施工期波形钢腹板组合箱梁变形控制研究

赖用满

南京市公共工程建设中心

摘 要：以南京长江第五大桥跨大堤桥为工程背景，开展了基于施工期箱梁节段变形控制的设计研究。结合有限元方法对施工过程中的梁段进行模拟，对比分析了箱梁在不同抗扭增强措施下的受力性能及施工性等方面的差异、在不同吊装方案下的变形及应力结果。结果表明：所提出的变形控制措施及三吊点方案可有效控制箱梁变形及应力水平，满足设计的要求。

关键词：桥梁工程;组合箱梁;波形钢腹板;变形控制;施工技术;吊装技术;

波形钢腹板组合梁桥，其顶底板为钢筋混凝土结构，腹板为波形钢腹板，预应力采用体内和体外相结合的布置方式，这种构造形式使得其与传统混凝土梁桥相比，具有结构自重轻、预应力效率高、结构耐久性好、施工速度快等优点，已经在多个国家得到研究和推广应用[1,2,3,4]。近年来，桥梁施工开始向工厂化、装配化、标准化方向发展。在混凝土梁桥施工领域，节段预制拼装施工具有架设速度快、质量容易控制、环保性好、成本低等特点，已经得到越来越广泛的应用[5,6,7]。由于波形钢腹板组合梁桥比混凝土梁桥在经济性、耐久性、节能方面具有更大的优势，因此，节段预制拼装波形钢腹板组合梁桥应用前景将更为广阔。

为进一步保障施工质量、缩短现场施工时间、减少对既有交通环境中影响，南京长江第五大桥跨大堤桥提出采用短线匹配预制和架桥机悬臂拼装相结合的施工工艺：波形钢腹板在钢结构厂制造，运输至混凝土构件预制场地，采用短线匹配预制工艺逐节段成型组合梁节段，待存放期满足要求后转运至施工场地，采用架桥机悬臂拼装波形钢腹板组合箱梁节段。

1 工程概况

南京长江第五大桥北引桥——跨大堤桥为三跨波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥，桥跨布置如图1所示。桥梁采用分幅设计，单幅为单箱双室斜钢腹板变高度箱形截面，主梁典型断面如图2所示。标准箱梁顶板宽18.65 m, 梁高和底板厚度均以1.8次抛物线的形式由跨中向根部变化。跨中梁高2.2 m, 底板厚28 cm, 根部梁高4.5 m, 底板厚60 cm。箱梁顶、底板采用C50混凝土，波形钢腹板采用1600型。本桥钢腹板与混凝土顶板采用双PBL键连接，波形钢腹板与混凝土底板采用埋入式连接；波形钢腹板节段间采用对接焊连接。波形钢腹板与混凝土顶、底板在工厂预制，形成整体节段，然后运送到现场进行吊装。

2 箱梁节段施工期变形控制关键技术

波形钢腹板组合箱梁节段施工期变形控制是实现梁段间精确拼装的关键，需重点研究以下几个关键技术。

(1)梁段匹配过程变形验算：

在梁段匹配、浇筑顶板混凝土时，新浇混凝土会给匹配梁段顶板一个纵向压力，该纵向压力可能导致匹配梁段变形，影响新浇梁段的几何形状。

图1 南京长江第五大桥北引桥———跨大堤桥

图2 跨大堤桥箱梁截面

(2)梁段吊装过程变形控制：

波形钢腹板箱梁的抗扭及横向抗弯刚度相比同等结构的混凝土箱梁均有不同程度的降低，箱梁吊装过程中可能造成波形钢腹板节段梁(匹配梁)顶、底板出现相对扭曲、位移或整体位移情况，影响预制箱梁线形精度。

(3)梁段扭转和畸变变形控制：

节段预制拼装波形钢腹板箱梁的钢腹板较柔，抗扭刚度相对较小，结构的空间效应显著，容易发生扭转和畸变。波形钢腹板节段箱梁吊装、运输等过程中，钢腹板支撑的混凝土顶板结构，在倾斜、振动等工况下，容易产生水平力，形成节段箱梁扭转和畸变的诱因，必须控制扭转和畸变变形量。

