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波形钢腹板自承重组合刚构桥施工过程分析.pdf
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1、 施工技术(中英文)年 月下第 卷 第 期:波形钢腹板自承重组合刚构桥施工过程分析蔡昊初,王思豪,魏 俊,刘玉擎(同济大学土木工程学院,上海;浙江交通职业技术学院,浙江 杭州)摘要 为了提高波形钢腹板组合梁桥建设的安全性及经济性,腹板自承重的悬臂浇筑逐步发展为该桥型特有的施工方法之一。针对波形钢腹板自承重施工方法,以跨径 的葛溪大桥左线 号桥为背景,基于有限元分析获得了施工过程中各施工段的构件受力特点及腹板稳定性,根据分析结果在实桥受力关键部位布置测点,进行施工过程现场测试,验证了施工方法的适用性,并提出了相应的优化措施。研究结果表明:波形钢腹板自承重悬臂施工过程中,施工主体结构安全,应力分布
2、合理;钢混过渡截面为钢及混凝土构件的受力关键位置,施工时应分别采取措施给予加强;临时横撑的布置可有效避免波形钢腹板发生整体倾覆,且为了提高安全系数,横撑应尽量靠近上、下翼缘板布置。关键词 桥梁工程;组合刚构桥;波形钢腹板;自承重;施工技术;测试;有限元分析中图分类号 文献标识码 文章编号(),(,;,):,:;浙江省交通运输厅科技项目()作者简介 蔡昊初,博士研究生,:通信作者 刘玉擎,教授,博士生导师,:收稿日期 引言 波形钢腹板组合桥具有自重小、避免腹板开裂及预应力施加效率高等优点,近年来在国内得到大量工程应用。随着建设数量的增多,腹板自承重的悬臂浇筑法因其可以充分发挥钢腹板的承载力、提升
3、桥梁建设经济性而开始受到关注。因施工过程中结构的受力性能受工法的影响较大,腹板自 蔡昊初等:波形钢腹板自承重组合刚构桥施工过程分析 承重施工方法的应用直接关系到组合结构的受力。为此,需针对波形钢腹板自承重施工过程进行力学分析,为该工法的合理应用提供技术支撑。现有研究大多采用有限元模拟的方法进行施工过程分析。等通过有限元计算对比分析传统悬浇与异步浇筑 种施工方法,结果表明异步浇筑由于挂篮直接作用在波形钢腹板上,会增加腹板的剪应力及变形。姚红兵等采用工况叠加法对前 个节段进行施工模拟,计算分析了主要构件的受力情况及结构稳定性。岳宏智等基于有限元法进行施工全过程模拟,结果表明异步施工过程中结构应力均
4、处于安全范围内。可见,既有研究成果主要基于施工过程的数值模拟,验算结果缺乏现场实测数据的支撑。本研究以跨径 的葛溪大桥左线 号桥为依托工程,结合数值模拟与实桥测试的方法,对腹板自承重施工过程进行受力分析。建立施工至最大悬臂状态有限元模型,研究各施工段的构件应力状态及腹板稳定性,基于构件受力特点进行实桥测试,验证腹板自承重悬臂浇筑施工方法的适用性;考虑施工过程中可能产生的不利情况,提出相应的优化建议,并进行合理布置分析,为后续的相关研究及推广应用提供有益借鉴。波形钢腹板自承重施工工法 工艺流程 传统悬臂浇筑法为了避免顶、底板混凝土浇筑相互干扰,常采用先后浇筑的施工流程,工期较长。波形钢腹板自承重
