波纹腹板h型钢(顶底板错位施工的波形钢腹板桥梁施工监控技术研究)

Posted 2023-05-31

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波纹腹板h型钢(顶底板错位施工的波形钢腹板桥梁施工监控技术研究)

梁铎 王小龙 章小雨 程潜

内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司第一公路建设管理分公司中交一公局第一工程有限公司上海远通路桥工程有限公司中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司

摘 要：为探讨顶底板错位施工的波形钢腹板桥梁施工监控技术，以昭君黄河特大桥南跨堤桥为依托，考虑波形钢腹板梁桥和顶底板错位施工工艺的特点，采用Midas/Civil建立三维有限元模型，进行顶底板错位法施工阶段的仿真计算，结合实测位移及应力数据展开对比研究。结果表明，昭君黄河特大桥在顶底板错位施工过程中的应力分布及线形状态均处于可控状态。

关键词：波形钢腹板桥梁;顶底板错位施工;施工监控;技术研究;

波形钢腹板梁桥是由混凝土顶板、混凝土底板、波形钢腹板、横隔板、预应力刚束等组成的组合截面梁桥。相对于普通预应力混凝土箱梁桥，波形钢腹板梁桥具有自重轻、抗震性强、材料省、施工工期短和耐久性能好等优点。波形腹板抗剪能力强，且纵桥向刚度小，预应力效率高。近年来，随着波形钢腹板组合梁桥力学性能研究的逐渐深入，这种结构在国内得到越来越多的应用。

波形钢腹板桥梁的施工方法主要有满堂支架法、预制吊装法、顶推法、悬臂法和顶底板错位施工法。满堂支架法适用于小跨径桥梁，顶推法常被用于等高截面的中跨径桥梁，大跨径梁桥一般采用挂篮悬臂法施工。随着施工技术的不断进步，顶底板错位施工法在挂篮悬臂施工的基础上形成，并在国内外新建波形钢腹板梁桥中得到了广泛应用[1,2,3,4,5,6,7],如国外的津久见川桥、鬼怒川桥，国内的头道河大桥、运宝黄河大桥、奉化江大桥等。

在顶底板错位施工过程中，n-1节段上顶板和n节段下底板的混凝土浇筑以及n+1节段钢腹板安装同时进行，这样就拓宽了施工工作面，避免了各工序间的相互干扰，缩短了施工工期。本文以昭君黄河特大桥南跨堤桥为工程实例，采用力学仿真模型与现场实测数据相结合的方法，对施工监控中的线形和应力数据进行对比研究。

1 工程概况

昭君黄河特大桥主桥是85 m+9×150 m+85 m=1 520 m的11跨波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁，为目前国内联长最长的大跨径波形钢腹板连续梁桥。该桥南、北岸跨堤为40 m+70 m+40 m=150 m的三跨波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁桥。主桥与南、北跨堤桥均采用顶底板错位法施工，其中0号块、1号块采用临时固结支架现浇施工，标准梁段采用挂篮对称悬臂施工，边跨现浇段采用支架现浇施工，边跨及中跨合龙段均采用挂篮合龙。

本文以南跨堤桥为例，对错位施工法波形钢腹板梁桥的施工监控技术进行研究。南跨堤桥单幅主梁采用单箱单室变高度变截面直腹板形式，如图1所示。波形钢腹板顶部焊接翼缘板及双排开孔钢板形成倒Π形的双PBL剪力键，贯通钢筋嵌入到顶板混凝土中，波形钢腹板底部设置圆孔，通过穿孔钢筋嵌入到底板混凝土中。波形板与上、下混凝土板的连接构造如图2所示。

图1 主梁标准横断面

单位：cm

图2 波形钢腹板连接构造

2 监控计算分析

2.1顶底板错位施工力学分析模型

采用Midas/Civil有限元软件建立该桥的仿真模型。根据悬浇梁段的长度和构造形式，在各梁段划分位置及截面变化位置划分单元，全桥共分78个单元。单幅主梁采用空间梁单元进行模拟，按0号～7号、边跨现浇段、边跨和中跨合龙段进行分组，计算模型如图3所示。

