劉發(fā)梁,王榮輝,張卓杰

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為 與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043)

疊合梁斜拉橋的施工內(nèi)容多，施工工序繁雜，施工工序?qū)ψ罱K的成橋的線(xiàn)型及內(nèi)力密切相關(guān)。不同的施工工序決定了主梁的內(nèi)力分配，若施工考慮不充分，則可能會(huì)導(dǎo)致橋面板在施工或運(yùn)營(yíng)中開(kāi)裂現(xiàn)象的發(fā)生，影響結(jié)構(gòu)的安全耐久性。所以確保結(jié)構(gòu)安全、保證施工及成橋合理狀態(tài)、保證工期合理的前提下，如何確定主梁的最優(yōu)施工工序是確保疊合梁斜拉橋質(zhì)量的關(guān)鍵。

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展、超靜定結(jié)構(gòu)分析理論以及斜拉橋結(jié)構(gòu)本身具有跨越能力大、結(jié)構(gòu)性能好、外形美觀、造價(jià)相對(duì)便宜等優(yōu)點(diǎn)，拉橋得到了迅速發(fā)展[1-2]，國(guó)外學(xué)者M(jìn)ACORINI[3]等針對(duì)組合梁橋面板方法進(jìn)行了研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者朱力等[4]對(duì)組合梁橋剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了研究，伍彥斌等[5]對(duì)疊合梁斜拉橋的主梁鋼混結(jié)合段傳力機(jī)理進(jìn)行了研究。張健[6]針對(duì)疊合梁斜拉橋橋面板濕接縫澆筑時(shí)間的合理性和雙節(jié)段循環(huán)施工可行性進(jìn)行了研究。祝海燕、易云焜[7-8]等對(duì)疊合梁斜拉橋的主梁的施工工序進(jìn)行了詳細(xì)的比選。胡俊等[9]對(duì)橋面板滯后澆筑濕接縫的工序進(jìn)行了研究。王梓龍[10]對(duì)疊合梁斜拉橋滯后澆筑濕接縫的工序進(jìn)行了解讀分析。洪麗娟等[11]對(duì)組合梁斜拉橋的主梁雙節(jié)段循環(huán)安裝施工技術(shù)進(jìn)行了研究。余毅等[12]以平塘特大橋?yàn)楸尘皩⒁淮螡仓粋€(gè)節(jié)段濕接縫優(yōu)化成為一次澆筑兩個(gè)節(jié)段的濕接縫，并且該優(yōu)化方案在工程中得到了應(yīng)用。李連海[13]對(duì)疊合梁斜拉橋雙節(jié)段循環(huán)施工的工法實(shí)用性進(jìn)行了探究。沈盧明等[14]對(duì)主梁的拼裝工序?qū)︿摿簯?yīng)力的應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算分析。徐江洋[15]對(duì)單節(jié)段、雙節(jié)段循環(huán)施工當(dāng)中對(duì)比分析中跨合攏階段和成橋階段主梁下緣和橋面板應(yīng)力分布的情況，分析不同的施工順序?qū)ΟB合梁斜拉橋受力的影響。在此基礎(chǔ)上，本文以一座主跨305 m的疊合梁斜拉橋?yàn)楸尘?，?duì)混凝土的濕接縫澆筑工序進(jìn)行研究，對(duì)比分析三種濕接縫澆筑工序在施工當(dāng)中以及成橋狀態(tài)的受力特點(diǎn)，選擇出最佳的施工方案，結(jié)果可為同類(lèi)型的橋梁施工提供參考。

1 工程概況

作為研究背景的洛溪大橋主橋設(shè)計(jì)為(30+95+305+110+30)m的雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，如圖1所示。主梁采用鋼箱梁結(jié)合預(yù)制鋼筋混凝土橋面板的疊合梁，二者通過(guò)剪力釘相結(jié)合，鋼梁部分由兩片箱型縱梁，橫梁以及小縱梁共同組成鋼梁格體系。箱型主縱梁的中心間距為13.4 m，主橋?qū)挾葹?4.5 m。預(yù)制混凝土橋面板采用C60混凝土，厚25 cm，濕接縫處厚26 cm，為減少混凝土收縮、徐變對(duì)疊合梁產(chǎn)生的不利影響，橋面板在制梁場(chǎng)制作完成必須存放6個(gè)月才能安裝。