3 梁段匹配过程变形验算

由上述分析可知，有必要对在匹配过程中匹配梁段的变形情况进行验算。匹配梁段变形示意图如图3所示。

根据《建筑施工模板安全技术规范》(JGJ 162-2008)的第4.1.1条中的规定：混凝土对模板的侧压力取公式(1)和(2)中的较小值：

图3 匹配梁段变形示意

F=0.22γctoβ1β2V1/2 (1)

F=γcH (2)

式中：F为新浇混凝土对模板的侧压力计算值(kN/m2);γc为混凝土的重力密度(kN/m3);V为混凝土的浇筑速度(m/h);to为新浇混凝土的初凝时间(h),可按试验确定，当缺乏试验资料时，可采用to=200/(T+15)(T为混凝土的温度，℃);β1为外加剂影响修正系数，不掺外加剂时取1.0,具有缓凝作用的外加剂时取l.2;β2为混凝土坍落度影响修正系数，当坍落度小于30 mm时，取0.85,坍落度为50～90 mm时，取1.00,坍落度为110～150 mm时，取1.15;H为混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度(m)。

具体系数取值参见规范规定，计算可得侧压力为F=23.56 kN/m2。梁段高度越大，抵抗侧向位移的能力越小，取高度较大的梁段作为计算模型。将该侧压力荷载加到2号梁段有限元模型中，计算结果如图4所示。

图4 匹配工况计算结果

由图4可知，在现浇混凝土侧压力下，匹配梁段的纵向变形最大值为0.4 mm, 且该工况下波形钢腹板应力水平较低。

4 箱梁扭转和畸变变形控制

4.1箱梁扭转和畸变控制措施

与节段预制混凝土箱梁相比，节段预制拼装波形钢腹板箱梁的钢腹板较柔，抗扭刚度相对较小，结构的空间效应显著，在波形钢腹板箱梁节段吊装、运输等过程中，在倾斜、振动等工况下，容易产生水平力，容易发生扭转和畸变。在钢腹板和混凝土顶底板结合位置容易产生开裂，降低结构的使用性能。

为提高运输及吊装等施工过程中梁段端口抗扭转性能，在节段两侧端口设置临时拉索或刚性支撑，如图5和图6所示。箱口内临时支撑方案对比见表1。

图5 箱口内临时拉索

图6 箱口内临时型钢支撑

表1 箱口内临时支撑方案对比

梁段在运输和吊装过程中，水平力作用可按式(3)验算临时支撑：

Fh=max{1.2×Gt×sini, 0.2×Gb} (3)

式中：Fh为箱口临时支撑验算水平力；Gt为混凝土顶板重；Gb为混凝土底板重；i为运输道路不利纵坡，可按9°取。

箱梁端口临时支撑在与混凝土顶底板连接过程宜采用预埋组件与支撑系统栓接等连接措施，避免支撑型钢直接焊在预埋件上，以消除临时构件产生的附加应力，预埋组件局部受力应满足要求。通过支撑系统，使混凝土顶底板横向变形差在验算水平力作用下控制在1.5 mm以内。

4.2研究工况与分析结果

采用link10单元模拟拉索，beam44单元模拟刚性支撑，3D实体单元模拟混凝土、2D板单元模拟波形钢腹板，交叉索或刚性支撑布置在梁段端口截面处，共计2道。交叉索预张力为1～2 t, 刚性支撑采用10号槽钢。有限元模型如图7所示。

图7 有限元模型

工况一：采用柔性拉索方案进行加固。

工况二：采用刚性支撑方案进行加固。

对比加拉索前后梁段的横向变形情况(在顶板横向加10 t水平力),取墩顶附近抗扭刚度较小的2号梁段进行计算。

由图8和图9可知，当节段梁不采取任何措施时，在100 kN水平力作用下，节段梁最大横向变形为4 mm; 采用柔性拉索后横向变形显著减小为1.5 mm; 采用刚性支撑后横向变形能减少至0.8 mm。可见，柔性拉索及刚性支撑2种方案都能显著增大梁段抵抗侧向变形的能力，但刚性支撑效果更好。因此，在预制拼装过程中，推荐在组合箱梁节段中焊接临时剪刀撑。

