鄧愛珠,何 濤

（1.撫州市公路質(zhì)量檢測中心有限公司,江西 撫州 344000; 2.江西崇仁高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理委員會(huì),江西 崇仁 344200）

0 引言

波形鋼腹板箱梁橋因其結(jié)構(gòu)合理，發(fā)揮材料特性和方便操作性，而獲得越來越多的工程應(yīng)用[1]。懸臂施工法多用于波形鋼腹板箱梁橋的施工，然而隨著常規(guī)懸臂工法的經(jīng)驗(yàn)積累，普通懸臂工法的不足也逐漸顯現(xiàn)，該工法施工中，腹板一般多在掛籃推進(jìn)前裝配。在不斷優(yōu)化施工工藝的探究中，RW工法得以設(shè)計(jì)和應(yīng)用。RW法是在波紋鋼腹板頂部加一塊寬約30 cm的翼緣板，使其有更大的縱向和橫向抗彎能力，并有一定抗扭功效。同時(shí)應(yīng)用波形鋼腹板箱梁作為勁性支承，承擔(dān)掛籃臨時(shí)載荷，在很大程度上簡化掛籃裝備，增大施工工作面，解決常規(guī)懸臂施工方法所面臨施工應(yīng)用局限性[2]。

1 工程概況

案例大橋?yàn)椴ㄐ武摳拱逑淞簶颍?8 m+130 m+78 m主橋跨徑組合，連續(xù)梁，邊中跨比0.60。頂板和腹板采用Twin-PBL接件，上部翼緣厚度為2 cm，寬度為42 cm，雙孔板厚度為2 cm，高度為20 cm；箱梁底板之間采用S-PBL鍵和螺釘固定，下翼厚1.6 m，寬42 cm，開孔板厚16 mm高、150 mm；栓釘長15 cmΦ、19 mm。

2 懸臂施工工藝概述

2.1 常規(guī)懸臂施工法

應(yīng)用常規(guī)懸臂澆注法施工時(shí)，節(jié)段間靠預(yù)應(yīng)力連接為整體，適合應(yīng)用于大跨徑橋梁。先裝配掛籃、建立作業(yè)平臺(tái)，接著按照工序進(jìn)行：澆筑平臺(tái)梁段→在混凝土達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行張拉→移動(dòng)吊籃、梁端施工→全橋完成施工。相較于支撐架施工和頂推工法，懸臂工法有如下優(yōu)點(diǎn)：①無需支撐架施工，施工期間不會(huì)對(duì)交通造成任何影響，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；②采用長線法進(jìn)行分段澆筑，梁體的穩(wěn)定性較好；③在施工期間，可以持續(xù)調(diào)整節(jié)段誤差，提高了施工的準(zhǔn)確性。

2.2 波形鋼腹板箱梁RW工法

波形鋼腹板箱梁具有獨(dú)特的構(gòu)造，抗剪能力較強(qiáng)，同時(shí)與底、頂板翼緣、 PBL接頭組成“工”形截面，抗剪、彎曲能力大，可以單獨(dú)承擔(dān)荷載。為了充分利用這種優(yōu)點(diǎn)，在常規(guī)懸臂施工方法的基礎(chǔ)上，RW工法得以開發(fā)應(yīng)用。

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。波形鋼腹板箱梁頂端加設(shè)上翼緣板，底端加設(shè)下翼緣板，形成的“工字形”截面，承受了在建筑中的扭矩、剪切和扭矩；在兩側(cè)的肋骨之間設(shè)置了剪刀支撐或橫向支撐以確保其橫向穩(wěn)定。

（2）工序。裝配N#段波形鋼腹板箱梁，繼而移動(dòng)掛籃到N#段波形鋼腹板箱梁，澆筑N#段底板和N-1#段頂板混凝土，待混凝土獲得強(qiáng)度后，裝配N+1#段波形鋼腹板箱梁，在對(duì)N#段進(jìn)行了預(yù)壓張拉后，將工作臺(tái)向前推進(jìn)，進(jìn)行下一個(gè)作業(yè)循環(huán)。

3 兩種施工方法比較

從施工效率以及經(jīng)濟(jì)性上，比較RW施工方法與常規(guī)懸臂施工方法的優(yōu)勢性。

3.1 施工效率比較

實(shí)例中，采用滿堂支架法進(jìn)行邊跨現(xiàn)場澆筑，兩者的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在施工效率上。以單節(jié)段為例，采用 RW法，三個(gè)工作面相互獨(dú)立，進(jìn)一步縮短了澆注時(shí)間，從而節(jié)省了工時(shí)，縮短了工期，提高了分段施工的效率。施工效率比較具體如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段工效比較