图3 南跨堤桥波形钢腹板计算模型

墩顶截面采用混凝土截面，波形钢腹板截面采用由钢腹板、底板、顶板组成的组合梁截面，主梁顶板和底板采用C55混凝土，波形钢腹板采用Q345钢材。由于联合截面中波形钢腹板只能按照直腹板模拟，因此定义材料时，自重需要乘以对应的转换系数。定义联合截面时，利用 Midas中的SPC功能直接导入整个组合截面，整个截面就是一个单梁模型，可以比较真实地模拟钢梁与混凝土的连接。通过施工阶段联合截面设置各部分的激活顺序，可以准确地模拟其施工过程。顶底板错位施工如图4所示。

图4 顶底板错位施工仿真计算分析示意

2.2计算荷载

横隔板及内衬混凝土等效为荷载计算，不考虑其对截面刚度的贡献。横隔板用梁单元荷载中的集中荷载模拟，内衬混凝土用均布荷载模拟，挂篮重量及施工阶段的混凝土湿重用集中力和集中弯矩模拟。

(1)恒载：

一期恒载包括主梁、横隔板、内衬混凝土等自重。主梁自重按实际断面计，重度为25×104 kN/m3,横隔板按集中荷载考虑，内衬混凝土按均布荷载考虑。二期恒载包括防撞护栏、桥面铺装等，按76.4 kN/m计。

(2)活载：

汽车荷载，桥梁等级为公路-Ⅰ级；模型在梁单元中心线设置一个车道线。横向分布系数按汽车车道数×车道折减系数×偏载系数计算，这里的车道数及车道折减系数为桥面能容纳的最大车道数和对应的车道折减系数，使计算结果更为保守。

冲击系数μ按照《公路桥涵通用设计规范》第4.3.2条进行计算：

当f<1.5 Hz时，μ=0.05;

当1.5 Hz≤f≤14 Hz时，μ=0.176 7lnf-0.015 7;

当f>14 Hz时，μ=0.45。

根据规范，计算的结构基频f=1.895 818 Hz, 冲击系数μ=0.097。

2.3施工阶段

根据桥梁的施工工序，全桥共分47个施工阶段，各施工阶段的工作内容、施工天数见表1。

表1 施工阶段划分

2.4预拱度计算

主梁成桥预拱度根据经验值确定，中跨最大预拱按跨径的万分之五(3.5 cm, 跨中位置)进行预抛，边跨按中跨的四分之一(0.875 cm, 跨径的八分之三处)进行预抛，并按照余弦曲线进行拟合。跨堤引桥波形钢腹板制造预拱度如图5所示。

图5 波形钢腹板制造预拱度

3 施工过程监控

3.1监控内容

施工监控的目标是通过对施工中主梁线形、结构应力、温度场以及桥墩沉降等项目的监测，结合每一施工阶段结构有限元仿真计算结果进行误差分析，采用科学有效的措施对主梁线形和应力进行控制，以此来保证施工过程中桥梁结构的安全性和稳定性，确保主梁合龙后桥梁应力和线形符合设计和规范的要求并最大限度接近理想状态。

不同施工阶段的施工监控目标存在不同之处。在悬臂浇筑阶段，以线形控制为主要控制目标，应力控制为辅助控制目标；在合龙阶段，则以应力控制为主要控制目标，线形控制为辅助控制目标。为确保桥梁悬臂浇筑阶段主梁线形尽可能与设计相符，应严格控制施工误差。

3.2线形控制

主梁线形控制的关键是确定各节段的立模标高。各节段的立模标高，通过理论控制计算的预拱度、挂篮变形以及对上一节段实测挠度值进行修正得到。施工过程中，对箱梁每一梁段顶板、底板各测点的标高实施监测，并结合预拱度理论计算结果来达到控制目的，同时对箱梁轴线位置实施监测，将合龙前两悬臂端标高偏差控制在合理范围内，并保证成桥后结构线形与目标线形偏差不大于规定值。

