施工順序?qū)︿?混凝土組合梁橋撓度影響研究*

馬海軍，王龍軒，任寧波，崔麗娜，智 超，劉紅波

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065； 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072； 3.河北建工集團(tuán)有限責(zé)任公司, 河北，石家莊 050051)

0 引言

鋼-混凝土組合梁橋結(jié)合了混凝土箱梁橋和鋼箱梁橋二者各自的優(yōu)點(diǎn)，充分利用了混凝土抗壓和鋼材抗拉的性能優(yōu)勢(shì)，有效避免了混凝土開裂和鋼材受壓失穩(wěn)問題。相較于純混凝土箱梁，鋼-混凝土組合梁橋自重明顯降低，地震作用效應(yīng)減小，橋梁跨度大大增加[1-2]；相較于純鋼箱梁，鋼-混凝土組合梁橋用鋼量更少、造價(jià)更低、結(jié)構(gòu)剛度更大，并具有更好的穩(wěn)定性、整體性、抗火性與耐久性；另外，采用混凝土橋面板，也避免了鋼橋面鋪裝病害等[3-5]。鋼-混凝土組合梁橋符合大跨徑橋梁的發(fā)展方向，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益[6-8]。

為進(jìn)一步提高鋼-混凝土組合梁橋的剛度和承載力，將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入橋梁結(jié)構(gòu)之中[9-10]，為保證引入預(yù)應(yīng)力技術(shù)的鋼-混凝土組合梁橋中預(yù)應(yīng)力拉索、預(yù)制鋼箱梁及混凝土現(xiàn)澆橋面板的協(xié)同工作與橋梁整體安全性，需在施工過程中對(duì)撓度限值進(jìn)行嚴(yán)格控制。在實(shí)際工程實(shí)踐中，因客觀原因所導(dǎo)致的施工工藝流程的改變對(duì)橋梁撓度影響較大。本文基于實(shí)際橋梁工程，針對(duì)鋼-混凝土組合梁橋施工流程的改變進(jìn)行橋梁撓度控制限值討論，為工程施工提供參考。

1 工程概況

某橋梁工程位于榮烏高速公路新線京臺(tái)高速公路至京港澳高速公路段，橋梁全長(zhǎng)1 333m，橋梁左、右幅各分為13聯(lián)。上部結(jié)構(gòu)左、右幅第4～6聯(lián)采用單孔72m簡(jiǎn)支鋼-混凝土組合梁，橋墩編號(hào)：左幅 10～13 號(hào)，右幅12～15號(hào)；下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用肋板臺(tái)，橋墩采用柱式墩，墩臺(tái)采用樁基礎(chǔ)。

橋梁整體結(jié)構(gòu)橫截面如圖1所示。72m簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)中心線處鋼梁高2.6m，橋面板厚0.4m，主梁結(jié)構(gòu)中心線處全高3m，橋面板寬20.53m。其中，鋼-混凝土組合梁橋主梁截面由預(yù)制開口鋼箱梁和現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板通過抗剪連接器組成。鋼箱梁?jiǎn)畏鶛M截面如圖2所示，鋼箱梁底板寬2.8m，橫截面為單箱單室，懸臂長(zhǎng)度1.2m。預(yù)制鋼箱梁設(shè)置跨中160mm的預(yù)拱度，向兩端呈二次曲線布置。橋梁橫坡通過鋼箱梁腹板不等高形成，橋面鋪裝等厚。鋼箱梁?jiǎn)温?lián)平面布置如圖3所示，單幅每聯(lián)由4道主梁組成，每根主梁分3個(gè)制作段，A，C段長(zhǎng)23m，B段長(zhǎng)26m。左、右幅共計(jì)6聯(lián)，A，C段共48段，B段共24段。

