帶馬蹄形的混凝土底板可以作為波形鋼腹板PC梁橋的標準化構(gòu)造，根據(jù)具體情況擬定尺寸即可。

4　結(jié)語

本文主要研究了波形鋼腹板PC組合梁在頂推施工中局部受力性能，分析了不同支座尺寸下以及底板構(gòu)造形式下的結(jié)構(gòu)受力性能和穩(wěn)定性能，得到以下結(jié)論：

（1）頂推施工時，當(dāng)波形鋼腹板空腹截面處于支撐處且支反力最大時，結(jié)構(gòu)局部受力最不利。波形鋼腹板在局部壓力、剪力以及剪力和局部壓力共同作用三種荷載情況下，采用16 mm板厚計算所得豎向正應(yīng)力、面內(nèi)剪應(yīng)力和Mises應(yīng)力均小于160 MPa，小于鋼板設(shè)計強度；各類荷載作用下的屈曲特征值均大于9，穩(wěn)定承載力較高。

圖9　不同構(gòu)造波形鋼腹板應(yīng)力（單位：MPa）

圖10　不同構(gòu)造混凝土底板主應(yīng)力（單位：MPa）

（2）波形鋼腹板PC組合箱梁中波形鋼腹板的局部受力受支座橫向尺寸的變化影響不大但受支座縱向尺寸的變化影響較大，增加支座的縱向尺寸可以顯著改善波形鋼腹板的受力性能，并提高其穩(wěn)定性能。

圖11　波形鋼腹板第一階屈曲模態(tài)

（3）不同的混凝土底板約束構(gòu)造對波形鋼腹板和混凝土底板的受力分析表明，馬蹄形混凝土底板的受力性能明顯優(yōu)于其他構(gòu)造形式的混凝土底板。

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U445.462

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1009-7716（2016）06-0209-07

2016-03-02

陳釩（1972-），男，江西金溪人，碩士，教授級高工，從事道路交通與橋梁設(shè)計工作。