濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應研究

玉新華，王榮輝，甄曉霞，蔣志豪

(1.廣西交科集團有限公司,南寧 530007; 2.華南理工大學土木與交通學院,廣州 510640)

引言

疊合梁斜拉橋橋面板處于壓彎共同作用下,混凝土橋面板寬而薄,剪力滯效應顯著且橋面板應力分布規律難以分析。國內外研究學者開展了疊合梁斜拉橋橋面板的剪力滯效應相關研究,謝澤福[1]對雙工字鋼疊合梁斜拉橋橋面板濕接縫澆筑前、后疊合梁橋面板剪力滯效應進行有限元分析,指出壓彎荷載共同作用下橋塔區域梁段剪力滯效應顯著;胡俊[2]根據實際施工工序,模擬分析恒載作用下疊合梁在懸臂施工階段、成橋階段、收縮徐變十年狀態下的橋面板應力變化情況,指出施工階段剪力滯效應較成橋階段更為顯著;郭飛[3]研究分析橋面板自重、斜拉索張拉力及二期恒載作用下,疊合梁橋面板剪力滯效應及其施工過程變化規律,提出懸臂施工階段剪力滯效應較成橋階段更值得關注。

疊合梁斜拉橋懸臂施工時,將單節段澆筑并養護濕接縫的懸臂施工方案優化為濕接縫滯后澆筑的施工方案,可大幅縮短工時[4]。疊合梁斜拉橋通過現澆濕接縫使預制橋面板與鋼梁形成共同工作的整體,隨之帶來了齡期不同的混凝土收縮、徐變對疊合梁性能產生影響的復雜問題。HUANG D W[5]對考慮混凝土時隨效應的疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應進行試驗研究,分析指出,隨著時間推移混凝土收縮徐變會使橋面板壓應力減小,甚至發展成拉應力;FANG Y[6]研究混凝土收縮徐變對疊合梁長期荷載性能的影響,指出混凝土橋面板與混凝土接縫齡期不同時,混凝土收縮徐變效應導致疊合梁混凝土面板抗裂性下降;HAN C X[7]基于徐變力學和有限元法對疊合梁長期荷載性能進行研究分析,指出混凝土收縮徐變效應使混凝土板內力重分布,導致其壓應力儲備下降;WANG G M[8]研究混凝土收縮徐變效應對連續組合梁橋內力的影響進行研究分析,指出在混凝土早期齡期的1～10 d內,混凝土板應力顯著變化。

基于以上研究分析,依托一座雙塔雙索面疊合梁斜拉橋工程實例,采用有限元法對濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應進行研究。疊合梁斜拉橋施工方案(主要考慮斜拉索張拉時機)的不同會使混凝土收縮徐變對橋面板剪力滯效應產生不同影響?；诨炷潦湛s徐變對疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應影響研究,給出優化施工方案(斜拉索第二次張拉合理時機),計算得到施工方案優化前、后橋面板的剪力滯系數及有效寬度系數,并進行對比,為考慮剪力滯效應的疊合梁斜拉橋橋面板設計提供理論依據。

1 工程概況

洛溪大橋拓寬工程兩幅新橋均為全長570 m雙塔雙索面疊合梁斜拉橋,跨徑布置為(30+95+305+110+30) m。斜拉橋主梁采用剪力釘與混凝土橋面板結合而成的雙邊箱疊合梁,其組合為:0.5 m防撞墻+11.5 m車行道(0.5 m路緣帶+3×3.5 m車行道+0.5 m路緣帶)+2.5 m人行道=14.5 m。主梁采用雙邊箱形鋼-混凝土疊合梁結構形式,設置單向1.5%橫坡;預制橋面板厚度為25 cm,橫截面中部位置設有一道小縱梁;斜拉索標準索距12 m;橋面寬15 m,縱向標準梁段長12 m。單幅斜拉橋總體布置如圖1所示,疊合梁橫斷面如圖2所示。

圖1 洛溪大橋總體布置(單位:m)

2 疊合梁斜拉橋有限元模型建立

針對濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋,選取圖1所示斜拉橋中跨S1～S6節段最大雙懸臂施工階段進行剪力滯效應研究,即鋼梁、橋面板安裝完成后,且該節段斜拉索完成初次、二次張拉后進行濕接縫澆筑養護施工。建立局部分析模型,研究濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋橋面板的剪力滯效應,如圖3所示。

