頂推施工中波形鋼腹板PC組合梁預應力效應分析

高富龍，成　鋒，韓亞軍

（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）

頂推施工中波形鋼腹板PC組合梁預應力效應分析

高富龍1，成鋒2，韓亞軍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）

施加了預應力的波形鋼腹板PC組合梁在橋梁頂推施工過程中，預應力鋼束的實際應力在不斷發(fā)生變化，為了詳細了解預應力在箱梁頂推過程中的變化情況，以國內(nèi)第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波形腹板組合箱梁的結(jié)構(gòu)和具體的體內(nèi)、體外預應力，計算了頂推施工過程中每根預應力鋼束的具體應力變化情況及對混凝土頂?shù)装鍛ψ兓闆r。

頂推施工；波形鋼腹板；組合梁；預應力

0　引言

波形鋼腹板預應力（PC）組合梁橋使用波折形狀薄壁鋼板來代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土箱梁橋的混凝土腹板，從而使其具有降低結(jié)構(gòu)自重，提高頂?shù)装孱A應力效率，降低頂?shù)装寤炷潦苄熳?、干燥收縮的影響等諸多優(yōu)勢［1］。目前波形剛腹板組合梁橋的施工方法有支架施工法、懸臂施工法和頂推施工法［2］。根據(jù)對國內(nèi)外已建成的波形鋼腹板橋梁的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)都是采用支架施工和懸臂施工，采用頂推施工的實例較少［3］，國外有日本的島崎川橋［4］，國內(nèi)有鄭州市隴海路快速通道和吉安市深圳大橋［5］。采用頂推法施工的波形鋼腹板組合梁在頂推過程中混凝土頂?shù)装鍟l(fā)生拉壓應力的交替變化［6］，需要通過配置額外的臨時體外預應力束來保證結(jié)構(gòu)安全。同時考慮到成橋狀態(tài)混凝土的拉應力水平和結(jié)構(gòu)的整體變形情況，需要布置永久體內(nèi)和體外預應力束。隨著頂推過程的進行，混凝土橋面板的應力、體內(nèi)體外預應力鋼束的應力以及臨時體外預應力束的應力都在不斷變化，上述構(gòu)件應力的變化情況如何，是否會改變整個結(jié)構(gòu)的受力安全性尚需具體研究。本文以隴海路快速通道為工程背景，對其進行板殼實體有限元建模，分析了頂推過程中預應力鋼束和混凝土頂?shù)装宓膽ψ兓闆r。

1　工程概況

隴海路快速通道位于鄭州城區(qū)的西南處，西側(cè)起始于四海大道東側(cè)高架落地處，東側(cè)與隴海路跨南水北調(diào)橋順接，主要跨越臨湖路、賈峪河、常莊干渠等，全長2.093 km。其中常莊干渠段橋梁分三幅布置，分別為南北側(cè)輔道橋和主線高架橋。主線高架范圍全長940 m，共分為兩聯(lián)，跨徑布置為（9×50）m+（9×50+40）m，占線路總長的45%。

主線高架上部結(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。單幅斷面采用單箱單室斜腹板截面，截面尺寸如圖1所示。波形鋼腹板采用BCSW1600型，鋼板厚度采用t=16 mm和t=20 mm兩種。鋼翼緣板除導梁段翼緣鋼板厚20 mm外，其余一般節(jié)段翼緣鋼板厚采用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，主梁永久預應力采用體內(nèi)、體外預應力混合配置方式。主梁頂、底板采用C60高強度混凝土，鋼腹板采用Q345qC鋼材。施工方法采用頂推法，該橋也是國內(nèi)第一座采用整體式頂推法施工的大跨度波形鋼腹板PC組合箱梁。頂推施工時，兩聯(lián)梁（YU01，YU02）分別從兩端向YP10號墩方向頂推，如圖2所示，本文中取YU01聯(lián)進行建模計算；梁體預制臺座和臨時墩設在聯(lián)端兩跨內(nèi)；梁體分導梁段、頂推段和現(xiàn)澆段三種類型。

圖1　箱梁截面尺寸

體內(nèi)預應力束在截面的布置形式如圖3（a）所示，體外束在每跨內(nèi)的布置形式如圖3（b）所示。體內(nèi)束規(guī)格為YM15-9（頂板束）和YM15-12（底板束），其張拉控制應力1 302 MPa（含損失）；體外束規(guī)格為YM15-27，張拉控制應力1 150 MPa（含損失）。

圖2　主線高架立面圖

圖3　預應力布置形式

2　頂推施工過程計算分析

2.1有限元模型的建立

使用有限元程序ANSYS對全橋進行建模，在有限元模型中，混凝土采用Solid65單元模擬，鋼板采用Shell43單元模擬，預應力鋼筋采用Link8單元模擬，有限元模型如圖4所示。

材料屬性如下：鋼材采用Q345qC，容重為78.5 kN/m3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3；混凝土標號為C60，容重為26 kN/m3，彈性模量3.6×104MPa，泊松比為0.2；預應力鋼絞線彈性模量為1.95×105MPa。

由于是對施工階段進行分析，所以計算中荷載效應只考慮自重和預應力。

2.2頂推工況劃分

由于橋梁標準頂推跨徑相同，這里僅選擇一個標準頂推節(jié)段進行分析研究。將導梁從YP6墩頂推至YP7墩的過程細分為五個工況，如圖5所示。工況2和工況3梁段的位置相同，工況2模擬最大懸臂狀態(tài)，工況3模擬導梁上墩的狀態(tài)。

