顶推施工中波形钢腹板PC组合梁临时预应力钢束的合理设置

成子桥，吕贵宾，赵振东

（1.中电建路桥集团有限公司，北京市 100048；2.中电建路桥集团有限公司华中分公司，河南 郑州 450000）

顶推施工中波形钢腹板PC组合梁临时预应力钢束的合理设置

成子桥1，吕贵宾1，赵振东2

（1.中电建路桥集团有限公司，北京市 100048；2.中电建路桥集团有限公司华中分公司，河南 郑州 450000）

为了分析波形钢腹板PC组合梁在桥梁顶推施工过程中临时预应力钢束的对结构受力的影响，确保桥梁在顶推施工过程混凝土结构不发生破坏，以国内第一座采用整体式顶推施工的大跨度波形钢腹板PC组合梁为例，采用板壳实体模型详细模拟了波形腹板组合箱梁的结构和具体的体内、体外预应力，计算了分析了顶推施工最不利工况下临时预应力钢束的合理位置设置、预应力大小和钢束数量对组合梁受力的影响情况，提出确保梁体结构安全的临时预应力钢束的合理设置方法，可为同类结构设计施工提供参考。

顶推施工；波形钢腹板；组合梁；临时预应力

0　引言

顶推施工是在沿桥纵轴方向的端部设置预制场地，制作一定长度上部结构节段梁体，然后通过水平千斤顶施加推力，将梁体向前顶推出预制场地，之后继续在预制场进行下一节段梁的预制，循环操作直至施工完成的一种施工方法[1]。这种施工方法在钢桥中应用较多，而波形钢腹板组合梁使用这种方法施工的实例较少，国外有日本的岛崎川桥[2]，国内有郑州市陇海路快速通道和吉安市深圳大桥[3]。波形钢腹板组合梁一般会配置体内预应力束和永久体外预应力束，其中体内预应力束和永久体外预应力束一般是依据成桥后的受力状态确定，而在顶推施工中桥梁的每个断面都要承受正负弯矩交替作用，这时体内预应力束和永久体外束对结构作用发生改变，需要额外配制临时体外预应力钢束保证结构受力安全[4]。如何布置临时体外预应力才能使顶推过程中结构的受力达到最优是一个需要详细研究的问题。本文通过对陇海路快速通道波形钢腹板组合梁的顶推施工过程进行有限元建模分析，研究了临时体外预应力束位置变化、张拉力和数量变化对波形钢腹板组合梁受力的影响，得到了合理临时束布置数量，得到的结论可为同类结构的设计施工提供参考。

1　工程背景

陇海路快速通道位于郑州城区的西南处，西侧起始于四海大道东侧高架落地处，东侧与陇海路跨南水北调桥顺接，主要跨越临湖路、贾峪河、常庄干渠等，全长2.093 km。其中常庄干渠段桥梁分三幅布置，分别为南北侧辅道桥和主线高架桥。主线高架范围全长940 m，共分为两联，跨径布置为（9×50 m）+（9×50 m+40 m），占线路总长的45%。

主线高架上部结构采用等高度波形钢腹板混凝土箱梁结构，两幅之间断开。单幅断面采用单箱单室斜腹板截面，截面尺寸见图1。波形钢腹板采用BCSW1600型，钢板厚度采用t=16 mm和t=20 mm两种。钢翼缘板除导梁段翼缘钢板厚20 mm外，其余一般节段翼缘钢板采用16 mm，与混凝土顶板采用Twin-PBL方式连接，与混凝土底板采用栓钉连接，主梁永久预应力采用体内、体外预应力混合配置方式。主梁顶、底板采用C60高强度混凝土，钢腹板采用Q345qC钢材。

图1　箱梁截面尺寸（单位：mm）

施工方法采用顶推法，该桥也是国内第一座采用整体式顶推法施工的波形钢腹板PC组合箱梁。顶推施工时，两联梁（YU01,YU02）分别从两端向YP10号墩方向顶推，见图2，本文中取YU01联进行建模计算。

体内预应力束在截面的布置形式如图3（a）所示，体外束在每跨内的布置形式如图3（b）所示。体内束规格为YM15-9（顶板束）和YM15-12（底板束），其张拉控制应力1 302 MPa（含损失），体外束规格为YM15-27，永久体外束每跨布置4束，跨中处距底板底部0.7 m，支座处距底板底部2.6 m，在顶推过程中张拉其中2束，张拉控制应力1 150 MPa（含损失），临时束的具体线形、张拉控制应力等将在后文中具体说明。

2　顶推过程中预应力参数分析

2.1有限元模型的建立

使用通用有限元计算程序ANSYS对YU01联波形钢腹板组合梁进行了有限元建模，使用SOLID65单元模拟混凝土顶底板，使用SHELL63单元模拟波形钢腹板，使用LINK8单元模拟预应力钢筋。有限元模型见图4。

波形钢腹板钢材选用Q345qC，容重为78.5 kN/m3，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3；顶底板混凝土标号为C60，容重取为26 kN/m3，弹性模量3.6×104MPa，泊松比0.2；预应力钢绞线弹性模量为1.95×105MPa。

