異步施工波腹板PC 組合箱梁橋模型試驗研究

代浩 ，鄭和暉 ，杜松

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430013；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430014；3.交通運輸行業交通基礎設施智能建造技術研發中心，湖北 武漢 430014）

0 引言

在混凝土箱梁中采用鋼腹板的設計思想最早由法國工程師提出，后經逐步優化將最初的平面鋼腹板改為波形鋼腹板，從而定型為一種更為合理的波形鋼腹板PC 組合箱梁橋。外力作用下，波腹板幾乎不承受軸力和彎矩，預應力的保證具有先天優勢，波腹板主要承受剪力，結構受力明確，與同跨徑的普通PC 箱梁相比，波腹板PC 箱梁自重可減輕25%~30%，近年來得到廣泛的推廣應用[1-2]。

在施工工藝方面，滿堂支架法、懸臂澆筑法、頂推施工是波腹板PC 組合箱梁橋施工的主流方法。異步施工法則是一種新型的掛籃懸澆施工工藝，最初由日本發明，目前資料記載的案例僅有日本信樂橋、日本津久見川橋、四川頭道河大橋，武西高速桃花峪黃河大橋，運寶黃河大橋副橋等，相關研究比較匱乏。

王達、黃海珊等[3-5]以頭道河大橋為研究對象，利用ANSYS 建立局部精細化有限元模型，分析了施工全過程關鍵截面和掛籃的受力及變形。結果表明，異步施工工藝操作簡單、經濟效益好且根部混凝土和波腹板剪力均符合規范要求。

羅炎波等[6]依托寧波奉化江大橋介紹了異步施工工藝流程，建議下翼緣角鋼連接件采用“開孔板+焊釘”形式，并利用局部模型驗證了可行性。

黃強[7]以武西高速桃花峪黃河大橋為例，對新型異步懸臂澆筑工藝和掛籃構造進行了介紹，進一步探討了波腹板PC 組合箱梁橋的應用范圍。

岳宏智等[8]以山東小清河特大橋為工程背景，利用Midas FEA 軟件建立全橋上部結構精細化實體模型模擬了異步施工全過程，研究了混凝土和波形鋼腹板的應力及變形。結果表明結構受力合理，應力始終處于安全范圍內，驗證了工法的可行性。

由相關資料調研可知，目前對于異步施工的相關研究大多停留在理論分析及數值模擬階段，鑒于異步施工工藝尚不成熟，為確保“異步施工法”結構安全與施工可行性，更好地研究實際條件下的主梁變形和內力控制，本文針對運寶黃河大橋副橋進行了大縮尺比模型試驗，對重要施工節點的截面應力及變形數據進行跟蹤監測，同時建立了TDV 精細化計算模型進行對比分析，以對異步施工的研究及推廣應用提供有益借鑒。

1 工程簡介

運寶黃河大橋副橋全長906 m（48 m+9×90 m+48 m），為雙幅波形鋼腹板剛構-連續組合體系梁橋，其橋墩F1—F3、F8—F11 為墩梁分離連續體系，F4—F7 為墩梁固結剛構體系。主梁采用C55混凝土單箱單室結構，箱梁頂面寬15.5 m，底寬8.5 m，跨中高度為2.7 m。

箱梁腹板采用波形鋼腹板，腹板與主梁頂板采用“T-PBL”（雙開孔板）連接件，與底板采用外包式連接件，運寶大橋副橋施工采用新型異步施工法懸臂澆筑工藝。

2 模型試驗

2.1 目的

1）驗證“異步施工法”工藝條件下，施工階段主體結構的受力狀態，尤其是波腹板的變形和應力水平；

2）對比分析傳統后支點菱形掛籃和專用輕質掛籃工藝，驗證異步施工法的便利性（頂底板獨立工作面施工），專用輕質掛籃在波腹板上行走的可行性（圖 1）。

圖1 異步施工法新型輕質掛籃Fig.1 A new type of lightweight hanging basket with asynchronous construction method

2.2 相似分析

試驗采用1∶4 幾何縮尺比，模型和原型應力一致，根據相似理論，確定箱梁模型長度、寬度、截面慣性矩、外加荷載等幾何特性，再現實際結構狀態的響應特征，由此達到控制原結構的使用安全性和施工可行性。

2.3 總體設計

根據前述幾何縮尺比，試驗模型設計為全長8.1 m，模型0 號塊左側采用傳統菱形掛籃施工，施工節段為①—③；模型0 號塊右側采用異步施工法施工，施工節段為①—④；模型節段編號及詳細尺寸如圖2 所示。

圖2 縮尺模型示意圖（cm）Fig.2 Schematic diagram of scale model(cm)

異步施工法作業區施工順序為首先進行N+1段波形鋼腹板安裝，其次為N 節段底板施工，最后施工N-1 節段頂板，上下作業面的增加有效提高了施工效率，減少了相互干擾，縮短了工期[9]。

2.4 測試斷面

測試斷面選取圖2 截面0 號—4 號，其中3號截面具體測點布置如圖3 所示，SP01—SP06 為混凝土應力測點，SP07、SP08 為底板鋼混結合區和混凝土底板頂面的補充測點，ST01—ST06 為波形鋼腹板應力測點。