續(xù)表1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段工效比較

從表1中可以看出，采用RW法，梁段的工期從14天縮短到10天，比常規(guī)的懸臂法節(jié)約了20%的時(shí)間，具有明顯的優(yōu)越性。

3.2 經(jīng)濟(jì)性比較

實(shí)例工程上部結(jié)構(gòu)采用左右幅分隔式設(shè)計(jì)，采用4個(gè)吊籃組合進(jìn)行分段施工。常規(guī)的方法需采用菱形桁架，所需的鋼材較多，吊籃重量較大，吊籃重量為150 t。應(yīng)用RW施工方法施工時(shí)，因?yàn)殇摳拱宄袚?dān)施工載荷，可節(jié)省菱形桁構(gòu)部分，減少鋼材使用量，掛籃僅50 t重量。整體經(jīng)濟(jì)性比較見表2所示。

表2 兩種工法的經(jīng)濟(jì)性比較

在經(jīng)濟(jì)性上，RW工法因?yàn)榻档蛼旎@重量和節(jié)省工期，明顯降低工程費(fèi)用。案例工程人工費(fèi)節(jié)約20%左右，掛籃費(fèi)節(jié)約60%左右。RW工法無需后錨，移動(dòng)掛籃比較安全，裝備穩(wěn)定性更好。

4 功效的有限元模擬分析

4.1 有限元模型

該文采用MIDAS/FEA軟件構(gòu)建了模擬分析模型，根據(jù)不同的施工工藝特征，選擇不同實(shí)體進(jìn)行計(jì)算模擬。

兩種方法的結(jié)構(gòu)與配筋設(shè)計(jì)一致。由于波形鋼腹板箱梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用FEA方法進(jìn)行建模，需要采用兩種不同的單元進(jìn)行仿真，即混凝土構(gòu)件采用實(shí)體單元，鋼構(gòu)件采用板狀部件單元。采用自動(dòng)網(wǎng)格法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，全橋模型劃分節(jié)點(diǎn)742 486個(gè)，總計(jì)單元817 040萬個(gè)。

4.2 兩種工法施工模擬

澆注施工過程模擬中，施工載荷總體包括施工臨時(shí)載荷、梁段混凝土濕重及掛籃重量。模擬中的兩種工法的主要區(qū)別在于受力位置、濕重和掛籃的載荷大小。

（1）常規(guī)懸臂工法。濕重載荷、掛籃載荷均由已成建梁段承擔(dān)，有限元模擬如圖1所示。

圖1 常規(guī)懸臂工法施工模擬

采用常規(guī)的懸臂式結(jié)構(gòu)，其施工荷載F為：

式中，GTN——施工N#段重量；GBN——N#段底板混凝土的濕重；GFN——N#段腹板的重量；GM——掛籃載荷，常規(guī)懸臂工法取為1 500 kN；a——頂板邊緣施加的均布載荷長度。

（2）RW工法。吊籃載荷和混凝土濕重主要是由上翼緣板、下翼緣板、波形鋼腹板箱梁和PBL接頭所組成工字?jǐn)嗝娉袚?dān)[3]。施工載荷包括混凝土濕重、臨時(shí)載荷的掛籃載荷，模擬中以均布載荷在主梁及腹板上等效加施，載荷取值見公式（2）～（4）所示。

式中，GT、GT（N-1）分別是N#段和N-1#段作業(yè)中的頂板濕重；GBN——N#段底板混凝土的濕重；GM——吊籃荷載，常規(guī)的懸臂法為1 500 kN，RW法為500 kN；a——頂板邊緣的均布荷載長度，該計(jì)算取0.4 m；bN-1為N-1#段長度；bN——N#段長度。

4.3 施工段劃分

模擬由邊界組、載荷組和網(wǎng)格組定義實(shí)現(xiàn)。模型中，須考慮三向預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，而桿系模型僅須考慮軸向預(yù)應(yīng)力的影響。因此施工中須同時(shí)激活三向預(yù)應(yīng)力。頂板橫向預(yù)應(yīng)力操作，須延遲2個(gè)節(jié)段，也就是在3#豎向預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，從1#開始張拉，再到12#梁的縱向張拉，然后將剩余的各邊跨進(jìn)行張拉，最后再進(jìn)行中跨的剩余橫向預(yù)應(yīng)力張拉。常規(guī)的懸臂工法通常分為39個(gè)工段，RW工法則劃分40個(gè)工段。邊界條件各階段一致。

5 有限元模擬分析結(jié)果

5.1 短懸臂狀態(tài)

