钢-混组合连续梁预应力与落梁体系转换顺序研究
摘要
关键词
钢－混组合连续梁；支点位移法；桥面板预应力；负弯矩区受拉。
正文
1 引言
本文以南京市绿都大道跨秦淮新河大桥为例，研究分析钢-混组合连续梁桥在体系转换时，预应力与落梁的先后顺序，总结形成相关的结论。
南京市绿都大道跨秦淮新河大桥位于南京市江宁区，上跨164.7m宽秦淮新河，采用钢-混组合连续梁桥结构，跨径组合83.5+135+98.5m，全长317m，总宽38m，总用钢量约12000吨，是目前国内单跨跨度最大钢混组合连续梁桥；钢主梁采用分离式钢箱结构，左右钢箱间通过混凝土桥面板及钢横隔板连接，桥面板采用CA-RPC粗骨料活性粉末混凝土。
为抵消连续梁负弯矩区桥面板受拉的缺陷，该桥通过支点强制位移（落梁）的方法，在负弯矩区桥面板设置体内、体外预应力的方式，赋予混凝土桥面板一定的预压力。
图１ 绿都大道跨秦淮新河大桥立面布置
2 体系转换方案
考虑桥梁施工整体工序安排，结合桥梁施工受力分析，提出2种体系转换方案。
方案一：钢箱梁安装→正弯矩区湿接缝浇筑→临时支撑拆除→负弯矩区湿接缝浇筑→体内体外预应力张拉→落梁→二期恒载附属结构施工。
方案二：钢箱梁安装→正弯矩区湿接缝浇筑→临时支撑拆除→负弯矩区湿接缝浇筑→落梁→体内体外预应力张拉→二期恒载附属结构施工。
以上2种方案在落梁、体内体外预应力施工先后顺序上存在不同，需通过分析研究，选定最优的桥梁体系转换方案。
3 体系转换方案比选
根据钢混组合梁设计参数，对2种进行桥梁体系转换施工模拟分析对比计算。
表1 分析计算主要参数
收缩徐变参数取值 | 桥面板混凝土采用超高性能混凝土RPC150，其收缩徐变系数采用设计自定义数值曲线 |
桥面板RPC150收缩徐变系数曲线 |
混凝土及钢材 | 桥面板采用RPC150混凝土，按设计文件取值如下： 抗压弹性模量E＝4.52×104MPa 线膨胀系数K＝0.00001 容重取值0，其荷载采用节点荷载，分析时节点荷载转化为质量分析。 钢梁主要采用Q345qD，弹模2.06×105MPa，泊松比0.3。 | |
预应力钢绞线 | 极限抗拉强度：Rby=1860MPa 预应力钢束与管道的摩阻系数：μ=0.25； 预应力管道的偏差系数：k=0.0015； 弹性模量：E=1.95×105MPa（施工时应根据试验测得的实际E值进行计算钢束张拉延伸量）； | |
计算荷载 | 一期恒载：包括主梁、横梁等重量。梁按实际断面计重量（本报告中暂时按设计图纸取值），其容重取0kN/m3其荷载采用节点荷载，分析时节点荷载转化为质量分析；横梁、齿板重量按集中荷载考虑。 二期恒载：桥面防撞护栏、泄水管及桥面铺装、调平层等，参照设计图纸二期恒载取89.8kN/m。 温度荷载：整体升温20℃，整体降温-17℃；主梁截面温度按照规范取值，正温差中T1=15.2℃、T2=5.74℃，负温差中T1=-7.6℃、T2=-2.87℃。 | |
采用Midas/Civil桥梁结构有限元程序将桥梁结构离散。
Midas模型渲染图 | ||
2.1 方案一施工模拟计算分析
根据施工方案一，将施工过程划分为表2各个工况。
表2 方案一施工阶段划分
施工工况 | 施工内容 |
1 | 正弯矩区现浇 |
2 | 撤除临时支撑 |
3 | 负弯矩区现浇 |
4 | 体内体外预应力张拉 |
5 | 落梁 |
6 | 二期恒载 |
各施工阶段主要计算结果如表3所示。
表3 方案一各阶段结构受力分析
施工工况 | 主梁钢箱梁应力 | 主梁混凝土应力 | 结论 |
1正弯矩区现浇 |
|
| 主梁钢箱梁最大应力3.55MPa 主梁混凝土最大应力0.06MPa |
2撤除临时支撑 |
|
| 主梁钢箱梁最大应力201.4MPa 主梁混凝土最大应力-19.12MPa |
3负弯矩区现浇 |
|
| 主梁钢箱梁最大应力201.59MPa 主梁混凝土最大应力-18.88MPa |
4预应力张拉 |
|
| 主梁钢箱梁最大应力-91.78MPa 主梁混凝土最大应力-11.68MPa |
5落梁 |
|
| 主梁钢箱梁最大应力134.16MPa 主梁混凝土最大应力-27.45MPa |
6二期恒载 |
|
| 主梁钢箱梁最大应力146.45MPa 主梁混凝土最大应力-29.64MPa |
2.2 方案二施工模拟计算分析
根据设计图纸所建议的施工方案，将施工过程划分为表4各个工况。
表4 方案二施工阶段划分
施工工况 | 施工内容 |
1 | 正弯矩区现浇 |
2 | 撤除临时支撑 |
3 | 负弯矩区现浇 |
4 | 落梁 |
5 | 体内体外预应力张拉 |
6 | 预应力张拉 |
各施工阶段主要计算结果如表5所示。
表5 方案二各阶段结构受力分析