5、施工将工作面扩展到 个,即()节段顶板、节段底板的混凝土浇筑和()节段波形钢腹板的安装同步进行,可大幅度缩短工期,提高经济效益。波形钢腹板自承重施工流程如图 所示,主要施工步骤为:挂篮移动到 节段,支模并绑扎 节段底板钢筋和()节段顶板钢筋;同时浇筑 节段底板和()节段顶板混凝土,等待混凝土养护并安装()节段波形钢腹板;待混凝土强度达到设计要求后,张拉()节段顶板预应力束,使挂篮行走至()节段,进入下一循环。工法特点 相较于采用悬臂浇筑施工的挂篮,波形钢腹板自承重施工挂篮大多采用简支体系的钢桁架吊篮形式,无须设置复杂的挂篮锚固装置,施工荷载通过挂篮立柱直接作用在腹板上方的翼缘板上。由于支撑体系
6、的不同,挂篮的行走机制也发生转变。如图 所示,可利用上翼缘板和开孔板形成图 波形钢腹板自承重施工流程 的凹槽作为行走轨道,液压千斤顶作为动力装置,千斤顶前端与立柱相连,后端通过销轴与开孔板孔洞连接,以开孔作为反力点顶推前进。图 现场挂篮移动装置 当()节段顶板、节段底板混凝土同时浇筑,施工荷载较传统悬臂浇筑法大幅度增加。波形钢腹板作为主要传力构件,在施工过程中腹板自身的受力特点及各传力部位的受力状态有待进一步探究。施工节段数值模拟 工程概况 葛溪大桥左线 号桥位于浙江省温州市泰顺县境内,是浙闽界公路控制性工程之一。该桥的总体布置和典型断面如图,所示,上部结构采用波形钢腹板组合箱梁连续刚构,跨径
7、布置为。主梁为分幅式单箱单室截面,每幅箱梁顶板宽 、底板宽 。梁高和底板厚度均以二次抛物线形式由跨中向根部变化,跨中梁高,根部梁高 。主桥腹板波长 ,波高 ,跨中至中墩墩顶厚度依次为,。波形钢腹板与顶板通过双开孔板连接,与底板通过埋入式角钢连接。有限元模型 采用有限元软件 建立施工至最大悬臂状态的有限元模型,如图 所示。顶底板、横梁、内衬混凝土均采用 单元,波形钢腹板及体内 施工技术(中英文)第 卷图 桥梁总体布置(单位:)(:)图 箱梁典型断面(单位:)(:)预应力束分别采用 及 单元模拟,开孔板连接件采用 三向弹簧单元模拟。通过单元尺寸敏感性分析,并考虑计算效率,混凝土构件单元尺寸 ,钢构
8、件单元尺寸 ,预应力束单元尺寸 。除了在顶板和上翼缘板间建立接触关系外,其余构件间均采用结点单元耦合。图 有限元模型 通过约束中横梁端面结点全部自由度模拟固定端,约束中横梁底面结点的 个方向位移自由度模拟主梁与桥墩的刚接。顶底板、横梁和内衬的混凝土强度等级均为,波形钢腹板采用 钢,材料特性根据 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范和 低合金高强度结构钢进行取值。计算荷载包括挂篮自重、现浇混凝土湿重及预应力荷载,施工荷载通过挂篮前、后支点等效作用于上翼缘板处。对于最大悬臂状态,挂篮支撑在 号节段,前、后支点的等效集中荷载分别为 ,。预应力荷载通过等效降温法进行模拟。建模中采用改变材料属性、最
9、后工况叠加的方法模拟节段施工过程,考虑构件应力累积,其具体过程如下:建立全部节段有限元模型,将所有未浇节段材料密度、弹性模量均设为;将待浇节段的等效集中力施加于挂篮支点处,模拟混凝土的现场浇筑;恢复中现浇节段材料的弹性模量及密度,将集中力等值反向加载,模拟挂篮前移;保持已浇节段弹性模量,密度设为 以避免重力重复作用,施加下一待浇节段等效集中力;循环 步,最后对各荷载步计算结果进行叠加,得到各工况应力状态。主要构件受力分析 施工过程主梁变形 施工至最大悬臂状态时主梁的竖向挠度如图 所示,挂篮所在 号节段变形最大,为 ,越靠近 悬 臂 根 部 变 形 越 小。最 大 挠 度 满 足 规 范(为悬臂
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