圖3 測點布置圖Fig.3 Layout of measuring points

2.5 工藝流程

模型試驗的總體工藝流程如表1 所示，總共劃分為13 個施工工序，其中在工序9、工序10及工序13 前后分別進行應變片數據的測試采集工作。

表1 總體工藝流程Table 1 Overall process flow chart

3 理論分析

分別建立運寶黃河大橋副橋F4 橋墩1∶1 原型與1∶4 縮尺的TDV 模型如圖4 所示。模擬實橋0號塊—節段④的施工過程，最終狀態為0 號塊右側新型輕質掛籃“4 底3 頂”施工完畢，左側傳統菱形掛籃節段③澆筑完成。考慮最不利試驗工況為“4 底3 頂”澆筑完成，選取圖2 中3號最不利截面的應力與懸臂端位移值進行對比，結果見表2。

圖4 理論模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of the theoretical model

由表2 可知，最大應力和最小應力相似比均在1 上下；原型懸臂端位移6.1 mm，模型懸臂端位移1.5 mm，位移相似比4.1，誤差在合理范圍內，因此模型相似比關系吻合較好，本試驗縮尺TDV 模型是合理、可用的。

表2 1∶1 原型與1∶4 縮尺模型計算結果對比表Table 2 Comparison of calculation results between 1∶1 prototype and 1∶4 scale model

圖 4 為 TDV 縮尺模型“4 底 3 頂”澆筑工況，根據計算可知，頂板最大拉應力出現在4 號測試截面，且其值很小，這主要是由于4 號截面的頂板預應力張拉抵消了頂板拉力。實際現場條件下，“4 底3 頂”節段在異步澆筑過程中，節點N1017截面并未形成閉口截面，由于其截面剛度較低無法抵抗承受的彎矩和剪力，因此底板最大壓應力和波腹板最大應力均出現在3 號測試截面N1015節點，這是符合理論分析的。

4 試驗結果分析

4.1 0 號截面施工階段受力分析

用1∶4 縮尺TDV 模型模擬異步施工階段見表3，其中0 號塊0 號截面的測試結果見圖5~圖6。

表3 數值模擬施工階段Table 3 Numerical simulation construction stages

圖5 0 號塊根部應力理論值Fig.5 Theoretical value of root stress of No.0 block

圖6 0 號塊波腹板應力理論值Fig.6 Theoretical stress value of the corrugated steel web of No.0 block

圖5 為0 號塊根部頂底板應力理論值，由頂板應力可以看出，0 號塊端部張拉完成后，頂板處于受壓狀態，壓應力為0.93 MPa，隨著施工工序的開展，應力值小幅度緩慢增加，在節段①和節段②預應力張拉階段（施工階段8、13），頂板壓應力均呈現陡增變化，最大壓應力分別達到2.6 MPa 和4.1 MPa。SP08 和SP05 分別代表底板中部的上下邊緣，隨著施工工序的開展，上緣點SP08應力變化幅度較小，下緣點SP05 壓力逐漸增大，在兩次預應力張拉階段均有小幅度減小，但相對頂板變化并不明顯，最大壓應力在4 底3 頂施工階段達到0.35 MPa。

圖6 為0 號塊根部波形鋼腹板的應力變化圖，3 條曲線分別代表截面上的等距3點ST01、ST02和ST03，ST01 為受拉，ST02 和ST03 呈現受壓狀態，且隨著施工工序的開展，各點應力值均不斷增加，ST02、ST03 的變化幅度較小，ST01 拉應力增加比較明顯，最大拉應力為15.5 MPa。

4.2 關鍵截面受力分析

根據前述試驗預先布置好的應力測點，對模型試驗的關鍵施工階段（階段12—16）完成前后進行實測，由于本試驗0 號塊左側的菱形掛籃主要作為傳統懸臂工藝對照組，僅列出異步施工工藝下的應力實測值，并將數值模擬結果與模型試驗實測結果進行對比分析，典型結果如圖7 所示。

圖7 3 號截面波腹板應力對比圖Fig.7 Stress comparison diagram of corrugated steel web of section 3

試驗結果表明，隨著施工工序的開展，4 號測試截面和3 號測試截面波形鋼腹板、底板應力的變化基本一致。對于波腹板來說，ST01 應力點表現為拉力，且拉力值不斷增加，ST02、ST03 敏感性相對較小。對于底板來說，底板的下邊緣應力點SP05 與上邊緣應力點SP08 也有明顯差異，隨著懸臂長度的增加，底板下邊緣壓應力不斷增加，模型試驗測試分析結果應力變化趨勢與TDV模型理論計算基本一致。

5 結語

本文以運寶黃河大橋副橋為研究對象，對比分析了波腹板PC 組合箱梁橋異步施工法和傳統菱形掛籃施工的工藝差別，并基于工藝模型試驗和TDV 有限元計算分析了施工過程中各關鍵截面節點的受力情況，可得出以下研究結論：

1）相比傳統菱形掛籃懸臂澆筑，采用異步澆筑法施工時，波形鋼腹板PC 組合箱梁橋的作業面可擴大到N-1，N 和N+1 節段，3 個作業面可同時流水施工；專用的輕質掛籃可在波腹板剪力鍵內直接行走，有效提高施工效率，縮短施工期。

2）波形鋼腹板PC 組合箱梁橋頂板預應力的施加能夠有效控制頂板受力狀態，此模型試驗條件下，節段①、②在預應力張拉條件下頂板受力由拉力調整為壓應力2.6 MPa 和4.1 MPa，保證了懸臂施工期間T 構的線形。

3）異步施工法條件下，當前施工節段的截面未形成閉口截面，截面抗彎及橫向抵抗能力低，為受力薄弱段，建議設置臨時支撐以增加結構穩定性，例如波腹板之間的橫撐及剪刀撐等。