于良

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司,天津 063000)

橋梁、鐵路、公路、隧道等在建設(shè)過程中會(huì)相互影響,特別是在進(jìn)行橋梁基坑挖掘時(shí)可能會(huì)影響施工場地地質(zhì)環(huán)境。如果橋梁基坑開挖因素考慮不充分,大跨度連續(xù)箱梁進(jìn)行懸澆施工過程中,箱梁可能會(huì)出現(xiàn)腹板斷裂、下陷位移等問題。因此,對考慮基坑開挖卸荷影響的連續(xù)箱梁懸澆工藝進(jìn)行優(yōu)化具有一定的實(shí)際意義。

桂水榮等[1]采用了多幅變寬連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),通過內(nèi)外交錯(cuò)的拼接方式進(jìn)行箱梁結(jié)構(gòu)安裝施工,能夠多節(jié)段同時(shí)進(jìn)行拼裝,但沒有充分考慮箱梁受力和變形情況,分散化施工難度較大。魏彥紅等[2]研究了橋梁斜支承連續(xù)箱梁的內(nèi)力分布情況,探究箱梁斜交角與橋體受力的相互關(guān)系,采用簡支箱梁為主體結(jié)構(gòu),計(jì)算豎向荷載均勻情況下的各部分內(nèi)力數(shù)據(jù),較為精密準(zhǔn)確,但該方法沒有考慮地基對樁基和箱梁的負(fù)荷影響。

針對傳統(tǒng)施工工藝的不足,本文考慮基坑開挖卸荷的影響對連續(xù)箱梁懸澆工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概括

以一座跨蘇申外港線航道橋梁為研究工程,該工程橋梁為80+130+80(m)的三跨預(yù)應(yīng)力變截面混凝土連續(xù)箱梁設(shè)計(jì),跨連續(xù)箱梁共21個(gè)節(jié)段,全長487.7 m。橋梁單幅橋梁全寬 15.5 m。連續(xù)箱橫截面如圖1所示。

圖1 連續(xù)箱橫截面

其中,主橋箱梁頂板厚0.3 m,在支點(diǎn)處1.5 m范圍內(nèi)加厚至0.65 m;底板厚按1.8次拋物線從距跨中1 m處的0.3 m變化至距離主墩3.75 m處的0.8 m,在邊支點(diǎn)處2.4 m范圍線性加厚至0.8 m。箱梁腹板厚在10號及之前節(jié)段均為1.0 m,在第11～12號節(jié)段線性漸變至0.5 m,腹板變厚段長度為8.0 m,13號及以后節(jié)段腹板厚度均為0.5 m。

2 連續(xù)箱梁懸澆工藝剪應(yīng)力分析

運(yùn)用ANSYS軟件建立連續(xù)箱梁懸澆工藝剪應(yīng)力實(shí)體單元耦合模型。通過實(shí)體映射對劃分?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)格,約束連續(xù)箱施工過程,降低剪應(yīng)力的分析誤差。通過確定懸澆工藝剪應(yīng)力的演化規(guī)律,尋找進(jìn)行連續(xù)箱梁懸澆工藝工作時(shí)的最大范圍值,從而確定最優(yōu)施工位置和最大荷載,尋找最佳施工方案。

2.1 橫向分布分析

2.1.1 豎向剪應(yīng)力

利用ANSYS軟件連接CAD軟件接口,通過連接處理對連續(xù)箱懸梁工藝的剪應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行共享和優(yōu)化。截取箱梁橫向分布截面圖進(jìn)行研究分析,分布規(guī)律見圖2、圖3。由圖3可知,剪應(yīng)力總體數(shù)值較小[3-4]。而箱梁底板的豎向剪應(yīng)力與箱梁懸臂長度有關(guān),結(jié)合工程實(shí)際施工情況可以發(fā)現(xiàn)箱梁底板豎向剪應(yīng)力隨著懸臂長度的增加而增加,當(dāng)箱梁懸臂長度達(dá)到最大時(shí),豎向剪應(yīng)力也達(dá)到峰值。此外,在任何施工階段,箱梁頂板底板的豎向剪應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在箱梁腹板交接處,并隨著施工進(jìn)度的推進(jìn)而逐漸增加[5]。