圖3 疊合梁斜拉橋局部模型

為真實模擬疊合梁混凝土橋面板與鋼梁頂底板的應力分布規律,局部模型混凝土板、鋼箱梁頂、底板均采用實體單元SOLID 45模擬。疊合梁鋼箱梁腹板的厚度尺寸遠小于截面長度與寬度,可采用SHELL 181殼體單元進行鋼箱梁腹板模擬。研究分析時,假定疊合梁混凝土橋面板與鋼箱梁緊密結合,不發生相對滑移;在鋼箱梁頂、底板對應的節點上設置TARGE 170目標單元,然后于腹板頂、底部設置CONTA 175接觸單元,利用SHSD命令建立接觸對,以此實現具有不同節點自由度的兩種單元的連接,保證了局部模型的準確性。

對局部模型邊界條件模擬時,塔根附近梁段設置有臨時支架,故在該梁段的箱梁底部施加固結約束模擬。為施加彎矩、扭矩等力邊界條件于塔根截面實體單元,用剛域連接全部節點;考慮局部模型具有平動及轉動位移邊界條件,將剛域導向節點位置設在疊合梁形心位置處,采用剛域命令CERIG連接所有塔根截面節點、施加位移及力邊界條件。

同時進行如下近似處理:①不考慮疊合梁疊合面的滑移效應,即疊合梁雙邊箱梁、橫梁及小縱梁與混凝土橋面板間不發生相對滑移效應;②將連接疊合梁鋼梁與混凝土橋面板的剪力釘模型進行簡化,雙邊鋼箱梁頂板與混凝土橋面板用共節點的方式模擬處理,橫梁及小縱梁與混凝土橋面板連接建立接觸對模擬;③實際施工過程中,疊合梁斜拉橋雙懸臂施工基本處于對稱狀態,所以僅建立跨中1/2跨模型進行簡化計算,并在局部模型施加力、位移邊界條件;④由于斜拉索空間位置的局限,將拉索索力以水平軸向分力與豎向分力施加于鋼錨箱對應腹板位置處。

3 疊合梁斜拉橋混凝土收縮徐變本構關系及其實現

3.1 疊合梁斜拉橋混凝土收縮徐變本構關系

在未考慮混凝土收縮徐變效應時,疊合梁斜拉橋混凝土橋面板的混凝土彈性模量為常數,保證了瞬時加載計算時應力-應變的線性關系,也稱為疊合梁的短期荷載性能?？紤]混凝土收縮徐變效應時,疊合梁的長期荷載性能與加載時間有關,且隨著時間歷程增加,混凝土徐變變形在總變形不變的原則下逐漸取代彈性變形占據主導,使彈性變形降低的同時引起應力減小,混凝土的本構關系與徐變的特性有關。因此,合理確定混凝土收縮徐變本構關系對濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋橋面板的剪力滯效應研究至關重要。疊合梁斜拉橋收縮徐變效應問題較為復雜,通過有限元法計算收縮徐變對疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應影響。結合學者對混凝土收縮徐變效應的研究[9-12],采用有限元軟件ANSYS給出的第11號隱式蠕變方程模擬混凝土收縮徐變本構關系,如式(1)所示。

(1)

式中,εcr為徐變應變;εsh為收縮應變;C1～C7為方程的常系數;σ為t時刻混凝土應力;T為t時刻環境溫度。式(1)右邊第1項為徐變應變,第2項為收縮應變。

考慮混凝土的徐變與時間有關,且混凝土的應力與徐變應變速率成線性關系,則取C2=1;計算中考慮應變強化準則,其假定徐變應變速率取決于材料中應變,取C3=0;同時由于在計算徐變系數時已考慮溫度的影響,取C4=0。

最終可以得到同時考慮收縮徐變的蠕變方程為

εcr=C1σt+C5t

(2)

式(2)中C1與C5可以通過JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[13]附錄C,求解t時刻的徐變系數與收縮應變后求得,C1及C5與時間t有關。

