陳 海 清
(福州市城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展有限公司, 福建 福州 350003)
隨著橋梁工程的發(fā)展,預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋從材料到跨度都取得了巨大的突破??崭故絍構(gòu)變高度梁,以V構(gòu)的形式來(lái)增加根部梁的高度,減少結(jié)構(gòu)重量,提高跨越能力,同時(shí)能使梁底呈現(xiàn)明顯的拱形,增添橋梁的柔美[1]。具有梁式橋、斜腿剛架橋的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)受力性能較好,支座周圍結(jié)構(gòu)剛度相比普通連續(xù)梁橋橋墩大大提高,兼具結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸減小,造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)[2-4],從而大大受到青睞。
但是,空腹式連續(xù)梁橋V構(gòu)部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜,截面形式變化多樣,各交匯點(diǎn)局部應(yīng)力較大[4-5]。同時(shí),空腹式V構(gòu)在上、下弦分離后又結(jié)合,形成封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu),受施工工藝、混凝土收縮、環(huán)境溫度等因素影響[6-7],施工及運(yùn)營(yíng)過程中可能會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力,混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的機(jī)率很高,對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性使用壽命有較大影響[8-9]?,F(xiàn)有資料對(duì)變截面連續(xù)梁V構(gòu)受力性能研究還相對(duì)較少,大多僅對(duì)施工方法進(jìn)行了說明,而尚未給出有關(guān)V構(gòu)局部在各個(gè)工況下應(yīng)力的明確計(jì)算方法[10-12]。
以某實(shí)際工程為背景[13-14],建立MIDAS/Civil有限元模型[15],對(duì)V構(gòu)區(qū)域的各個(gè)施工階段及成橋階段進(jìn)行詳細(xì)的受力分析,得到結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。為該工程的建設(shè)提供技術(shù)指導(dǎo),同時(shí)可供同類橋梁參考。
背景工程分左右幅采用雙向八車道規(guī)模,兩側(cè)設(shè)非機(jī)動(dòng)車道、人行道,橋面寬度42.5 m。通航主跨采用240 m空腹式鋼混凝土混合變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),過渡跨采用123.5 m變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),副跨采用多孔83 m變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。全橋孔跨布置為(71+9×83+71) m+(71+83+123.5+240+123.5+83+71) m=1 684 m,分為主、副橋兩聯(lián)。其中主橋聯(lián)長(zhǎng)為(71+83+123.5+240+123.5+83+71) m=795 m,副橋聯(lián)長(zhǎng)(71+9×83+71) m=889 m。橋型布置如圖1所示。
圖1背景工程橋型布置圖(單位:cm)
主V構(gòu)細(xì)部構(gòu)造圖如圖2所示,總長(zhǎng)56.2 m,寬20.25 m,立柱截面高4 m。支點(diǎn)位置上弦梁高3.8 m,向兩側(cè)利用2次拋物線ΔH=0.003994083X2增加梁高,上弦頂板厚0.35 m~0.50 m,腹板厚0.90 m,底板0.40 m;下弦豎向高度4.50 m,交匯后箱梁高度及梁頂至下弦底距離按3.8次拋物線ΔH=0.000000220481X3.8變化,下弦頂板0.8 m,底板1.0 m,腹板和上弦同厚度。
圖2主V構(gòu)構(gòu)造圖(單位:m)
V構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,應(yīng)力復(fù)雜,選擇合適的施工工藝對(duì)結(jié)構(gòu)最終受力,施工的操作性、經(jīng)濟(jì)性尤為關(guān)鍵。通常V構(gòu)的施工工藝有全支架法施工、掛籃加支架法施工與支架加扣索法施工等。