圖1 橋梁整體結(jié)構(gòu)橫截面

圖2 鋼箱梁?jiǎn)畏鶛M截面示意

圖3 鋼箱梁?jiǎn)温?lián)平面示意

2 施工工藝及流程

根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分考慮制作、運(yùn)輸?shù)纫蛩兀傮w施工工藝及流程為：①進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察測(cè)量；②對(duì)應(yīng)位置制作臨時(shí)支架擴(kuò)大基礎(chǔ)；③預(yù)制、安裝臨時(shí)支架(見圖4)，校對(duì)調(diào)節(jié)管支撐面標(biāo)高，并在支座和臨時(shí)支架上標(biāo)記坐標(biāo)點(diǎn)，方便鋼箱梁就位；④鋼箱梁按吊裝順序依次運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，隨到隨吊，盡量不在現(xiàn)場(chǎng)積壓，吊裝以聯(lián)為單位，原則上從一端到另一端依次吊裝，現(xiàn)場(chǎng)據(jù)實(shí)際情況調(diào)整；⑤通過連接板和高強(qiáng)螺栓將各鋼梁縱向連接成整體；⑥安裝、焊接箱間橫梁，將鋼箱梁橫向連接為整體；⑦鋪設(shè)、焊接橋面鋼模板；⑧澆筑箱內(nèi)混凝土；⑨澆筑橋面混凝土；⑩待混凝土達(dá)到強(qiáng)度，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束；具備拆除臨時(shí)支架的條件后拆除臨時(shí)支架和擴(kuò)大基礎(chǔ)；補(bǔ)漆涂裝，驗(yàn)收。

圖4 臨時(shí)支架布置示意

因施工現(xiàn)場(chǎng)工期及調(diào)度安排發(fā)生改變，擬計(jì)劃將臨時(shí)支架的拆除工序提前至澆筑混凝土前。工序的改變勢(shì)必會(huì)對(duì)橋梁撓度值產(chǎn)生影響，故對(duì)改變前后的2種施工流程進(jìn)行全過程模擬分析，施工工序分別為：①架設(shè)橋墩及臨時(shí)支撐、鋼梁；②現(xiàn)澆橋面板；③張拉預(yù)應(yīng)力鋼束；④拆除各臨時(shí)支撐；⑤橋面系施工。改變后的施工工序?yàn)椋孩偌茉O(shè)橋墩及臨時(shí)支撐、鋼梁；②拆除各臨時(shí)支撐；③現(xiàn)澆橋面板；④張拉預(yù)應(yīng)力鋼束；⑤橋面系施工。討論過程中撓度值控制是否超出安全設(shè)計(jì)限值。

3 施工全過程有限元模擬

采用有限元軟件Midas Civil中的梁格法建立的鋼箱梁模型如圖5所示。鋼箱采用Q345qD鋼板材料，預(yù)應(yīng)力鋼絞線公稱直徑15.2mm，鋼絞線面積139mm2。鋼絞線抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860MPa，彈性模量EP=1.95×105MPa。箱內(nèi)、橋面鋪裝混凝土均采用C50混凝土。

圖5 鋼箱梁模型軸測(cè)圖

采用板單元建立40cm厚混凝土橋面板。設(shè)置10cm厚瀝青混凝土橋面鋪裝與8cm厚C50防水混凝土調(diào)平層等橋面施工為恒荷載，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙邊界條件采用簡(jiǎn)支梁支座。取C50混凝土重度γ=26.0kN/m3, 根據(jù)橋面寬度20.53m、長(zhǎng)度72m，計(jì)算出恒荷載中線荷載值3.6kN/m。車道荷載采用 JTG D64—2015 《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的線荷載10.5kN/m。

3.1 預(yù)拱度計(jì)算

根據(jù)JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中“當(dāng)預(yù)加應(yīng)力的長(zhǎng)期反拱值小于按荷載頻遇組合計(jì)算的長(zhǎng)期撓度時(shí)應(yīng)設(shè)預(yù)拱度，其值應(yīng)按該項(xiàng)荷載的撓度值與預(yù)加應(yīng)力長(zhǎng)期反拱值之差采用”，在有限元軟件MIDAS Civil中設(shè)置荷載組合為1.0恒荷載+0.5車道荷載+1.0預(yù)應(yīng)力，分別計(jì)算設(shè)計(jì)施工工序與改變后的施工工序橋梁預(yù)拱度，如圖6所示。設(shè)計(jì)施工工序預(yù)拱度設(shè)置應(yīng)為71.3mm為宜，改變后的施工工序預(yù)拱度設(shè)置應(yīng)為129.0mm為宜。已知鋼箱梁的預(yù)拱度設(shè)置為160mm，2種工序均滿足要求。