3.2 疊合梁斜拉橋混凝土收縮徐變的實現

在有限元軟件ANSYS中,混凝土收縮徐變的實現流程表述為:通過ANSYS建立有限元模型并施加對應的斜拉索索力及外荷載,同時施加力與位移邊界條件進行彈性階段應力求解;在分析混凝土收縮徐變時先計算隱式蠕變方程常系數C1與C5及相應計算時間t,然后通過單元重啟動技術將齡期不同的混凝土單元材料屬性進行改變;通過分析計算時長是否達到收縮徐變需要的計算時長上限來判斷是否進入后處理,從而進行剪力滯效應分析研究,如圖4所示。

圖4 ANSYS軟件實現收縮徐變流程

4 疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應研究

4.1 濕接縫滯后澆筑的橋面板剪力滯效應研究

由圖4所述流程,對考慮不同齡期混凝土收縮徐變濕接縫滯后澆筑施工的橋面板剪力滯效應研究時,先求解得到彈性階段解,然后在此基礎上求解收縮徐變對剪力滯效應的影響。因此,先對彈性階段疊合梁斜拉橋橋面板剪力滯效應的求解進行闡述。

疊合梁斜拉橋每一個標準節段的疊合梁施工流程通?？杀硎鰹?架設雙邊鋼箱梁—安裝橫梁、小縱梁與斜拉索—斜拉索第一次張拉—安裝橋面板—斜拉索第二次張拉—吊機前移—濕接縫澆筑養護。對疊合梁斜拉橋的懸臂施工方案進一步優化,由較耗費工時的單節段施工完畢后澆筑一次濕接縫,改為可將工期縮短的雙節段施工完畢后澆筑一次濕接縫,稱其為濕接縫滯后兩節段澆筑懸臂施工,采用此施工方案可使較為耗時的濕接縫澆筑養護時間大幅縮短。

濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋在最大雙懸臂階段施工時,懸臂最前端梁段未澆筑濕接縫,橋面板尚未由靜定狀態轉變為超靜定狀態,故僅將橋面板荷載加載于未澆筑濕接縫的疊合梁鋼梁上,即在局部模型模擬時僅將橋面板作為豎向荷載加載于對應位置的梁段上,以真實模擬濕接縫未澆筑前的情況。作為施工時梁段與橋面板等施工部件與施工臨時荷載吊裝、運輸作用的橋面吊機,考慮其前支點與后支點站位后將其荷載施加于對應位置上。斜拉索索力加載于局部模型的位置對于疊合梁斜拉橋的剪力滯效應研究十分重要;考慮斜拉索錨固于鋼錨箱的空間位置,將斜拉索索力在局部模型中以斜拉索的水平與豎向分力加載于對應鋼梁的腹板位置上。綜上所述,局部模型加載后情況如圖5所示。

圖5 疊合梁斜拉橋局部模型加載示意

利用有限元軟件ANSYS可計算得到橋面板沿疊合梁橫向的應力計算值,結合局部模型有限元解與初等梁理論解可以得出剪力滯系數,疊合梁斜拉橋剪力滯系數可表示為疊合梁斜拉橋考慮剪力滯效應計算得到的有限元應力解與初等梁理論解的比值[14]

(3)

一般情況下,剪力滯系數總是≥1,產生正剪力滯效應;但由于外荷載作用方式與邊界條件的改變,有限元得到的應力解小于初等梁理論解,此時,剪力滯系數<1,產生負剪力滯效應。

在有限元應力解計算結果提取時,主要關注濕接縫滯后澆筑施工中斜拉索錨固截面與斜拉索中間截面混凝土橋面板的正應力分布規律,因此,分別選取已完成濕接縫澆筑形成整體工作狀態的12 m疊合梁節段的斜拉索錨固截面(x=5 000,17 000,29 000,41 000,53 000 mm)、斜拉索中間截面(x=9 000,21 000,33 000,45 000,57 000 mm),對斜拉索錨固截面與斜拉索中間截面的應力解進行剪力滯效應分析。

4.2 考慮收縮徐變影響的濕接縫滯后澆筑橋面板剪力滯效應研究

通過4.1節分析可以得到疊合梁斜拉橋混凝土橋面板在彈性階段剪力滯效應研究方法。濕接縫滯后澆筑施工工序優化后,必然會使原本較為簡單的線彈性問題轉變為復雜的非線性問題。主要原因是,濕接縫滯后澆筑時需考慮混凝土收縮徐變對疊合梁長期荷載性能的影響,混凝土收縮徐變本構關系并非簡單的線性關系,且混凝土齡期差異使得混凝土收縮徐變問題復雜化。