圖2 頂板豎向剪應(yīng)力分布規(guī)律

圖3 底板豎向剪應(yīng)力分布規(guī)律

2.1.2 橫向剪應(yīng)力

同樣在箱梁截面監(jiān)測箱梁頂板與底板橫向剪應(yīng)力分布情況,見圖4、圖5。由圖可發(fā)現(xiàn)箱梁的橫向剪應(yīng)力數(shù)值變化呈波浪式分布,且波動(dòng)較大,近似反對稱形狀。與豎向剪應(yīng)力相比,橫向剪應(yīng)力的數(shù)值較大且極值也較大[6]。箱梁頂板的橫向剪應(yīng)力有多個(gè)峰值,相比于底板橫向剪應(yīng)力波動(dòng)更大[7]。

圖4 頂板橫向剪應(yīng)力分布情況

圖5 底板橫向剪應(yīng)力分布情況

2.2 展向分布分析

為了探究施工階段箱梁剪應(yīng)力的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律,運(yùn)用耦合模型對箱梁豎向剪應(yīng)力展向分布進(jìn)行分析。首先選取四個(gè)不同階段的橋梁施工狀況進(jìn)行建模,按時(shí)間規(guī)律對比分析。在梁段懸臂施工結(jié)束后,底板的豎向剪應(yīng)力以腹板交界處為中心點(diǎn)向兩邊逐漸遞減,呈拋物線形狀分布[8]。隨著施工時(shí)間的增長,橋體體積逐漸增大,當(dāng)箱梁懸臂長度達(dá)到最大值時(shí),箱梁的豎向剪應(yīng)力也達(dá)到了最大值。每一段箱梁的豎向剪應(yīng)力分布情況基本一致,從中心最大值向兩側(cè)遞減至零[9-10]。

2.3 豎向分布分析

為綜合探究橋梁剪應(yīng)力分布規(guī)律,在箱梁截面進(jìn)行豎向剪應(yīng)力監(jiān)測。將箱梁橫截面視為可計(jì)算的矩形,通過豎向剪應(yīng)力計(jì)算公式運(yùn)算得到箱梁腹板豎向剪應(yīng)力的基本數(shù)值。分析得到其豎向剪應(yīng)力的分布規(guī)律沿箱梁腹板方向呈拋物線分布,從梁墩頂部向跨中線方向逐漸減小,剪應(yīng)力最大值依舊出現(xiàn)在腹板交接處。但豎向剪應(yīng)力的計(jì)算是基于參考模型和計(jì)算公式,相較于實(shí)際數(shù)值可能偏小,分析結(jié)果相對保守,不過總體數(shù)據(jù)變化趨勢大致相同。

2.4 截面分布分析

進(jìn)一步探究不同階段橋梁截面豎向剪應(yīng)力的分布情況,得到剪應(yīng)力貢獻(xiàn)比δG:

(1)

其中,G、Gi分別為箱梁整個(gè)橫截面及第i個(gè)截面區(qū)域;μ為箱梁橫截面上各單元中心位置的豎向剪應(yīng)力數(shù)值;ga為各區(qū)域在計(jì)算截面中的投影面積。經(jīng)過運(yùn)算得到不同區(qū)域截面的豎向剪應(yīng)力貢獻(xiàn)比。同樣,按照此方法對不同橋梁施工階段的箱梁橫截面剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

對比貢獻(xiàn)比數(shù)據(jù)可以看出,位于頂板及底板的腹板交接處的剪應(yīng)力貢獻(xiàn)比值相對大一些,但隨著施工的逐漸推進(jìn),懸臂長度達(dá)到最長,該區(qū)域的剪應(yīng)力貢獻(xiàn)比相對下降。

根據(jù)以上分析,箱梁截面剪應(yīng)力主要由腹板承擔(dān),頂板和底板也承擔(dān)一定的剪應(yīng)力,底板的承受功能更強(qiáng),會(huì)隨著施工階段的推進(jìn)而有所變化,在橋梁跨中區(qū)域底板的剪應(yīng)力功能相對減小,而頂板則會(huì)適當(dāng)增強(qiáng)。

3 基于基坑參數(shù)分析的基梁優(yōu)化模型

在探究動(dòng)態(tài)演化規(guī)律后,建立連續(xù)箱基梁模型,根據(jù)基梁模型得到基坑開挖的影響范圍,結(jié)合剪應(yīng)力研究情況為工藝優(yōu)化打下良好基礎(chǔ)。橋梁基坑開挖后,卸荷經(jīng)過土體的傳遞會(huì)演化成對于橋梁樁基的附加應(yīng)力。本文在雙參數(shù)基梁模型基礎(chǔ)上引入了地基參數(shù),構(gòu)建便于分析基坑開挖卸荷影響的三參數(shù)基梁模型。該模型的地基模型層主要包括兩個(gè)彈簧層和一個(gè)剪切層,對箱梁所受到的附加負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算,具體運(yùn)算過程如下:

