折腹式組合梁橋多工作面異步懸臂施工分析

李春躍 甘 波 賀 君 奉思東

(1.北京建工土木工程有限公司 北京 100015；2.長沙理工大學 湖南長沙 410114)

1 引言

波形鋼腹板組合梁橋采用較薄的波形鋼腹板代替?zhèn)鹘y(tǒng)厚重混凝土腹板或加勁平鋼腹板，通過連接件與混凝土頂、底板相連，不僅解決混凝土箱梁自重大、腹板易開裂的問題，而且可簡化下部結(jié)構(gòu)，降低其造價。此外，波形鋼腹板無需設(shè)置加勁肋，且具有較高的剪切屈曲強度，其較低的軸向剛度可提高預(yù)應(yīng)力施加效率。由于良好的使用性能和經(jīng)濟效益，該類橋梁在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，目前已超過100座[1]。近年來，在常規(guī)懸臂施工的基礎(chǔ)上，提出了一種新型多工作面異步懸臂施工方法。該方法采用抗剪強度優(yōu)異的波形腹板鋼梁作為掛籃的承重結(jié)構(gòu)，掛籃直接在鋼梁上行走，使得掛籃結(jié)構(gòu)輕量化，掛籃安裝、行走等工藝簡便化。此外，該工法將施工作業(yè)面由傳統(tǒng)懸臂施工的單個擴展到多個，加快施工進度，提高施工效率。

以往國內(nèi)外對波形鋼腹板PC組合梁橋主要開展力學性能研究，包括波形腹板組合梁的抗彎及抗剪性能[2-3]、波形鋼腹板屈曲穩(wěn)定性[4-6]、不同剪力連接件連接性能[7-9]、波形腹板連續(xù)剛構(gòu)橋徐變效應(yīng)[10]等，但對該類橋梁施工方法的研究較少，尤其對異步多工作面懸臂施工的效益和施工過程安全性綜合分析不足。因此，本文以在建實際工程——達摩溝大橋為研究對象，詳細介紹該橋的結(jié)構(gòu)特點、輕型掛籃構(gòu)造、多工作面異步懸臂施工流程，并系統(tǒng)開展結(jié)構(gòu)安全性分析、經(jīng)濟社會效益評估，為多工作面異步懸臂施工方法在折腹式組合橋梁的推廣應(yīng)用提供借鑒。

2 工程概況

達摩溝大橋主橋跨徑布置為60 m ＋2×105 m ＋60 m(見圖1)，上部結(jié)構(gòu)為波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，采用單箱單室直腹板截面。橋面設(shè)置2%橫坡和0.5%縱坡。箱梁頂板寬13.75 m、底板寬7.25 m，翼緣懸臂為3.25 m，箱梁頂板厚0.32 m。箱梁跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高3.5 m，墩頂0＃段梁高7 m，墩頂兩側(cè)節(jié)段采用波形鋼板-內(nèi)襯混凝土組合腹板。波形鋼板波長1.6 m，波高22 cm，水平面板為43 cm，水平折角30.7°。腹板厚度由跨中至墩頂依次為20、22、24 mm。波形鋼腹板與混凝土頂板采用雙PBL鍵的方式連接，與底板采用角鋼連接。

圖1 跨徑布置(單位:m)

主梁節(jié)段劃分為6 m(0＃塊)＋4.7 m＋5×4.8 m＋3×6.4 m，邊中跨合龍段均為3.2 m，邊跨現(xiàn)澆段長度為5.66 m。該橋0?！?＃塊采用托架法施工，2?！?＃塊采用異步懸澆施工，10＃合龍段采用懸吊支架法施工，11＃塊邊跨現(xiàn)澆段采用鋼管樁支架現(xiàn)澆施工。

3 多工作面異步懸臂澆筑工藝及效益分析

3.1 掛籃系統(tǒng)構(gòu)造

異步懸臂澆筑施工(見圖2)采用吊掛式掛籃，主要由承重結(jié)構(gòu)、懸吊提升系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、滑移系統(tǒng)、施工平臺和錨固系統(tǒng)組成。掛籃的前后支點直接支撐在波形腹板鋼梁上，其上翼緣安裝的雙排PBL連接件構(gòu)成的U型凹槽形成掛籃移動軌道，凹槽內(nèi)設(shè)置四氟滑板，可減少掛籃前移時的摩擦力并可使其安全平順移動。為防止波形腹板屈曲設(shè)置臨時橫撐。