圖1 疊合梁斜拉橋橋型立面圖Fig.1 Elevation of composite beam cable-stayed bridge

2 混凝土橋面板濕接縫澆筑工序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響分析

濕接縫的澆筑順序不同會(huì)影響到疊合梁內(nèi)的應(yīng)力大小及分布，導(dǎo)致不同工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)不同。本文主要研究濕接縫的施工工序不同導(dǎo)致的結(jié)果差異性，已選擇最優(yōu)化的施工方案，根據(jù)以第n段梁為例，對(duì)比研究三種施工方案：方案一：?jiǎn)喂?jié)段滯后1節(jié)澆筑濕接縫；方案二：?jiǎn)喂?jié)段滯后2節(jié)澆筑濕接縫；方案三：雙節(jié)段滯后1節(jié)澆筑濕接縫。施工步驟詳細(xì)見(jiàn)表1：

表1 混凝土橋面板濕接縫澆筑工序Tab.1 Wet joint casting procedure for concrete bridge panel

2.1 有限元模型建立及數(shù)據(jù)結(jié)果

利用Midas civil對(duì)此疊合梁斜拉橋建立空間有限元模型分析計(jì)算，如圖2所示，全橋主梁總共51個(gè)節(jié)段，斜拉索總共96根，全橋總共677個(gè)單元，872個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)此斜拉橋工程實(shí)際情況添加邊界條件。主塔、輔助墩以及過(guò)渡墩采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，斜拉索采用只受拉桁架單元進(jìn)行模擬，主梁采用組合梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，計(jì)算時(shí)需要考慮P-Δ效應(yīng)與斜拉索的非線(xiàn)性影響。利用Midas civil將表1當(dāng)中的三種不同的施工工序進(jìn)行模擬仿真計(jì)算對(duì)比，得到施工過(guò)程和成橋狀態(tài)當(dāng)中的鋼梁以及混凝土橋面板的受力大小。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3—8。圖中梁段編號(hào)1—51對(duì)應(yīng)主橋從小里程到大里程的順序。

Z3主塔邊跨合攏段為SB7、Z4主塔邊跨合攏段為SB8。由圖3和圖4可知，邊跨合攏段的鋼梁所受到的拉應(yīng)力在方案一當(dāng)中為最大，中跨部分隨著懸臂長(zhǎng)度持續(xù)增加，邊跨合攏之后施工狀態(tài)由雙懸臂施工變成單懸臂施工，鋼梁所受到的應(yīng)力也呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。由于滯后澆筑濕接縫的原因?qū)е略诘跹b中跨12#節(jié)段的時(shí)候11#和12#節(jié)段在三種方案架設(shè)的時(shí)候所受的拉應(yīng)力一樣，此時(shí)11#塊鋼梁位于梁端斜拉索梁端錨點(diǎn)截面處的拉應(yīng)力在整個(gè)施工過(guò)程當(dāng)中最大。主橋壓應(yīng)力的差別主要體現(xiàn)在中跨10～12#節(jié)段以及合攏口鋼梁，這是由于雙節(jié)段滯后澆筑混凝土導(dǎo)致鋼梁和混凝土未形成鋼-混整體斷面的長(zhǎng)度加大，從而應(yīng)力分布長(zhǎng)度加長(zhǎng)，使得應(yīng)力變小。

圖2 洛溪大橋Midas civil有限元模型Fig.2 Luoxi Bridge Midas civil finite element model

圖3 施工階段鋼梁最大拉應(yīng)力Fig.3 Maximum tensile stress of steel beam during construction

圖4 施工階段鋼梁最大壓應(yīng)力Fig.4 Maximum compressive stress of steel beam during construction