图2　主线高架立面图（单位：m）

图3　预应力布置形式（单位：mm）

图4　有限元模型

本文仅针对施工阶段组合梁的受力性能进行分析，所以仅考虑自重和与预应力的效应。与成桥状态相比，导梁前端经过YP7墩后悬出11.4 m时（见图5）为顶推过程中的最不利状态，所以选取此状态为有限元分析的计算工况。

图5　计算工况

2.2临时体外预束在支点锚固位置的影响

为了分析临时体外预应力线形对顶推过程组合梁受力的影响，现仅考虑临时体外预应力单独作用的效应，变化临时体外预应力的在支点位置的高度h（见图6），分别取h1=1.1 m，h2=1.2 m，h3=1.3m，h4=1.4 m和h5=1.5 m进行计算，临时体外预应力根数为两束，张拉控制应力为1 150 MPa。

图6　临时体外预应力布置形式(单位：mm)

根据得到的计算结果，分别提取了顶板混凝土位置2（见图1）处沿纵桥向的应力分布（见图7（a））、底板位置2处沿纵桥向的应力分布（见图7（c））、YP5墩顶截面顶板沿横桥向的应力分布（见图7（b））和YP4墩YP5墩之间跨中截面底板沿横桥向的应力分布（见图7（d））。

由图7可以看出，h变化不影响整体受力规律，对局部位置的应力影响较大，h越小，体外预应力在支座顶板产生的压应力越大，在跨中底板产生的压应力也越大，h每减小0.1 m，在支点顶板约多产生0.03 MPa的压应力，在跨中底板约多产生0.015 MPa的压应力。

提取了图1顶板位置2侧波形钢腹板中部的剪应力（见图8（a））、整个组合梁的挠度（见图8（c））和二者的增量随h变化的变化规律（见图8（b）、图8（d））。

图7　混凝土板应力分布

图8　腹板剪应力与组合梁挠度

由图8看出，h越大，体外预应力在支座附近产生的剪应力绝对值越小，h每增加0.1 m，在支点附近波形钢腹板约减少产生0.7 MPa的剪应力，h变化对腹板剪应力影响不大。临时束单独作用时，计算工况中组合梁每跨内的挠度表现为：在靠近预制场地的一侧1/3跨的范围内发生上挠，靠近导梁的一侧2/3跨范围发生下挠。h越大上挠和下挠的幅度越小，图8(b)为第二跨跨中位置下挠程度随h的变化规律，h每增加0.1 m，跨中挠度约增大0.02 mm。

由上述分析可以看出，临时体外预应力束在支点处锚固高度越低（h越小），混凝土的压应力储备越大，但钢腹板剪应力和组合梁的挠度也随之增大，h在变化幅度有限的情况下对混凝土和钢腹板应、组合梁挠度的影响也非常有限，考虑到这些方面的因素，认为h取1.3 m较为合适。

2.3临时体外束张拉控制应力的影响

临时预应力的张拉控制应力对顶推过程中组合梁的受力有较大影响，为了研究不同张拉控制应力的作用效果，仅考虑临时体外预应力单独作用，将两束临时体外预应力竖向几何线形取为：跨中处距底板底部3.04 m，支座处距底板底部h= 1.3 m。变化张拉控制应力，分别设置为s1=930 MPa、s2=1 023 MPa、s3=1 150 MPa、s4=1 209 MPa、s5= 1 302 MPa进行计算，对应标准强度fpk=1 860 MPa的50%、55%、62%、65%、70%。

提取混凝土顶板位置2处和底板位置2处（见图1）的纵桥向应力（见图9（a）、图9（c））和YP5墩顶截面顶板沿横桥向的应力（见图9（b））和YP4墩YP5墩之间跨中截面底板沿横桥向的应力（见图9（d））。

由图9可以看出，张拉控制应力越大，临时体外预应力在支座顶板产生的压应力越大，在跨中底板产生的压应力也越大，张拉控制应力每增加5%fpk，在支点顶板约多产生0.15 MPa的压应力，在跨中底板约多产生0.13 MPa的压应力。

提取了波形钢腹板剪应力（见图10（a））、组合梁挠度（见图10（c））和二者的增量随张拉控制应力s变化的变化规律（见图10（b）、图10（d）），其中剪应力和挠度的提取位置与2.2节相同。

图9　混凝土板应力分布

图10　腹板剪应力与挠度

由图10看出，临时体外预应力在支座附近产生的剪应力绝对值随张拉控制应力的增大而增大，张拉控制应力每增加5%fpk，在支点附近波形钢腹板约增加1 MPa的剪应力；计算工况中组合梁上挠和下挠的程度随张拉控制应力的增加而增加，见图10（d），张拉控制应力每增加5%fpk，第二跨跨中位置下挠幅度度约减小0.03 mm。

通过上述分析可以看出，临时体外束的张拉控制应力越大（s越大），混凝土的压应力储备越大，但同样钢腹板剪应力和组合梁挠度也会越大，综合考虑上述因素，取临时体外束张拉控制应力为1 150 MPa。

