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大跨波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁桥施工控制研究

2022-03-26 来源:乌哈旅游
50 世界桥梁2017年第45卷第2期(总第186期) 大跨波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁桥施工控制研究 李鑫奎,况中华,伍小平 (上海建工集团股份有限公司,上海200043) 摘要:为提高波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁桥施工控制精度,使之更好地符合设计预期,以伊朗德黑兰北部高速公路 主跨153 m的波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁桥为背景,对该桥参数敏感性分析、主梁应力和线形监测与控制、波形钢 腹板竖向高程控制等内容进行研究。通过参数敏感性分析明确了箱梁自重对主梁应力和变形的影响程度,为确定施工控制 参数提供了基础。针对波形钢腹板竖向高程,采用了竖向高程和前后两段夹角双控,以高程控制为主,前后两段夹角控制为 辅的控制方法。结果表明:通过施工控制主梁线形和应力满足规范精度要求,波形钢腹板竖向定位精度较高。 关键词:混凝土连续梁桥;波形钢腹板;有限元法;参数敏感性分析;应力;施工控帝】 中图分类号:U448.215;U441.5 文献标志码:A 文章编号:1671—7767(2017)02—0050—05 1 引 言 153 波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁桥是2O世 纪8O年代出现在国外的一种新型桥梁,与普通的预 应力混凝土箱梁相比,具有上部结构自重轻、腹板纵 向刚度低、预应力效率高、桥型美观等特点_】]。 作为一种新型桥梁结构型式,波形钢腹板预应 力混凝土箱形连续梁与普通预应力混凝土连续梁在 受力体系和施工方法上存在一定差异,尤其对大跨 径波形钢腹板混凝土箱形连续梁悬臂施工和施工控 制,目前国内相关工程经验积累较少_2]。因此,对波 图1桥型总体布置示惹 体内束组合预应力体系。由于结构上的区别,波形 钢腹板桥与普通预应力混凝土连续梁桥施工不同, 波形钢腹板桥整体施工流程为:①采用支架法施工 0号、1号段;②墩梁临时固结;③安装吊篮、安装钢 形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁桥的施工控制进 行针对性研究是十分必要的。 2工程概况 腹板;④悬臂浇筑2号段;⑤张拉预应力束及灌浆, 移动挂篮,依次浇筑其余悬臂施工段;⑥边跨、中跨 合龙;⑦解除临时固结;⑧张拉体外预应力。与普通 预应力混凝土连续箱梁桥相比,增加了钢腹板安装 伊朗德黑兰北部高速公路6号特大桥(简称6 号桥)位于伊朗德黑兰北部山区,跨越桑干河谷。主 桥采用波形钢腹板预应力混凝土连续梁,跨径布置 为(834-153+83)m,箱梁根部高8.8 m,跨中梁高 和体外束张拉2个施工环节。 4有限元模型 3.5 m,梁高及底板厚均按1.8次抛物线变化。全 桥分为l8个节段,其中0号位于墩顶,17号为合龙 段,0号~3号为波形钢腹板和混凝土组合腹板,4 号~17号为波形钢腹板,桥型布置示意如图1所示。 3 波形钢腹板桥与普通PC桥施工差异性分析 仿真计算是桥梁施工控制中的重要环节,通过 全过程的仿真计算,确定桥梁各节段施工预拱度,同 时得到施工过程中主梁变形、截面应力等关键参数, 为施工控制确定初步控制目标。 采用MIDAS Civil有限元计算软件进行仿真计 算,该桥采用软件自带波形钢腹板特性截面,主梁采 用梁单元模拟,利用变截面组建模(见图2)。建模 时进行了简化和假设,横隔板以节点荷载的形式作 波形钢腹板混凝土连续梁桥结构特点在于波形 钢腹板替代了现浇的混凝土腹板,采用了体外束和 收稿日期:2016—09—29 作者简介:李鑫奎(1981一),男,高级工程师,2005年毕业于石家庄铁道学院土木工程专业,工学学士,2008年毕业于大连海事大学道路与铁道 工程专业,工学硕士(E—mail:lxk0317@163.corn)。 