圖5 施工階段混凝土橋面板最大拉應(yīng)力Fig.5 Maximum tensile stress of concrete bridge panel during construction

由圖5可知，混凝土橋面板所受到的拉應(yīng)力，邊跨部分是滿(mǎn)堂支架施工，橋面板濕接縫澆筑完成之后不受拉力，中跨合攏口和12#節(jié)段橋面板濕接縫在澆筑之后張拉跨中預(yù)應(yīng)力束，橋面板處于受壓狀態(tài)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段上的橋面板的拉應(yīng)力的大小不同則是因?yàn)闈窠涌p澆筑的順序不同導(dǎo)致的。在方案二中整體拉應(yīng)力最小，但方案二中的最大拉應(yīng)力達(dá)到1.899 MPa,接近規(guī)范設(shè)計(jì)值1.96 MPa。由圖6可知，三種不同的施工工序狀態(tài)下的混凝土橋面板的壓應(yīng)力誤差在2 MPa以?xún)?nèi)。

圖6 施工階段混凝土橋面板最大壓應(yīng)力Fig.6 Maximum compressive stress of concrete bridge panel during construction

由圖7和圖8可知，不同的施工工序會(huì)導(dǎo)致成橋狀態(tài)下的主梁內(nèi)力分布不同。并且不同的施工工序主要對(duì)跨中部分內(nèi)力分布效果更加明顯，混凝土橋面板和鋼主梁內(nèi)力分布規(guī)律在不同方案中都呈現(xiàn)同一種趨勢(shì)。由于縱向預(yù)應(yīng)力的作用使得存在預(yù)應(yīng)力節(jié)段和中跨合攏段的壓應(yīng)力相對(duì)無(wú)預(yù)應(yīng)力區(qū)域梁段更大。

圖7 成橋狀態(tài)鋼梁壓應(yīng)力Fig.7 Compressive stress of steel beam in completed bridge state

圖8 成橋狀態(tài)混凝土橋面板壓應(yīng)力Fig.8 Compressive stress of concrete bridge panel in completed bridge state

表2 施工階段各方案最大應(yīng)力Tab.2 The maximum stress of each scheme in the construction stage

表3 成橋狀態(tài)各方案最大壓應(yīng)力Tab.3 Maximum compressive stress of each scheme in the completed bridge state MPa

2.2 應(yīng)力對(duì)比分析

通過(guò)數(shù)據(jù)可知施工階段中三種方案的應(yīng)力差異，三種方案的鋼梁的應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范要求，最大拉應(yīng)力均為132.688 MPa，而壓應(yīng)力結(jié)果顯示方案一中的鋼梁壓應(yīng)力比方案二中的鋼梁壓應(yīng)力大9.55%，方案二中的鋼梁壓應(yīng)力比方案三中的鋼梁壓應(yīng)力大5.88%；對(duì)于橋面板部分則是拉應(yīng)力則是方案一中的橋面板的應(yīng)力比方案二中的橋面板的應(yīng)力大0.025 MPa，方案二中的橋面板的應(yīng)力比方案三中的橋面板的應(yīng)力大0.055 MPa，設(shè)計(jì)規(guī)范當(dāng)中規(guī)定C60混凝土的最大拉應(yīng)力不得大于1.96 MPa，而方案一橋面板的拉應(yīng)力最接近規(guī)范要求的1.96 MPa。

三種方案成橋狀態(tài)下應(yīng)力結(jié)果同樣也是方案一中的鋼梁壓應(yīng)力大于方案二中的鋼梁壓應(yīng)力，方案二的鋼梁壓應(yīng)力大于方案三的鋼梁壓應(yīng)力；三種方案成橋狀態(tài)下的混凝土橋面板的壓應(yīng)力差值不超過(guò)1 MPa。