2.3混凝土頂?shù)装鍛?/p>

背景工程組合梁中共有三種類型的預應力鋼筋：體內(nèi)預應力束、永久體外預應力束和臨時體外預應力束，為了充分了解三種預應力鋼束在頂推過程中對混凝土的作用效應，分別計算了只張拉全部體內(nèi)預應力鋼束；張拉全部體內(nèi)預應力鋼束和兩根體外永久預應力鋼束；張拉全部體內(nèi)預應力鋼束、兩根體外永久預應力鋼束和兩根體外臨時預應力鋼束三種情況下混凝土的應力，下文中分別以無體外束、永久體外束和臨時體外束指代這三種情況。

圖4　有限元模型

圖5　頂推工況

提取五個頂推工況中圖1所示混凝土頂板2位置和底板2位置的混凝土縱橋向應力，如圖6所示，圖6中坐標0位置在圖5中梁段的最左端（遠離導梁的一端）。從圖中可以看出，三種情況中大部分混凝土頂板都處于受壓的狀態(tài)，只有支點附近位置的頂板承受拉應力，但拉應力均在4 MPa以下，最大壓應力在工況5下41.4 m位置（第四、第五跨之間的支點位置），壓應力為-11 MPa。大部分混凝土底板也處于受壓狀態(tài)，在部分跨中位置會產(chǎn)生拉應力，拉應力值在5 MPa以下，最大壓應力在工況1下214.0 m位置（導梁根部位置），壓應力為-35.7 MPa，由于此處有很多為加強導梁段部受力的臨時體內(nèi)預應力，導致該處底板應力存在應力集中，結(jié)果有失真。

將頂推過程各工況混凝土頂板支點位置和混凝土底板跨中位置的縱橋向應力提取并列于表1和表2?？梢钥闯鰪埨谰皿w外預應力，各墩頂混凝土頂板應力平均下降1 MPa，各跨中混凝土底板應力平均下降1.3 MPa，此時在工況1和工況4時混凝土頂?shù)装迦源嬖谳^大拉應力，頂板最大拉應力出現(xiàn)在工況1時YP4墩頂截面，達到3.35 MPa，底板最大拉應力出現(xiàn)在工況1第三跨跨中截面，為2.97 MPa。

繼續(xù)張拉臨時體外預應力，各墩頂混凝土頂板應力平均下降1 MPa，各跨中混凝土底板應力平均下降1.2 MPa，混凝土頂板在各個工況中的最大拉應力為1.32 MPa，底板相應的最大拉應力為1.22 MPa。

由上述分析可以看出，頂推過程中，如果只張拉體內(nèi)束，混凝土頂板在墩頂位置、混凝土底板在跨中位置會出現(xiàn)較大拉應力，隨著永久體外束和臨時體外束的張拉，拉應力的大小逐漸降低，絕大多數(shù)位置拉應力最終降至1.3 MPa以下或轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯Γ梢婓w外預應力對于改善頂推過程中混凝土的受力性能有較為顯著的效果。

2.4預應力鋼筋應力

在頂推過程中預應力鋼筋的應力在不斷發(fā)生變化，分別提取了頂推過程五個工況中頂板束、底板束、永久體外束和臨時體外束的最大應力，列于表3，最大應力一定程度上可以反映此種類型的預應力鋼束的應力水平。

表1　頂推過程中頂板混凝土支點位置應力　MPa

表2　頂推過程中底板混凝土跨中位置應力　MPa

從表3可以看出頂板束和底板束應力最大的位置均在與導梁連接處，在工況5時，此位置到達跨中，此處底板束應力增加到1 415.5 MPa，較張拉控制應力增加8.72%；在工況2時，此位置經(jīng)過墩頂，這時是最大懸臂狀態(tài)，此處頂板束應力達到1364.6 MPa，較張拉控制應力增加4.76%。頂推過程中體外束的應力均比張拉控制應力小，在工況1時，最大應力為1 125.8 MPa，較張拉控制應力減小2.10%；工況4時，永久體外束最大應力1 124.4 MPa，較張拉控制應力減小2.23%，臨時體外束最大應力1 122.4 MPa，較張拉控制應力減小2.40%。

表3　頂推過程中預應力鋼束最大應力

從上述分析可以看出，頂推過程中體內(nèi)預應力束的應力變化范圍相對較大，底板束達到8.72%，頂板束達到4.76%。體外預應力束應力均較張拉控制應力減小，且變化幅度相對較小，均在2.5%以內(nèi)。

3　結(jié)語

通過對隴海路快速通道波形鋼腹板組合梁頂推施工過程進行有限元建模分析，分析其在頂推施工過程中混凝土頂?shù)装搴皖A應力鋼束的受力性能，得到主要結(jié)論如下:

（1）對于混凝土頂?shù)装澹斖七^程中，如果只張拉體內(nèi)束，混凝土頂板在墩頂位置、混凝土底板在跨中位置會出現(xiàn)較大拉應力，隨著永久體外束和臨時體外束的張拉，拉應力的大小逐漸降低，絕大多數(shù)位置拉應力最終降至1.3 MPa以下或轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?，可見體外預應力對于改善頂推過程中混凝土的受力性能有較為顯著的效果。

（2）對于預應力鋼束，頂推過程中體內(nèi)預應力束的應力變化范圍相對較大，底板束達到8.72%，頂板束達到4.76%。體外預應力束應力均較張拉控制應力減小，且變化幅度相對較小，均在2.5%以內(nèi)。

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U445.462

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1009-7716（2016）06-0216-05

2016-03-02

高富龍（1962-），男，山東沂水人，碩士，教授級高級工程師，從事道路交通與橋梁設計工作。