大跨波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁桥施工控制研究 李鑫奎,况中华,伍小平 表1不同重量误差主梁变形 挠度/mm 施工阶段 0.9G工况 1.0G工况 51 用在主梁上,支座简化成相应的约束形式,挂篮以集 中荷载作用在悬臂端,现浇梁段湿重简化为竖向集 中荷载+弯矩形式作用在悬臂端。结合现场施工, 将每个标准节段悬臂施工划分为移动挂篮、浇筑梁 1.1G工况 段混凝土、张拉预应力钢绞线3个工况。 图2箱梁有限元模型 5施工控制内容和方法 桥梁施工控制的主要目的是通过监测桥梁结构 关键截面的应力和变形,对施工荷载进行跟踪调查, 发现可能存在的异常情况,及时预警,保障施工质量 和安全。波形钢腹板预应力连续梁桥由于其自身结 构特性,施工控制与传统预应力混凝土连续梁桥施 工控制内容和方法存在一定差异,其差异主要体现 在应力测点布置、线形控制、钢腹板定位控制等 方面。 5.1参数敏感性分析 参数敏感性分析是桥梁施工控制必不可少的环 节,参考普通连续梁参数敏感性分析研究过程,确定 了波形钢腹板桥参数敏感性分析的内容包括混凝土 节段重量、收缩徐变、温度荷载、混凝土弹性模量、预 应力。限于篇幅,本文仅选取主梁节段重量对主梁 变形和内力影响分析进行详细介绍。 主梁重量误差主要来自混凝土浇筑体积误差和 混凝土容重误差,波形钢腹板重量误差较小。主梁 重量误差分别取0.9G、1.0G、1.1G,分析重量误差 对最大悬臂状态下主梁变形和主梁根部应力影响, 不同重量误差的主梁变形如表l所示,不同重量误 差的主梁根部顶、底板应力如表2所示。 由表1、表2可知,主梁自重变化0.1G时引起 主梁根部截面顶板应力变化1.8 MPa,底板应力变 化1.6 MPa。主梁自重变化0.1G时引起主梁最大 挠度变化为12 mm。结果显示主梁自重变化对主 梁变形和根部应力影响较大。 5.2应力监测 监测截面应力变化能够及时发现施工过程中存 在的异常情况。在主梁悬臂根部1/4、1/2、3/4跨位 置钢腹板上布置三向应变计(纵向、竖直向及45。方 向),在相应位置混凝土顶板和底板上布置纵向应力 计。应力测点布置如图3所示。 表2不同重量误差主梁根部顶、底板应力 一B1 B2 一B1 Bz  (a)悬臂根部测点 (b)1/4、1/2、3/4跨应力测点 图3应力测点布置 5.3线形控制 连续梁的线形控制主要包括两个方面,一是与 设计线形的符合程度控制,二是悬臂合龙两侧高差 控制。其中,与设计线形符合程度控制是通过在设 计高程基础上增加预拱度实现的,通过增加预拱度, 消除施工过程中施工荷载、结构自重,运营过程中的 收缩徐变、预应力损失、活载等带来的线形变化。悬 臂合龙段两侧高差控制是桥梁能否顺利合龙的关 键,合龙段两侧高差过大会造成合龙困难甚至无法 合龙,若强制进行合龙,会造成桥梁内部存在较大初 始内力,对桥梁长期安全运营带来隐患。 采用自适应理论进行线形控制,以参数敏感性 分析计算为基础,将变形实测值与理论值对比,对误 差值进行判断。如误差在容许范围内,下阶段施工 不作调整,如误差超过了容许范围,则在后续施工过 程中对立模高程进行调整,使成桥线形接近理论线形。 52 世界桥梁 2017,45(2) 5.4钢腹板竖向定位控制 计误差对应力数据的影响,在进行应力数据分析时, 采用了增量累计的分析方法。悬臂根部应力值曲线 波形钢腹板定位分为横向定位和竖向定位,由 于横向定位属常规施工质量管控,本文主要针对波 形钢腹板竖向定位进行重点阐述。 与普通混凝土连续梁桥不同,波形钢腹板连续 梁桥在结构形式上属于现浇混凝土顶板、底板与波 形钢腹板的组合,因此在线形控制上具有悬臂拼装 钢桥和混凝土连续梁控制的双重特性。波形钢腹板 施工与钢桥节段拼装类似,其新添加的第N+1段 相对于第N段不仅需要考虑第N段变形,还需要 考虑N+1段的切向变形,通常以第N+1段相对 于第N段的夹角(斜率)来控制第N+1段的高程。 波形钢腹板控制包括两个方面,一是波形钢腹 板剪力健埋入底板和顶板的深度控制,二是前后两 段钢腹板之间搭接控制。 混凝土浇筑造成挂篮前端下挠变形,而此时钢 腹板与前段钢腹板已焊接固定,因此,混凝土底板、 顶板与波形钢腹板产生相对位移,造成波形钢腹板 妒∞ 柱蝴 埋入深度变化。底板和顶板立模时应考虑这部分相 醛嚣 世 对位移,从而控制钢腹板埋入混凝土深度。混凝土 辑 .旨 柱蝴鞘 ∞ 与钢腹板相对位移示意如图4所示。 题 赠 辑 ∞ 柱潮趟 .旨∞ 螺嚣 '鲁 柱蚓堪 妒∞ 螺煺 妒∞ 辑 .旨∞ 柱蝈端 妒∞ 塔嚣 。 。 