6#梁頂板在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉后，工程處于短吊桿作業(yè)狀態(tài)。分析結(jié)果表明，在兩種工藝條件下，箱梁底板和頂板的正應(yīng)力變化情況是一致的。距墩頂斷面10 m左右，也是混凝土內(nèi)襯結(jié)束的區(qū)域，發(fā)生頂板最大正應(yīng)力。在超出混凝土內(nèi)襯區(qū)域后，RW工法的底板底、頂板正應(yīng)力較常規(guī)工法的要大，底板正應(yīng)力偏大約0.3～0.6 MPa，頂板正應(yīng)力偏大約1 MPa。

在剪應(yīng)力方面，RW工法整體上比常規(guī)工法的要大，最大剪應(yīng)力二者均發(fā)生在C斷面，后者的最大剪應(yīng)力為24 MPa，前者的最大剪應(yīng)力為28 MPa。B、D斷面，RW工法比常規(guī)工法大約6 MPa，C斷面RW工法則大約4 MPa。

5.2 最大懸臂操作狀態(tài)

12#段頂板預(yù)應(yīng)力完成張拉，整橋處于最大懸臂作業(yè)狀態(tài)，系屬最不利的結(jié)構(gòu)受力階段。分析結(jié)果顯示，隨著施工的進(jìn)行，應(yīng)力發(fā)生了明顯的變化，但其變化趨勢與短吊桿情況基本相同，RW工法在底板和頂板應(yīng)力方面比常規(guī)工法大約0.50～1.00 MPa；二者應(yīng)力峰值都發(fā)生在混凝土內(nèi)襯結(jié)束區(qū)域，頂板應(yīng)力峰值常規(guī)工法為12.50 MPa，RW工法為13.45 MPa。分析顯示，波形鋼腹板箱梁剪應(yīng)力上，RW工法明顯，其中A斷面二者峰值差值達(dá)到10 MPa。在撓度反應(yīng)上，RW工法略低于常規(guī)懸臂工法，量值差異約2.5 mm。

5.3 體系轉(zhuǎn)化狀態(tài)

邊跨合攏并完成邊跨體外預(yù)應(yīng)力張拉，在施工過程中，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和工作狀態(tài)發(fā)生了明顯的改變，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形也產(chǎn)生了明顯的差異。分析結(jié)果顯示，在邊跨現(xiàn)場澆筑段，兩種工法基本沒有差異，但懸臂澆筑節(jié)段，仍保持原變化趨勢。比較顯示，在相同的截面上，相同的工作方式下，剪切應(yīng)力增大，增大約5～10 MPa。分析顯示，在移除邊跨閉合部分時(shí)，RW工法的變形比常規(guī)的方法大，其他的變形量都比常規(guī)的方法小，最大偏差為3 mm。

5.4 成橋狀態(tài)

全橋合攏，開展二期鋪裝，處于最后作業(yè)階段。分析結(jié)果見圖2所示。

體系轉(zhuǎn)化狀態(tài)相比較，頂、底板正應(yīng)力均顯著加大，變化趨勢上兩種工法一致，在距離墩頂斷面15 m處，RW工法的最大正應(yīng)力與常規(guī)工藝相比有些滯后，其應(yīng)力峰值為15.7 MPa，高于常規(guī)工藝大約1 MPa。在剪切應(yīng)力方面，同一種工法，中跨波形鋼腹板箱梁剪應(yīng)力大于邊跨相同位置的剪應(yīng)力；兩種工法下，相較常規(guī)工法，RW工法的波形鋼腹板箱梁應(yīng)力偏大，最大差異在A段產(chǎn)生，差值為8 MPa。在變形方面，從圖2（c）可以看出，RW工法除了邊跨閉合部分的變形比常規(guī)工藝要大，其他方面都稍有下降。

圖2 成橋狀態(tài)結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)語

該文基于實(shí)例，對(duì)波形鋼腹板箱梁懸臂施工RW工法進(jìn)行了研究。介紹了波形鋼腹板箱梁常規(guī)懸臂施工法和RW工法技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)兩種工法進(jìn)行了施工效率、經(jīng)濟(jì)性、工程應(yīng)用技術(shù)功效比較分析。結(jié)果顯示，RW工法吊籃更輕便、方便移動(dòng)、無需主桁架，無需后錨固，吊籃不會(huì)翻轉(zhuǎn)，為單獨(dú)的工作臺(tái)，施工干擾小，工作效率高，作業(yè)工期短，與常規(guī)懸臂施工法相比，其技術(shù)優(yōu)勢明顯。技術(shù)功效模擬分析，RW工法各施工環(huán)節(jié)的應(yīng)力應(yīng)變功效適用，滿足波形鋼腹板箱梁懸臂施工技術(shù)要求。