Q1(x)=e(ω2-ω1)

(2)

Q2(x)=h(ω2-ω1)

(3)

式中,Q1(x)、Q2(x)分別為連續(xù)箱內(nèi)部彈簧層和剪切層所受應(yīng)力;x為計(jì)算的箱梁截面區(qū)域;e、h分別為連續(xù)箱內(nèi)部的彈簧層與剪切層之間形成的變形剛度;ω1為連續(xù)箱彈簧層變形量;ω2為連續(xù)箱剪切層變形量。計(jì)算出兩個(gè)層面總的負(fù)荷應(yīng)力,可對每個(gè)層面的微單元靜力平衡進(jìn)行計(jì)算:

(4)

式中,k為靜力參數(shù);D是通過剪切層所導(dǎo)致的撓度;q1、q2是剪切層微單元兩邊位置所受到的剪力?？紤]到箱梁斜率對剪應(yīng)力產(chǎn)生的影響,引入曲率γ進(jìn)行計(jì)算:

(5)

其中,w為剪切層微單元受到的剪應(yīng)力撓度,B為剪切層剛度。引入曲率計(jì)算可得微單元受力狀況,根據(jù)受力分布數(shù)值得到樁基水平方向力的平衡:

Bq1kx+Q=Bq2kx+kQ

(6)

結(jié)合式(5)和式(6)計(jì)算箱梁曲面的彎矩平衡:

(7)

根據(jù)上述計(jì)算得到橋梁樁基、梁體的基本參數(shù),代入實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)即可得研究橋體的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值,基于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行橋體模型構(gòu)建。

考慮基坑開挖卸荷的影響,模型需要對橋體地基實(shí)際情況進(jìn)行模擬,基于土壤彈性和樁基直徑等條件選取必要的地基參數(shù),得到地基模型的計(jì)算方法如下:

(8)

式中,F為地基模量;Ex為地基的土壤彈性模量;t為基土剪切層的厚度;vx為基土的土壤泊松比?；谏鲜降玫娇臻g對應(yīng)的橋梁地基模型計(jì)量數(shù)據(jù),從而可以構(gòu)建地基空間模型。通過空間模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析,在完成數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

4 連續(xù)箱梁懸澆工藝優(yōu)化流程

根據(jù)建立的基梁優(yōu)化模型確定連續(xù)箱梁懸澆工藝優(yōu)化步驟,同時(shí)考慮剪應(yīng)力的最優(yōu)分布范圍,分析可知,只有在連續(xù)箱撓度低于8 mm、彎矩在-120～120 kN/m的情況下,懸梁工藝優(yōu)化效果才能達(dá)到最佳。利用橋梁跨度采用尺寸合適的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁跨上匝道,箱梁部分選用懸澆工藝進(jìn)行跨線施工。連續(xù)箱梁懸澆工藝優(yōu)化過程如圖6所示。

圖6 連續(xù)箱梁懸澆工藝優(yōu)化過程

首先安裝吊籃鋼殼作為橋體施工混凝土澆筑模板,同時(shí)加固箱梁底板鋼殼厚度,做好防護(hù)措施。鋼殼銜接須經(jīng)過嚴(yán)格檢驗(yàn),防止出現(xiàn)施工意外,而且鋼殼是箱梁的組成部分,在澆筑混凝土后不需拆除,直接組成橋體部分,不僅減少了施工成本,還增加橋體的安全系數(shù)。

通過箱梁懸臂架立鋼筋與底板相連接,布置剪力釘將底板與縱肋鋼筋、橫肋鋼筋固定嚴(yán)密,在框架內(nèi)裝置內(nèi)部面板和預(yù)應(yīng)力管道,基本框架安裝穩(wěn)固后,裝置頂部鋼筋和箱梁頂板。箱梁外殼和內(nèi)部架構(gòu)基本成型后,經(jīng)過合格性檢驗(yàn),可以進(jìn)行混凝土澆筑。