监测主梁线形(轴线、高程)时，施工过程中，在每个施工梁段的顶板和底板前端分别对称布置两个测点，顶板中线布置一个测点，如图6所示。这样，一方面可以测量施工梁段的竖向变形，另一方面还可以观测梁段是否发生扭转变形及中线线形是否符合设计要求。在轴线偏差大于10 mm, 或相邻梁段间相对轴线偏差大于0.2%梁段长度时，应及时纠正。主梁的5个高程测点的平均误差应在悬臂长度的±1/4 000以内，当1/4 000悬臂长度<15 mm时，按照±15 mm进行控制。相邻梁段间平均相对偏差不得大于10 mm, 左右高程相对偏差不得大于5 mm, 不满足要求的应及时做出调整。

图6 线形测点布置示意

以73号墩右幅最大悬臂状态为例，实测值与理论值线形对比结果如图7所示。结果表明，实测线形与理论线形结果基本一致，整体吻合较好。

图7 73号墩右幅最大悬臂状态线形

对于大跨度预应力混凝土桥梁而言，应力监测结果会受到诸多因素的影响。比如，施工过程中的施工荷载、混凝土的收缩徐变、预应力张拉损失、温度及湿度影响等，都会使结构应力发生变化。同时，在仿真计算过程中，设计应力也会受设计参数和模型误差的影响，导致实际应力与设计应力之间存在很大偏差。在监测实际应力时，可以通过系统识别、误差分析与处理等方式，使二者尽可能地接近，从而较准确地掌握结构的真实应力状态。

跨堤桥测点的布设截面主要位于0号块前端边缘、L/4截面以及合龙段位置。每个监测断面布设8个测点(包括左、右幅),如图8、图9所示。

图8 应力监测断面示意

图9 横截面应力测点布置示意

单位：cm

以74号墩左幅4号块浇筑后数据为例，实测值与理论值应变对比结果见表2。结果表明，实测值与理论值吻合较好。

表2 74号墩左幅4号块底板浇筑后应变对比 με

注：小里程1、小里程2分别为设计里程K27+951位置4号底板外侧及内侧测点；大里程1、大里程2分别为设计里程K27+989位置4号底板外侧及内侧测点。

4 结语

综合实体模型的计算分析结果，并经现场施工监控验证，得到如下结论。

(1)昭君黄河特大桥南跨堤桥应力分布状态及线形均处于可控状态，这说明错位法施工工艺在波形钢腹板桥梁施工中具有推广价值。

(2)与普通混凝土箱梁桥悬臂施工不同，波形钢腹板顶底板错位悬臂施工过程中，挂篮以波形钢腹板作为承重结构，可以实现顶板、底板以及波腹板这3部分平行施工，从而显著缩短了施工周期，提高了施工效率。

(3)波纹钢腹板箱梁在错位法施工过程中，腹板安装要早于上、下顶底板。由于腹板的高度较大，需要增加横向支撑提高稳定性。此外，施工过程中，在悬臂端部钢混连接位置存在应力集中问题，需要对该区域混凝土和钢腹板的局部连接进行进一步研究。

参考文献

[1] 岳宏智，牛传同，曹洪亮，万水.波形钢腹板PC组合箱梁桥异步施工全过程分析[J].公路，2020,(5).

[2] 姚健鹏，梁明盛，陈忠诚.预应力混凝土连续箱梁桥悬臂施工监控[J].公路，2012,(2).

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[4] 刘防震.苏通大桥主跨268m连续刚构的施工监控[J].公路，2008,(12).

[5] 颉明军.错位法施工在波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥中的应用[J].铁道建筑，2017,(4).

[6] 李宁，卢勇，陈成，杜松.波形钢腹板连续梁桥错位法悬浇施工技术适用性研究[J].中外公路，2018,38(1).

[7] 姚红兵，王思豪，刘玉擎，庄卫林.组合折腹梁桥钢腹板自承重施工过程分析[J].中外公路，2018,38(3).

[8] 李辉，陈成，刘宁波.波形钢腹板桥箱梁错位法施工工艺研究与应用[J].施工技术，2019,48(3).

[9] 张书铭.基于有限元的波形钢腹板箱梁桥错位法施工工艺研究[J].交通世界，2020,(Z1).

[10] 徐添华.大跨波形钢腹板组合箱梁桥悬臂施工力学分析[J].城市道桥与防洪，2019,(5).

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