圖2 異步施工示意

此外，該懸吊掛籃系統(tǒng)具有三個(N，N±1節(jié)段)施工作業(yè)面，可以同時進行(N-1節(jié)段)頂板、(N＋1節(jié)段)底板的混凝土澆筑以及(N＋1節(jié)段)腹板的安裝，合理利用工序銜接，各工作面互不影響。

3.2 工藝流程

多工作面異步懸臂澆筑施工主要流程如下:

(1)0?！?＃塊施工完成后安裝2＃塊波形鋼腹板。

(2)非典型斷面施工:安裝掛籃，澆筑2＃塊底板、安裝3＃塊鋼腹板。

(3)典型斷面施工:掛籃前移至N節(jié)段，施工N-1節(jié)段頂板、N節(jié)段底板，同時安裝N＋1節(jié)段鋼腹板。

(4)張拉N-1節(jié)段預(yù)應(yīng)力。

(5)前移掛籃，按照典型斷面工序施工下一節(jié)段。

3.3 施工與社會效益評價

3.3.1 施工效益

掛籃重量方面，若采用傳統(tǒng)懸臂澆筑，掛籃重達100 t，而異步澆筑懸吊式掛籃，受力力臂較小，大幅減少重量，約為50 t。施工效率方面，傳統(tǒng)懸臂澆筑施工作業(yè)面僅局限于當前N節(jié)段，而異步澆筑將工作面擴大到三個節(jié)段(N-1、N、N＋1)，可同步澆筑頂?shù)装寤炷?，且可在混凝土養(yǎng)生期間安裝腹板。傳統(tǒng)掛籃行走需要加固-拆除-加固后錨等流程，新型懸吊掛籃可直接安裝于波形鋼腹板上部PBL的U型槽口，不需要后錨，通過千斤頂即可實現(xiàn)掛籃行走。以本橋為例，標準懸澆節(jié)段分別采用異步與傳統(tǒng)懸臂澆筑的施工周期對比見表1。

表1 標準節(jié)段懸澆施工周期對比

采用傳統(tǒng)懸澆施工周期為11 d，而采用異步掛籃澆筑則僅需7.5 d，縮短了3.5 d，節(jié)約32%的工期，僅考慮2＃～9＃節(jié)段的施工，異步掛籃澆筑就能節(jié)省28 d工期。

3.3.2 社會效益

從能源消耗和空氣污染(CO2排放)角度出發(fā)，據(jù)統(tǒng)計中國重點鋼鐵企業(yè)綜合能耗[11]為555 kg/t(生產(chǎn)1 t鋼各能源消耗量總和，包括煤炭、天然氣、電力和燃油等)，排放約3 030 kg的CO2，標準節(jié)段異步掛籃的重量比傳統(tǒng)掛籃減小約50 t，故能降低鋼材消耗能源27.7 t，并減少151.5 t的CO2排放，故異步施工在提高施工效率的同時還能減少能源的消耗和降低對環(huán)境的影響，符合低碳、環(huán)保的發(fā)展理念。

4 有限元建模

利用Midas Civil對主橋施工過程進行模擬，采用考慮剪切變形以及不同材料頂、底板(混凝土)與波形腹板(鋼)的分層梁單元對組合箱梁進行模擬，假定腹板與混凝土頂、底板連接可靠，無相對滑移。施工荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、掛籃重量、混凝土濕重、預(yù)應(yīng)力等。

全橋共有524個節(jié)點和478個單元，有限元模型見圖3。將組合截面分為頂板、腹板、底板三部分，可分步激活實現(xiàn)多工作面異步懸臂施工模擬。主梁劃分為31個施工階段(見表2)，標準節(jié)段施工包括:頂?shù)装寤炷翝仓?、混凝土養(yǎng)護成型及預(yù)應(yīng)力張拉。

圖3 全橋有限元模型

表2 施工階段劃分

5 施工階段分析

以中跨位置三個截面A-A(節(jié)段1前端)、B-B(節(jié)段2前端)、C-C(節(jié)段3前端)為例(見圖1)，分析截面頂?shù)装?、腹板?yīng)力以及撓度變化。

5.1 施工階段應(yīng)力分析

5.1.1 頂?shù)装鍛?yīng)力

施工過程混凝土頂、底板應(yīng)力見圖4。截面A～C混凝土頂、底板均承受壓應(yīng)力，頂板最大壓應(yīng)力分別為16.2、14.0、12.0 MPa，底板最大壓應(yīng)力分別為8.39、8.1、9.21 MPa，強度均小于抗壓強度設(shè)計值25.3 MPa[12]。