施工工况 | 主梁钢箱梁应力 | 主梁混凝土应力 | 结论 |
1正弯矩区现浇 |
|
| 主梁钢箱梁最大应力3.55MPa 主梁混凝土最大应力0.06MPa |
2撤除临时支撑 |
|
| 主梁钢箱梁最大应力201.4MPa 主梁混凝土最大应力-19.12MPa |
3负弯矩区现浇 |
|
| 主梁钢箱梁最大应力201.59MPa 主梁混凝土最大应力-18.88MPa |
4落梁 |
|
| 主梁钢箱梁最大应力175.11MPa 主梁混凝土最大应力-34.38MPa |
5预应力张拉 |
|
| 主梁钢箱梁最大应力160.85MPa 主梁混凝土最大应力-32.56MPa |
6二期恒载 |
|
| 主梁钢箱梁最大应力172.91MPa 主梁混凝土最大应力-34.78MPa |
4 施工顺序对比分析
通过以上施工模拟计算分析，进行桥梁计算对比分析：
4.1 钢箱梁应力对比结果
体系转换方案一、二各工况下钢箱梁最大应力如表6所示。
表6 各工况各方案下桥梁钢箱梁应力
工况 | 最大应力（MPa） |
桥梁钢箱梁最大应力折线图 | |
方案一 | 方案二 | ||
1 | 3.55 | 3.55 | |
2 | 201.4 | 201.4 | |
3 | 201.59 | 201.59 | |
4 | -91.78 | 175.11 | |
5 | 134.16 | 160.85 | |
6 | 146.45 | 172.91 | |
由钢箱梁应力图表可知，在工况2拆除临时支撑工况下钢箱梁最大应力变化较大，2种方案基本都以受拉为主。方案一在工况4预应力张拉后，钢箱梁最大应力受压，在工况5落梁后，最大应力变化较大，工况5落梁及工况6二期恒载都重新以受拉为主。方案二在整个体系转换过程中钢箱梁均以受拉为主，且在工况4落梁后钢箱梁最大应力减小。
从以上结果可以发现，在体系转化过程中，方案一先进行预应力张拉后落梁对钢箱梁应力变化较大，不利于桥梁结构的安全，方案二在整个体系转换过程中钢箱梁应力变化较为平缓。
4.2 混凝土桥面板应力对比结果
体系转换方案一、二各工况下混凝土桥面板最大应力如表7所示。
表7 各工况各方案下桥梁混凝土桥面板应力
工况 | 最大应力（MPa） |
桥梁混凝土桥面板最大应力折线图 | |
方案一 | 方案二 | ||
1 | 0.06 | 0.06 | |
2 | -19.12 | -19.12 | |
3 | -18.88 | -18.88 | |
4 | -11.68 | -34.38 | |
5 | -27.45 | -32.56 | |
6 | -29.64 | -34.78 | |
由混凝土应力图表可知，在工况2拆除临时支撑下混凝土最大应力变化较大，2种方案均以受压为主。
方案一在工况4预应力张拉后，混凝土最大压应力减小，在工况5落梁后及工况6二期恒载时的混凝土应力逐步增大。
方案二在工况4落梁后，混凝土最大压应力增大，在工况5预应力张拉后最大压应力减小，而后在工况6二期恒载施工过程中应力逐渐增大。方案二在工况3负弯矩区湿接缝的浇筑后整体混凝土最大应力均大于方案一。
从以上结果可以发现，在体系转化过程中，方案一负弯矩区湿接缝的浇筑在进行预应力张拉后落梁混凝土最大压应力先减小后增大，且变化较为明显，这一施工过程中，容易产生负弯矩区的混凝土的拉裂。方案二负弯矩区湿接缝的浇筑在进行落梁混凝土后预应力张拉最大压应力先增大后减小，变化较小。相比于方案一，方案二改善了负弯矩区的混凝土受力性能，减小了负弯矩区混凝土的开裂风险。
通过两种流程方案模拟对比，确定了方案二先先落梁后施工预应力的总体转换流程受力性能更为优良。
5 结语
通过两种流程方案的模拟分析与对比，确定了落梁为顶板混凝土受压、钢梁底板受拉过程，落梁前进行体内预应力施工，落梁后预应力作用会损失，混凝土桥面板的预应力储备会削弱，故在落梁后进行体内体外预应力施工，可最大程度提高体系转换的预压力效果，达到减少负弯矩区混凝土桥面板开裂的母的。
参考文献
[1] 钢-混凝土组合结构桥梁[J]. 聂建国编著
[2] 大跨钢－混组合连续梁桥负弯矩区桥面板抗裂技术研究. 聂鑫，薛志超，庄亮东，尚志强，王宏博.桥梁建设. 2022(04)
[3] 钢-混凝土组合桥梁研究及应用新进展[J] .樊健生,聂建国..建筑钢箱梁进展,2006( 5) :35-39
[4] 钢-混凝土组合梁中支点负弯矩段混凝土预应力施加技术 [J] . 曾德礼，田洪松. 世界桥梁. 2013,41(01)
[5]钢混凝土组合梁桥支座位移法施加预应力技术.高建伟,施工技术. 2005(05)
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