全支架法施工通過在陸上或水中搭設(shè)支架作為支撐結(jié)構(gòu),施工完V構(gòu)下弦后,再在下弦上搭設(shè)支架施工上弦,V構(gòu)合龍后張拉永久預(yù)應(yīng)力;掛籃加支架法施工通過搭設(shè)墩旁支架或三角架施工下弦0#節(jié)段,采用掛籃依次對(duì)稱懸澆下弦節(jié)段,施工過程中通過扣索對(duì)拉調(diào)整下弦內(nèi)力及線形,再在下弦上搭設(shè)支架施工上弦,最后掛籃施工V構(gòu)合龍段;支架加扣索法通過在承臺(tái)及水中搭設(shè)支架作為支撐結(jié)構(gòu)。施工完V構(gòu)下弦,第一次張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力,在下弦上搭設(shè)支架施工上弦(分2次澆筑并預(yù)留后澆帶),上弦第一次澆筑完成后,第二次張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力,澆筑后澆帶,澆筑上弦頂板,合龍V構(gòu)段,張拉永久預(yù)應(yīng)力完成V構(gòu)施工。
采用支架加扣索法施工,結(jié)構(gòu)受力明確,利于施工控制,且施工速度快,施工周期短。為了滿足工程進(jìn)度要求,該背景工程首先排除掛籃加支架法施工。同時(shí),主V構(gòu)高度高、混凝土方量大,自重較大,若采用全支架法經(jīng)濟(jì)性較差,而通過臨時(shí)扣索能有效減少支架用量,因此,最終采用支架加扣索法。
具體施工如下:墩頂56.2 m段設(shè)置現(xiàn)澆支架進(jìn)行混凝土澆筑?,F(xiàn)澆支架從下往上為:φ 800×10 mm鋼管樁基、2HM60縱梁、φ630×12 mm承臺(tái)鋼管立柱、2HM60曲梁、2[25@90 cm 次梁、縱向分配梁[8@90/30 cm、10×10 mm木方@15/10 cm及15 mm厚竹膠板模板。同時(shí)為保證施工完成后V構(gòu)內(nèi)力情況與原設(shè)計(jì)內(nèi)力情況一致,在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中增加預(yù)應(yīng)力臨時(shí)扣索(42束),并通過臨時(shí)扣索調(diào)整V構(gòu)內(nèi)力,使V構(gòu)在施工完成后內(nèi)力情況同設(shè)計(jì)狀態(tài)接近。主墩V構(gòu)支架斷面如圖3所示。
圖3主墩V構(gòu)支架斷面圖
采用橋梁專業(yè)軟件MIDAS/Civil進(jìn)行分析計(jì)算,空間計(jì)算模型如圖4所示。全橋共587個(gè)節(jié)點(diǎn),494個(gè)梁?jiǎn)卧=_^程中材料參數(shù)與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致,為C55混凝土(彈性模量35.5 GPa,泊松比0.2,質(zhì)量密度2 549 kg/m3)和Q370qD(材料采用理想彈塑性模型,彈性模量2.06×105MPa,泊松比0.3,質(zhì)量密度7 850 kg/m3,屈服強(qiáng)度370 MPa,抗拉強(qiáng)度510 MPa)。受力鋼筋采用HRB400普通鋼筋,預(yù)應(yīng)力束采用фs15.2鋼絞線,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa,彈性模量Ep=1.95×105MPa。部分豎向預(yù)應(yīng)力采用精軋螺紋鋼筋,其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=785 MPa,單根精軋螺紋鋼筋張拉控制應(yīng)力為0.9fpk=706.5 MPa,物理參數(shù)均按照對(duì)應(yīng)規(guī)范設(shè)定。
圖4有限元計(jì)算模型
主V構(gòu)空腹細(xì)部構(gòu)造模型如表1所示,上弦梁通過29個(gè)節(jié)點(diǎn)和28個(gè)梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬;下弦梁通過45個(gè)節(jié)點(diǎn)和44個(gè)梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。
表1 主V構(gòu)截面模型
采用有限元MIDAS/Civil進(jìn)行邊界條件模擬時(shí),V構(gòu)結(jié)構(gòu)與主梁交匯處及主梁立柱連接均采用剛性連接模擬,V構(gòu)墩梁臨時(shí)約束以及永久支座采用彈性連接,通過設(shè)置豎向、橫橋向、縱橋向(SDx=2.4×108MPa、SDy=2.4 MPa、SDz=2.4 MPa)剛度進(jìn)行模擬。主梁中心節(jié)點(diǎn)和立柱、立柱底部節(jié)點(diǎn)和支座頂部節(jié)點(diǎn)之間均采用剛性連接模擬,支座底部用一般支承固結(jié),邊跨、次邊跨、次主跨現(xiàn)澆段的臨時(shí)支架采用彈性連接的僅受壓模擬。主V構(gòu)結(jié)構(gòu)的扣索施工通過賦予兩次扣索張拉力的只受拉桁架單元來(lái)模擬,主V構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的上弦主梁、邊V構(gòu)結(jié)構(gòu)和次邊V構(gòu)結(jié)構(gòu)的支架施工均采用彈性連接的僅受壓模擬。有限元模型中相對(duì)應(yīng)的邊界模擬如圖5所示。