圖4 施工階段截面混凝土頂?shù)装鍛?yīng)力

在標準節(jié)段施工過程中，隨著當前節(jié)段預(yù)應(yīng)力張拉，頂板壓應(yīng)力增大、底板壓應(yīng)力減小，當澆筑下一節(jié)段時，頂板壓應(yīng)力減小、底板壓應(yīng)力增大，兩者變化呈現(xiàn)相反趨勢。隨著懸臂段伸長，結(jié)構(gòu)自重效應(yīng)增大，而施工節(jié)段預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量減少，底板的壓應(yīng)力增幅大于頂板，頂?shù)装鍛?yīng)力越來越接近，所以在懸臂段較短時，需關(guān)注頂板應(yīng)力情況，隨著懸臂段的伸長，頂、底板均需關(guān)注。

5.1.2 腹板剪應(yīng)力

施工過程典型截面腹板剪應(yīng)力變化見圖5。A～C截面最大剪應(yīng)力分別為19.80、42.45、22.28 MPa，腹板在懸臂施工節(jié)段隨著下一節(jié)段混凝土澆筑，剪應(yīng)力增加，在頂板預(yù)應(yīng)力張拉后，剪應(yīng)力減小，但剪應(yīng)力隨懸臂段的伸長仍呈增加趨勢，體外束張拉后剪應(yīng)力迅速減小，二期恒載施加后剪應(yīng)力增大。在施工全過程中，腹板剪應(yīng)力遠小于設(shè)計值170 MPa，符合設(shè)計規(guī)范的要求[13]。

圖5 施工階段腹板剪應(yīng)力

5.2 施工階段撓度分析

施工過程中的典型截面撓度變化見圖6。A～C截面撓度最大值分別為8.0、15.2、38.7 mm，預(yù)應(yīng)力的張拉使得梁段有一定上拱值，上拱程度隨懸臂伸長越來越小。下一節(jié)段混凝土澆筑后又出現(xiàn)大幅下?lián)希鹘孛鎿隙茸兓捣謩e為4.5、8.5、23.4 mm，離墩頂越遠的截面撓度變化越明顯，自重效應(yīng)逐漸大于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，懸臂端的不斷伸長使得截面累計撓度不斷增加。最大懸臂狀態(tài)下，9節(jié)段端部截面累計最大撓度為54.8 mm。

圖6 施工階段撓度

6 成橋階段分析

6.1 應(yīng)力分析

6.1.1 混凝土應(yīng)力

成橋狀態(tài)頂、底板混凝土應(yīng)力變化見圖7。混凝土均處于受壓狀態(tài)，底板壓應(yīng)力從墩頂向兩側(cè)逐漸增加(邊跨現(xiàn)澆段除外)，最大值為15.2 MPa，位于邊跨9＃節(jié)段，頂板壓應(yīng)力從墩頂向兩側(cè)逐漸減小，最大值為15.3 MPa，位于墩頂1＃節(jié)段，頂?shù)装寤炷翂簯?yīng)力均小于設(shè)計值25.3 MPa。

圖7 成橋狀態(tài)下主梁頂?shù)装鍛?yīng)力

6.1.2 腹板剪應(yīng)力

成橋狀態(tài)下波形腹板剪應(yīng)力變化見圖8。剪應(yīng)力最大值為102.6 MPa，位于靠近2號墩中跨第5節(jié)段前端截面。全橋波形腹板抗剪強度均小于設(shè)計值170 MPa，腹板剪應(yīng)力在墩頂附近節(jié)段變化比較緩慢，靠近合龍段腹板剪應(yīng)力迅速減小。

圖8 成橋狀態(tài)下腹板應(yīng)力

6.2 撓度分析

成橋狀態(tài)主梁撓度由墩頂向兩邊跨中逐漸增大，在第9節(jié)段前端撓度達到最大值81.5 mm，撓度最大值小于設(shè)計規(guī)范限值L/600(175 mm)[14]。

7 結(jié)束語

(1)異步懸臂澆筑施工利用波形腹板鋼梁作為主要承重構(gòu)件，掛籃直接在腹板上行走，施工作業(yè)面擴大為3個，且可同時作業(yè)互不干擾，簡化了施工流程，加快了施工進度，提高了施工效率。

(2)異步懸臂施工掛籃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，重量大幅減輕，減少材料消耗，降低對環(huán)境的影響，符合可持續(xù)發(fā)展理念。

(3)施工過程中，在自重和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的共同作用下，主梁的應(yīng)力、撓度呈規(guī)律性變化，無論是施工階段還是成橋狀態(tài)，主梁應(yīng)力、變形安全性滿足規(guī)范要求。