圖6 預(yù)拱度計(jì)算

3.2 設(shè)計(jì)施工工序結(jié)構(gòu)撓度計(jì)算

設(shè)置橋梁預(yù)拱度為160mm，分別在各項(xiàng)工序進(jìn)行時(shí)疊加相應(yīng)的荷載，計(jì)算設(shè)計(jì)施工工序各施工階段結(jié)構(gòu)撓度，結(jié)果如圖7～12所示。架設(shè)橋墩及臨時(shí)支撐、鋼梁后橋梁的最大撓度為0.359mm，現(xiàn)澆橋面板后橋梁的最大位移為0.937mm，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束后橋梁的最大位移為1.050mm，拆除臨時(shí)支撐后橋梁的最大位移為55.633mm，橋面系施工后橋梁的最大位移為68.743mm，通車運(yùn)行后橋梁的最大位移為83.087mm。

圖7 架設(shè)橋墩及臨時(shí)支撐、鋼梁后橋梁位移

圖8 現(xiàn)澆橋面板后橋梁位移

圖9 張拉預(yù)應(yīng)力鋼束后橋梁位移

圖10 拆除各臨時(shí)支撐后橋梁位移

圖11 橋面系施工后橋梁位移

圖12 通車運(yùn)行后橋梁位移

3.3 改變后施工工序結(jié)構(gòu)撓度計(jì)算

設(shè)置橋梁預(yù)拱度為160mm，分別在各項(xiàng)工序進(jìn)行時(shí)疊加相應(yīng)荷載，計(jì)算改變后施工工序各施工階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移，結(jié)果如圖13～18所示。架設(shè)鋼梁后橋梁的最大位移為0.359mm，現(xiàn)澆橋面板后橋梁的最大位移為116.307mm，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束后橋梁的最大位移為252.969mm，拆除臨時(shí)支撐后橋梁的最大位移為115.326mm，橋面系施工后橋梁的最大位移為128.418mm，通車運(yùn)行后橋梁的最大位移為141.480mm。

圖13 架設(shè)橋墩及臨時(shí)支撐、鋼梁后橋梁位移

圖14 拆除各臨時(shí)支撐后橋梁位移

圖15 現(xiàn)澆橋面板后橋梁位移

圖16 張拉預(yù)應(yīng)力鋼束后橋梁位移

圖17 橋面系施工后橋梁位移

圖18 通車運(yùn)行后橋梁位移

3.4 設(shè)計(jì)施工工序與改變施工工序位移應(yīng)力對(duì)比

鋼-混凝土組合梁橋2種工序全過程模擬的位移及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值如表1所示。

如表1所示，改變前后的施工工序?qū)蛄簱隙戎涤绊戄^大。原設(shè)計(jì)施工工序撓度隨著流程緩慢增加，最大值出現(xiàn)在橋梁通車運(yùn)行后，僅為83.087mm；改變后的施工工序?qū)⑴R時(shí)支撐的拆除提前至橋梁樓面板施工前，使得橋梁撓度值驟然升高。在預(yù)應(yīng)力張拉工序后，預(yù)應(yīng)力鋼束的反拱效應(yīng)使撓度值有所下降，然而相較于設(shè)計(jì)施工工序仍然過大，最大值出現(xiàn)在現(xiàn)澆橋面板施工工序后，為252.969mm，較原設(shè)計(jì)施工工序增大了269%。雖然2種施工順序的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均未超出鋼材屈服強(qiáng)度極限值，但是隨著撓度的變化巨大，相較于原設(shè)計(jì)施工工序，改變后的施工工序結(jié)構(gòu)內(nèi)最大應(yīng)力值提升較多，從原設(shè)計(jì)的最大106.65MPa增大至152.0MPa，增大了42.52%。

表1 施工工序變化前后結(jié)構(gòu)位移應(yīng)力值對(duì)比

4 結(jié)語

鋼-混凝土組合梁橋施工工序的改變對(duì)橋梁撓度值影響較大，同時(shí)會(huì)伴隨結(jié)構(gòu)內(nèi)力值的劇增。為保證成橋的安全工作，避免引起過大的結(jié)構(gòu)變形使橋梁撓度值超出限度，故而不建議在施工過程中隨意變更施工順序。