图8 柔性拉索计算结果

单位：mm

图9 刚性支撑计算结果

5 梁段吊装过程变形控制

5.1吊装概况

由上述分析可知，在模板拆除后、箱梁吊运前，在内仓增加刚性剪刀支撑，可提高波形钢腹板箱梁的抗扭及横向抗弯刚度，减少吊装过程中出现相对扭曲、位移或整体位移的情况，改善节段受力状态，。

浇筑梁段完成匹配任务并达到起吊强度后(由试验室压制同条件养护试件抗压强度确定，不低于设计强度75%),利用底模台车上的液压系统将匹配梁与新浇梁段分离，通过小车自走行系统牵引匹配梁段至合适的位置；通过梁段预留的临时吊点孔安装精轧螺纹钢筋及特制专用吊具，利用龙门吊将梁段吊运至二次养护区/存梁区。

图10 波形钢腹板组合箱梁吊运

5.2研究工况

(1)节段选取：对于桥宽相同的节段梁，其梁高越小，梁段刚度越小，在起吊工况下的变形、应力则会更不利。因此，选择梁高最小的节段来计算(跨大提桥选14号节段)。

(2)材料性能Ec:按混凝土弹性模量发展到75%(25 GPa)、85%(30 GPa)、100%(35 GPa)3个工况考虑。

(3)边界条件：梁段吊杆与梁段主要通过钢垫板来传力，在模型中，将钢垫板作用区域的混凝土节点进行约束(UX、UY、UZ)。

(4)荷载：梁段自重荷载并考虑1.2倍的起吊动力系数。

(5)吊点布置如图11所示，单箱双室分别采用双吊点、三吊点布置。

图11 吊点布置示意

单位：mm

5.3分析结果

模型计算完成后，主要提取变形及应力结果。

(1)双吊点方案。

由图12可知，梁段竖向最大变形为中腹板处的3 mm; 混凝土顶板上表面在边腹板内侧吊点位置区域拉应力均超过了3 MPa, 下表面在中腹板加腋处拉应力也超过了3 MPa; 混凝土底板下表面最大拉应力为2.8 MPa, 出现在中腹板加腋处。

采用双吊点方案进行起吊，梁段混凝土拉应力大于1.83 MPa不满足设计要求，且中腹板变形较大。

图12 单箱双室吊装计算结果(双吊点方案)

(2)三吊点方案。

由图13可知，吊点位置调整后，仅在混凝土顶板出现较大拉应力，且均不超过1.7 MPa, 结构受力安全；波形钢腹板根部变形控制在1 mm以内，混凝土翼缘板悬臂端最大变形为1.5 mm, 可忽略不计。

图13 单箱双室吊装计算结果(三吊点方案)

由此可见，采用三吊点方案进行起吊，梁段混凝土拉应力小于1.83 MPa, 满足设计要求，且三吊点方案下波形钢腹板的变形小于采用双吊点方案的变形。

根据计算结果，对于单箱双室箱梁，建议采用三吊点方案，吊点均布置在腹板两侧；对于单箱单室箱梁，建议采用双吊点方案，吊点均布置在腹板两侧。以上方案可有效控制箱梁变形以及混凝土拉应力水平。

6 结语

(1)对比柔性和刚性抗扭增强措施结构的内力和变形可以看出，2种支撑方案都能增大梁段抵抗侧向变形的能力，刚性支撑的效果更好，在预制拼装过程中，推荐在组合箱梁节段中采用焊接临时剪刀撑。

(2)对于单箱双室箱梁，建议采用三吊点方案，吊点均布置在腹板两侧，可有效控制箱梁变形以及混凝土拉应力水平。

参考文献

[1] 李宏江，万水，叶见曙.波形钢腹板PC组合箱梁的结构特点[J].公路交通科技，2002,(3):53-57.

[2] 孙天明，李淑琴.波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计与建造[J].公路，2010,(1):79-82.

[3] 杨明，孙筠，张树仁，等.波纹钢腹板体外预应力箱梁桥的发展与展望[J].公路交通科技，2006,(12):72-75.

[4] 徐忠宁，杨新远.波形钢腹板组合梁桥的发展状况及特点[J].内蒙古科技与经济，2010,(1):70-72.