箱梁懸澆工藝采用節(jié)段式順序澆筑施工?？紤]基坑負(fù)荷對樁基和箱梁的作用力,本文優(yōu)化了懸澆工藝的澆筑過程。根據(jù)混凝土配比、凝固時(shí)間和橋體沉降率,計(jì)算出混凝土澆筑時(shí)間,必須保證第二次混凝土澆筑時(shí)初次澆筑的混凝土仍未凝固。按照箱梁節(jié)段順序依次進(jìn)行施工,實(shí)現(xiàn)橋體箱梁的一次性連續(xù)澆筑?；炷恋臐仓恢靡残枳⒁?應(yīng)從鋼殼外壁開始再逐漸向箱梁中線處進(jìn)行澆筑。第二次澆灌必須在第一層混凝土還未成型時(shí)進(jìn)行,完成箱梁混凝土一次性澆筑,以保障橋體無接縫,提高承重力和安全性,并增加橋梁的觀賞性。

當(dāng)箱梁混凝土冷卻凝固后需要進(jìn)行多次強(qiáng)度檢驗(yàn),同時(shí)還要考慮施工區(qū)域的實(shí)際環(huán)境,包括氣溫、濕度與土壤條件等因素,與混凝土特征和保養(yǎng)條件相結(jié)合,決定橋梁支架的撤離時(shí)間,防止因選擇時(shí)間不當(dāng)導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生質(zhì)量問題。落架的過程也需要根據(jù)箱梁預(yù)應(yīng)力情況按順序進(jìn)行拆除,從跨中位置開始向墩頂方向依次拆除,避免受力不均破壞橋體,保證橋梁安全。

5 實(shí)例研究

為了驗(yàn)證本文提出的考慮基坑開挖卸荷影響的連續(xù)箱梁懸澆工藝優(yōu)化方法的實(shí)際應(yīng)用效果,選用跨蘇申外港線航道橋梁作為研究對象,分析連續(xù)箱的受力變形關(guān)系,通過數(shù)值模擬得到連續(xù)箱的整體三維圖,為防止出現(xiàn)邊界效應(yīng),通過彈性模型確定數(shù)值參數(shù),得到的數(shù)值模擬結(jié)果見表1。

表1 數(shù)值模擬結(jié)果

利用表1的數(shù)值模擬結(jié)果,進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析本文計(jì)算的樁體撓度和樁體彎矩與實(shí)際結(jié)果的相似度,見圖7、圖8。由圖可知,本文提出的工藝優(yōu)化計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的數(shù)值模擬結(jié)果基本保持一致,但在計(jì)算連續(xù)箱的頂層數(shù)據(jù)時(shí),由于受到邊界效應(yīng)的影響,模擬數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一定差異,因此需要進(jìn)一步優(yōu)化,將數(shù)據(jù)模型設(shè)定為半無限體模型,從而使差異保持在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖7 箱體撓度

圖8 箱體彎矩

分析連續(xù)箱頂層受到的荷載對連續(xù)箱彎曲程度的影響,設(shè)定荷載大小間隔為1.5 MPa,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。由表可知,使用本文的懸梁工藝優(yōu)化方法后,連續(xù)箱具有極好的荷載承受能力,雖然隨著荷載的增加,連續(xù)箱會(huì)出現(xiàn)一定的彎矩,但是彎矩程度始終在規(guī)定范圍內(nèi)。

表2 不同荷載下箱體彎矩

連續(xù)箱梁的三維尺寸對于實(shí)際工作效果也有較大影響,設(shè)定軸向荷載為2.0 MPa,分別改變連續(xù)箱長度和連續(xù)箱寬度,分析在不同工況下變化范圍。由圖9、圖10可知,在不同長度和寬度下,連續(xù)箱的彎矩和撓度存在差異,但是撓度低于8 mm,彎矩始終在-120～120 kN/m之間。由此可以看出,本文提出的工藝優(yōu)化方法具有極好的優(yōu)化性能,在寬度和長度改變的情況下,也能夠保證正常運(yùn)行。

圖9 不同箱體的連續(xù)箱撓度

圖10 不同箱體的連續(xù)箱彎矩

6 結(jié)束語

本文對蘇申外港線航道橋梁進(jìn)行了研究,首先對箱梁頂板和底板的豎向剪應(yīng)力進(jìn)行了具體分析,發(fā)現(xiàn)連續(xù)箱的頂板和底板與腹板交接處的豎向剪應(yīng)力跟其它區(qū)域相比,數(shù)值更大。而后考慮基坑開挖卸荷對橋體的影響,引入了地基參數(shù),并根據(jù)箱梁截面剪應(yīng)力分布情況,選用三參數(shù)基梁模型構(gòu)建橋梁的參數(shù)模型。根據(jù)模型優(yōu)化連續(xù)箱梁懸澆工藝,改變了混凝土澆筑順序,提高了箱梁施工效率,有利于保障橋梁的強(qiáng)度,提高了橋梁的質(zhì)量和安全性。