由論文中所選擇的三種施工工序方案可知道，在雙節(jié)段滯后一次澆筑濕接縫的施工工序當(dāng)中，不僅主梁鋼梁和預(yù)制混凝土橋面板的應(yīng)力要優(yōu)于其他兩種方案，而且在施工過(guò)程以及成橋狀態(tài)下的鋼梁和混凝土橋面板的應(yīng)力均不超限，鋼梁應(yīng)力和預(yù)制混凝橋面板應(yīng)力在施工過(guò)程當(dāng)中處于安全狀態(tài)。

2.3 施工周期對(duì)比分析

方案一：吊裝與焊接n#鋼梁(4 d)→n#斜拉索安裝與第一次張拉(2 d)→安裝n#預(yù)制混凝土橋面板(1 d)→n#第二次張拉斜拉索(0.5 d)→吊機(jī)前移至n#塊(0.5 d)→澆筑n-1#濕接縫并等強(qiáng)(7 d)；

方案二：吊裝與焊接n#段鋼梁(4 d)→n#斜拉索安裝與第一次張拉(2 d)→安裝n#預(yù)制混凝土橋面板(1 d)→第二次張拉n#斜拉索(0.5 d)→吊機(jī)前移至n#塊(0.5 d)→澆筑n-2#濕接縫并等強(qiáng)(7 d)；

方案三：吊裝與焊接n#段鋼梁(4 d)→n#斜拉索安裝與第一次張拉(2 d)→安裝n#預(yù)制混凝土橋面板(1 d)→第二次張拉n#斜拉索(0.5 d)→吊機(jī)前移至n#塊(0.5 d)→澆筑n-1#，n-2#濕接縫并等強(qiáng)(7 d)。

三個(gè)方案對(duì)比分析：方案一完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段所需要的15 d，方案二完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段所需要15 d，方案三完成兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段所需要23 d，平均每個(gè)階段需要11.5 d，方案三明顯比方案一和方案二的施工周期短3.5 d。能夠省下一個(gè)階段澆筑濕接縫的時(shí)間以便提高工程施工進(jìn)度。由此可知，整個(gè)施工過(guò)程中濕接縫澆筑及等強(qiáng)工序占用的時(shí)間比較長(zhǎng)，怎樣縮短此工序的所用時(shí)間是提高施工效率的關(guān)鍵，對(duì)于項(xiàng)目本身來(lái)說(shuō)，按照實(shí)際情況和監(jiān)控計(jì)算的結(jié)果，在實(shí)際施工過(guò)程中往往都是采用雙節(jié)段甚至多節(jié)段循環(huán)施工以加快施工進(jìn)度。

通過(guò)對(duì)比分析，對(duì)于施工周期來(lái)說(shuō)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的使用天數(shù)也比前兩種施工方案減少3.5 d，對(duì)于此工程來(lái)說(shuō)，每個(gè)主塔有12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，架設(shè)主梁總共可以減少至少42 d施工周期。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以疊合梁斜拉橋?yàn)楸尘?，根?jù)施工現(xiàn)場(chǎng)工期的需要，開(kāi)展了疊合梁斜拉橋單、雙節(jié)段循環(huán)施工的施工狀態(tài)以及施工周期的對(duì)比研究。通過(guò)Midas civil軟件對(duì)洛溪大橋進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，分析得到以下主要兩點(diǎn)結(jié)論：

(1)在進(jìn)行施工監(jiān)控計(jì)算的過(guò)程中，不僅要考慮成橋狀態(tài)的主梁內(nèi)力和成橋索力滿(mǎn)足要求，還必須保證在施工當(dāng)中的鋼主梁和預(yù)制混凝土橋面板的應(yīng)力不超限。通過(guò)對(duì)此疊合梁斜拉橋的監(jiān)控計(jì)算結(jié)果表明，鋼主梁和預(yù)制混凝土橋面板的應(yīng)力在施工節(jié)段都處于安全狀態(tài)。

(2)此疊合梁斜拉橋的實(shí)際施工效果驗(yàn)證了雙節(jié)段循環(huán)滯后一次澆筑濕接縫方案的可行性，并且可以有效地縮短工期，可為以后同類(lèi)型的斜拉橋工程提供借鑒。