考慮混凝土收縮徐變對疊合梁橋面板剪力滯效應影響時,濕接縫對應于局部有限元模型的位置為每一標準節段疊合梁混凝土橋面板對應于橫梁頂板及雙邊箱梁頂板。分析該位置混凝土單元的收縮徐變可表征濕接縫滯后澆筑施工時新齡期混凝土收縮徐變對橋面板剪力滯效應的影響。圖6所示為考慮濕接縫滯后兩次澆筑混凝土收縮徐變時,選取濕接縫澆筑后每一節段的混凝土單元(共6個標準節段,選取5段混凝土單元)。

圖6 考慮收縮徐變效應時選取的混凝土單元

研究混凝土收縮徐變對疊合梁剪力滯效應影響時,考慮濕接縫養護期結束第7天疊合梁橋面板的剪力滯效應,通過計算可以得到剪力滯系數沿雙邊箱疊合梁橋面板橫向位置分布的規律。

研究最大雙懸臂階段(架設至MB6號梁段)濕接縫滯后兩次澆筑施工混凝土收縮徐變對疊合梁橋面板剪力滯效應的影響,原施工方案簡述為:架設MB6號梁段鋼梁—初次張拉S6號斜拉索—安裝MB6號梁段混凝土橋面板—第二次S6號張拉斜拉索—吊機前移至MB6號梁段前端—澆筑MB4與MB5號梁段濕接縫并養護。具體施工方案及所需時間如表1所示。

4.3 濕接縫滯后澆筑的疊合梁斜拉橋優化方案

疊合梁斜拉橋懸臂施工時,可通過斜拉索的幾次張拉力來控制橋面標高與主梁應力。濕接縫滯后澆筑施工的疊合梁斜拉橋,合理地擬定施工方案可使其橋面板的剪力滯效應得到控制,混凝土橋面板抗裂性得到保證。對比表1所述的施工方案,給出表2所示的另一施工方案,該方案將斜拉索第二次張拉時機變更至4、5號梁段濕接縫澆筑并養護之后。

表2 濕接縫滯后兩節段澆筑的優化施工方案

綜上所述,分別對采用表1與表2所述施工方案的橋面板剪力滯效應進行研究,計算得到疊合梁斜拉橋施工過程橋面板斜拉索錨固截面、斜拉索中間截面的剪力滯系數沿截面橫向分布規律,分別如圖7、圖8所示。

圖7 施工方案優化后斜拉索錨固截面剪力滯系數對比

圖7為優化方案優化前、后斜拉索錨固截面剪力滯系數沿截面橫向位置分布對比。由圖7(a)～圖7(e)剪力滯系數變化規律可知,斜拉索第二次張拉時機對混凝土橋面板斜拉索錨固截面剪力滯效應產生影響。對比圖7中原方案與優化方案可知,在濕接縫澆筑養護后第二次張拉懸臂最前端S6號斜拉索可使剪力滯系數沿斜拉橋縱向提高,S1號斜拉索錨固截面剪力滯系數提升幅度較大,提升約47%,而S2～S4號斜拉索錨固截面提升幅度分別為18%、13%、11%;S6號斜拉索進行張拉,使得S5號斜拉索錨固截面剪力滯系數略有下降,約為13%。

由圖7(e)可知,雖然S6號斜拉索第二次張拉會使S5號斜拉索錨固截面產生一定程度的負剪力滯效應,但S1～S5號斜拉索錨固截面剪力滯系數均得到提高,減緩了斜拉索錨固截面混凝土收縮徐變導致的負剪力滯效應。由以上分析可知:雖然張拉懸臂前端斜拉索會使附近一兩個節段的剪力滯系數有輕微下降,但是較大程度地減緩了塔根附近斜拉索錨固截面的負剪力滯效應。

與斜拉索錨固截面剪力滯系數沿截面橫向位置分布規律相似,在優化濕接縫滯后澆筑施工的斜拉索張拉時機后,圖8(a)、圖8(b)所示的斜拉索中間截面剪力滯系數得到一定程度提高,提升幅度為8%～15%,表明將懸臂前端S6號斜拉索第二次張拉時機調整至濕接縫澆筑與養護完成后,對斜拉索中間截面的剪力滯效應也產生一定程度的有利影響。