2.4临时体外束布置数量的影响

临时体外束的布置数量对组合梁顶推过程中的受力性能也有较大的影响，为了得到临时体外束布置数量的影响效应，现计入所有体内预应力、施工过程中张拉的两束永久体外预应力和自重的效应，临时体外预应力钢束竖向几何线形与3.3节相同，张拉控制应力s=1 150 MPa，变化临时体外预应力钢束的数量，从0束变化到4束，在支点截面处，各种情况下临时预应力横向布置形式见图11。

图11　临时体外束的横向布置形式

提取了混凝土顶板位置2、底板位置2（见图1）沿纵桥向的应力（见图12(a)、图12(b)），YP4和YP6墩顶截面顶板应力（见图12(c)、图12(d)），YP5和YP6之间跨中截面底板应力（见图12(e)）。

从图12可以看出，临时体外预应力根数越多，支座顶板产生的拉应力越小，在跨中底板产生的压应力也越大，体外预应力每增加一根，在中支点顶板约多产生0.8 MPa的压应力，在跨中底板约多产生0.7 MPa的压应力，但对悬臂端附近混凝土应力影响不大。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）C60预应力混凝土的在施工的抗裂验算时混凝土拉应力不超过1.15 ftk= 2.85 MPa×1.15=3.27 MPa，当不配置临时体外束时支座顶板产生最大3.3 MPa的拉应力，配置2束临时体外束时，支座顶板混凝土最大拉应力为3.02 MPa<3.27 MPa，满足规范要求，配置4束时，支座顶板混凝土无拉应力。

图12　混凝土板应力分布

同样提取了波形钢腹板剪应力和组合梁挠度（见图13(a)、图13(c)），以及二者随临时体外束数量变化的变化规律（见图13(b)、图13(d)）。

由图13(a)可以看出体外预应力的根数对支点附近的钢腹板剪应力有较大的影响。体外预应力根数每增加一束，在支点附近波形钢腹板剪应力越减小6 MPa。当体外预应力钢束根数不少于2束时，波形钢腹板最大面内剪应力将小于60 MPa。

图13　腹板剪应力与组合梁挠度

临时体外预应力根数变化不影响挠度的整体变化规律，对跨中挠度有一定影响。由图13(d)可以看出，临时体外预应力根数越多，组合梁跨中挠度反而越大，与理论分析规律相同。临时体外预应力根数每增加一束，跨中挠度约增加0.2 mm。

根据上述分析，决定临时体外预应力布置数量的主要控制因素为支点负弯矩区混凝土顶板上缘拉应力，当采用公称直径为27-Φs15.2的体外预应力筋，根数为2束时，支座顶板混凝土虽承受拉应力，但满足规范要求。考虑到临时体外预应力在波形钢腹板PC组合梁顶推施工中的重要性以及临时性，取临时体外束布置根数为2根。

3　结　论

由于顶推施工过程中结构的各个截面都要经历正负弯矩的交替作用，而通过成桥受力状态确定的体内束和永久体外束很难保证顶推过程中结构的受力满足要求，此时临时体外预应力束的配置就显得尤为重要。通过对陇海路快速通道波形钢腹板组合梁顶推施工中最不利工况进行有限元建模计算，对临时体外束支点处的锚固高度、张拉控制应力和临时体外束的布置数量进行了参数分析，得到主要结论如下:

（1）临时体外预应力束在支点处锚固高度越低，混凝土的压应力储备越大，但钢腹板剪应力和组合梁的挠度也随之增大，考虑到这两方面的因素，认为临时体外束在支点处锚固位置距组合梁底板下缘1.3 m较为合适。

（2）临时体外束的张拉控制应力越大，混凝土的压应力储备越大，但同样钢腹板剪应力和组合梁挠度也会越大，综合考虑上述因素，取临时体外束张拉控制应力为1 150 MPa。

（3）决定临时体外预应力布置数量的主要控制因素为支点负弯矩区混凝土顶板上缘拉应力，当不设临时体外束时，支座顶板混凝土有较大应力，不满足规范要求，临时体外束布置数量为2束时，支座顶板混凝土最大拉应力满足规范要求，布置数量为4束时，支座顶板混凝土无拉应力。考虑到临时体外预应力在波形钢腹板PC组合梁顶推施工中的重要性以及临时性，取临时体外束布置根数为2根。

[1]林运唐,饶国庆,上官兴.顶推连续梁预应力设计新方法[J].国防交通工程与技术,2012(1):37-40.

[2]李广慧,张建勋.波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥顶推施工技术[J].施工技术,2010(7):118-120.

[3]刘迎春,杨云安,文振军,等.波形钢腹板PC连续梁桥顶推施工过程受力分析[J].公路,2015(7):129-131.

[4]张晓东.桥梁顶推施工技术[J].公路,2003(9):45-51.

TU312

B

1009-7716（2016）03-0093-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.028

2015-11-24

成子桥（1972-），男，河南郑州人，教授级高级工程师，从事路桥方向研究工作。