圖5邊界條件模擬
施工階段分析采用標(biāo)準(zhǔn)值組合,考察施工期間各作用的標(biāo)準(zhǔn)值合力效應(yīng);成橋階段主要考察短期效應(yīng)組合,成橋階段考察的主要組合為:恒載+支座沉降+汽車+人群+溫度+制動(dòng)力。
主墩V構(gòu)高度20 m,根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),立柱分為5次澆注,上、下弦分4次對(duì)稱澆注。在上弦正中位置設(shè)置濕接縫以防止箱梁混凝土開裂。各施工階段索張拉力大小,依據(jù)V構(gòu)施工順序計(jì)算,保證施工期間結(jié)構(gòu)的安全、成橋后線性與應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
經(jīng)驗(yàn)算,縱梁、曲梁、次梁、縱向分配梁等桿件受力情況如表2所示,均小于規(guī)范限值,主要桿件受力滿足設(shè)計(jì)要求。
表2 主要桿件受力情況 單位:MPa
V構(gòu)扣索施工重點(diǎn)關(guān)注混凝土構(gòu)件應(yīng)力、扣索拉力、支架反力三個(gè)方面,與此密切相關(guān)的施工階段分別為:階段一:扣索第一次張拉;階段二:上弦非合龍段澆筑;階段三:扣索第二次張拉。
施工階段屬短暫狀況,混凝土應(yīng)力計(jì)算主要對(duì)構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力和自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,應(yīng)力驗(yàn)算主要有:
各主要施工階段V撐上、下弦截面混凝土頂、底緣法向拉應(yīng)力及法向壓應(yīng)力示于表3和表4,發(fā)現(xiàn)所有混凝土應(yīng)力均小于規(guī)范限值。
各主要施工階段扣索拉力示于表5。各主要施工階段支架反力示于表6。各主要施工階段V 撐截面底緣法向應(yīng)力示于表7。
表3各主要施工階段下弦截面混凝土應(yīng)力單位:MPa
應(yīng)力類型應(yīng)力部位應(yīng)力階段一階段二階段三拉壓頂緣0.10.20.4底緣———頂緣0.60.41.6底緣0.91.12.5
表4各主要施工階段上弦截面混凝土應(yīng)力單位:MPa
應(yīng)力類型應(yīng)力部位應(yīng)力階段一階段二階段三拉壓頂緣—0.30.3底緣——0.7頂緣——0.5底緣—0.50.3
表5 各主要施工階段扣索拉力
表6 各主要施工階段支架反力
表7各主要施工階段V撐截面底緣法向應(yīng)力單位:MPa
階段應(yīng)力圖階段一階段二階段三
在第一階段,計(jì)算結(jié)果為:V撐下弦支點(diǎn)最大反力為836 kN,拉索內(nèi)力為3 000 kN,下弦未脫架,支架可共同承受下弦的重量,拉索初步參與受力。主V撐下弦已經(jīng)施工完成,由于下弦支架無(wú)法承擔(dān)V撐全部重力,此次進(jìn)行扣索張拉主要為下弦支架分擔(dān)后續(xù)上弦施工帶來(lái)的重力。
在第二階段,計(jì)算結(jié)果為:V撐上下弦交匯處反力合力為10 545 kN,下弦支架共有24根鋼管樁提供18 720 kN設(shè)計(jì)承載力,支架系統(tǒng)有足夠承載力。采用下弦支撐上弦現(xiàn)澆支架,上弦澆筑帶來(lái)的重量由支架、下弦、拉索三者共同承擔(dān)。
在第三階段,計(jì)算結(jié)果為:下弦支架反力為0 kN,拉索內(nèi)力為7 000 kN~8 000 kN。下弦完全脫架,V撐重力由拉索和支座承擔(dān),主V撐尚未合攏形成超靜定的結(jié)構(gòu)。
V構(gòu)受力性能按規(guī)范要求的荷載組合進(jìn)行驗(yàn)算。三類最不利荷載組合作用下構(gòu)件頂緣、底緣產(chǎn)生的應(yīng)力如圖6、圖7所示,由圖7可知,成橋階段V構(gòu)處于受壓狀態(tài),且最大壓應(yīng)力小于規(guī)范限值,符合要求。
圖6 V構(gòu)應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)
圖7V構(gòu)承載能力極限狀態(tài)組合下最大主
應(yīng)力云圖(單位:MPa)
(1) 施工階段應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注混凝土構(gòu)件應(yīng)力、扣索拉力、支架反力三個(gè)方面,及與此密切相關(guān)的三個(gè)階段:在鎖扣第一張拉階段,下弦未脫架,主要由下弦支架承重,扣索分擔(dān);在上弦非合攏段澆筑階段,下弦、下弦支架、扣索共同承重;扣索第二次張拉后,下弦完全脫架,V撐下弦和部分上弦重力完全由扣索和支座承重。下弦桿底緣始終處于受壓狀態(tài),滿足設(shè)計(jì)要求。
(2) 成橋階段V構(gòu)在承載能力極限狀況最不利荷載組合、正常使用極限狀況、彈性階段應(yīng)力驗(yàn)算的標(biāo)準(zhǔn)組合下,各截面混凝土壓應(yīng)力均滿足要求。