图4混凝土与钢腹板相对位移示意 由于波形钢腹板采用螺栓临时固结,施工时易 出现前后两段腹板搭接螺栓孔无法穿入的情况,而 对于无法穿入的螺栓孔只能进行扩孑L,扩孔不仅造 成现场工作量的增加,也对钢腹板造成了一定的削 弱。鉴于此,本文提出了波形钢腹板安装竖向高程 和前后两段夹角双控,以高程控制为主,前后两段夹 角控制为辅的控制方法。该控制方法能够有效控制 前后两段钢腹板定位安装精度,避免了前后两段钢 腹板搭接长度过小或螺栓孔大面积扩孔的现象。 6施工控制效果 6.1应力监测结果 全桥共布置了256个应力监测传感器,在每节 段混凝土浇筑前、后,预应力张拉前、后进行应力数 据采集。为确保应力监测的真实性,剔除前阶段累 如图5所示。1/4跨截面应力值曲线如图6所示。 : 日一1 是一2 :; 3 : 擦 避 控 辎 筐 Ⅱ 心 宝 工况 日一。 臭一1 : 2 :; 晕5 印 。 。。 。 2 oL 工况 (b)底板 图5悬臂根部应力值曲线 由图5、图6可知,主要工况下各测点应力实测 值与理论值曲线吻合较好,清晰地反映出主梁预应 力体系形成的过程,符合设计预期。 分析主梁根部主要工况钢腹板三向应力,1/4 跨钢腹板三向实测应力曲线如图7所示。 由图7可知,钢腹板竖向应力随悬臂伸长增大 明显,45。和水平向应力基本不变。该结果表明,钢 腹板主要承受剪力几乎不承担轴力,符合波形钢腹 板桥受力机理。 6.2线形控制结果 主梁线形主要通过每个主要工况实测变形与理 论变形的偏差程度进行控制,主要工况悬臂端部变 形如图8所示。 由图8可知,混凝土浇筑主梁变形向下,张拉预 应力钢束主梁变形向上,变形量随着悬臂增大而增 大,14号节段浇筑混凝土悬臂端下挠变形约为5O mm,该节段张拉预应力悬臂端向上变形约为10 mm。实测值与理论值变化相近,最大误差出现在 日垒\ 越 鱼\R通 嚣 0_【 大跨波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁桥施工控制研究 0H 李鑫奎,况中华,伍小平 辑 塔螺 。_【 0_【 53 描蒜 瀑煺 妒13号节段混凝土浇筑工况,最大偏差约为8 mm,主 骣嚣 1【 梁线形得到较好的控制。螺嚣 =  i肄捌 媾嚣 6.3钢腹板位置控制结果 涨;眸_旨'【_【 波形钢腹板竖向定位通过采用绝对高程和前后 辑 【__【 悄 两段夹角双控的方法,有效避免了前后两段波形钢 腹板临时连接过程中螺栓孔大面积重新扩孔,减少 板 了现场工作量,避免了波形钢腹板连接位置的削弱。 螺 煺 畿 螓煺 妒 矾底 塔煺 i肆科 螺煺 同时,该方法也确保了波形钢腹板在混凝土内部的 潺嚣 ∞_【 工况 ∞H (a)顶板 螺嚣 图6 1/4跨截面应力值曲线 腹板三向实测应力 工况 图8主要工况悬臂端部变形 螺嚣 ∞_【 埋入精度,避免了由于钢腹板埋入深度不够需要增 加混凝土厚度的情况,对增强混凝土顶、底板与波形 鞭 ∞ 科 螺嚣 钢腹板力的传递以及控制主梁自重均有良好效果。蟋嚣  辑 7 结 语 本文通过参数敏感性分析揭示了各施工参数对 主梁应力和变形的影响程度,通过参数敏感性分析 确定了施工控制主要参数。采用了竖向高程和前后 两段夹角双控,以高程控制为主,前后两段夹角控制 为辅的波形钢腹板竖向定位控制方法。主梁线形较 好地符合了设计预期,施工过程中主梁顶板高程实 测值与理论值最大差值为8 mm,边跨及中跨合龙 高差为lO mm。钢腹板竖向定位精度显著提高,剪 力键翼缘板未出现外露或埋人过深的情况,腹板螺 栓连接位置也未出现大量扩孔现象。主梁应力实测 值与理论值最大差值控制在2 MPa以内,施工控制 取得了良好效果。 参 考 文 献: [1]丁勇,江克斌,周寅智,等.波形钢腹板PC组合箱梁 纯扭作用下抗扭承载力计算模型[J].计算力学学报, 2013,30(1):137—142. 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Key words:concrete continuous girder bridge;corrugated steel webs;finite element method; parametric sensitivity analysis;stress;construction control (编辑:赵兴雅) 

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