綜上所述,濕接縫滯后澆筑兩節段施工,由于混凝土收縮徐變的影響,疊合梁橋面板產生一定程度的負剪力滯效應,但經過合理地調整斜拉索第二次張拉這一關鍵施工工序,將其調整至濕接縫澆筑并養護完成后,可使混凝土收縮徐變影響下疊合梁混凝土橋面板產生的負剪力滯效應得到一定程度緩解。

4.4 濕接縫滯后澆筑各方案對應的橋面板有效寬度計算

對疊合梁斜拉橋混凝土橋面板有效寬度計算時,當前國內外規范并未對壓彎共同作用下疊合梁斜拉橋混凝土橋面板的有效寬度進行規定[15-19],因此,引入橋面板有效寬度與截面寬度之比的有效寬度系數ρ概念進行分析[20]

(4)

式中,beff為疊合梁混凝土橋面板的有效寬度;b為疊合梁混凝土橋面板實際寬度。

同時,對于混凝土板的有效寬度為

(5)

式中,t為混凝土橋面板厚度;beff為混凝土橋面板的有效寬度;σc為混凝土橋面板正應力;σmax為混凝土橋面板最大正應力。

對疊合梁斜拉橋混凝土橋面板有效寬度進行研究時,通常利用式(5)對混凝土板橫向應力分布進行二次、三次曲線擬合,對擬合得到的曲線進行定積分求解計算,然后除以橋面板橫向最大應力即可得到混凝土板的有效寬度[21]。綜上,計算得到優化施工方案前、后疊合梁斜拉橋混凝土橋面板有效寬度系數。對原施工方案(斜拉索第二次張拉時機為濕接縫澆筑養護前)與優化方案的有效寬度系數進行對比分析,如圖9所示。

圖9 疊合梁斜拉橋混凝土橋面板有效寬度系數

由圖9可知,混凝土收縮徐變使疊合梁斜拉橋橋面板有效寬度系數有一定程度下降,懸臂前端MB5與MB6梁段下降較為嚴重,最大下降幅度為15%。同時,疊合梁在濕接縫滯后澆筑施工時,混凝土橋面板由于收縮徐變效應出現橋面板有效寬度系數下降的情況。優化斜拉索張拉順序施工方案,即通過調整懸臂前端梁段的斜拉索第二次張拉時機可以提高橋面有效寬度系數,最大提升幅度可達到19%(x=41 000 mm,S5號斜拉索錨固截面位置)。

綜上所述,混凝土收縮徐變對橋面板有效寬度系數的影響不容忽視,優化斜拉索張拉順序施工方案(濕接縫澆筑并養護完成后第二次張拉懸臂前端斜拉索)可使不同齡期混凝土收縮徐變造成有效寬度系數下降的影響降低。

5 結論

以濕接縫滯后澆筑的疊合梁斜拉橋橋面板為研究對象,采用有限元法對不同齡期混凝土收縮徐變效應影響下,疊合梁斜拉橋施工過程橋面板剪力滯效應進行分析。此外,基于疊合梁斜拉橋濕接縫滯后澆筑的施工方案進行剪力滯效應優化研究,主要結論如下。

(1) 混凝土收縮徐變會使疊合梁混凝土橋面板的斜拉索錨固與中間截面剪力滯系數沿截面橫向呈下降趨勢,對疊合梁混凝土橋面板的抗裂性產生不利影響。

(2) 疊合梁斜拉橋濕接縫滯后澆筑施工過程中,預制橋面板與現澆濕接縫齡期不同,使收縮徐變問題復雜化。對斜拉索張拉順序方案進行優化,將斜拉索第二次張拉時機調整至濕接縫澆筑并養護完成后,可使混凝土收縮徐變對橋面板剪力滯效應的不利影響降低,一定程度緩解負剪力滯效應。

(3) 通過合理地擬定濕接縫滯后澆筑施工方案的斜拉索第二次張拉時機(即濕接縫澆筑養護完成后再進行懸臂前端斜拉索第二次張拉),可使不同齡期混凝土收縮徐變對橋面板有效寬度系數的不利影響降低,優化方案可以使得混凝土橋面板有效寬度系數最高提升19%。