波形钢腹板PC组合箱梁桥悬臂施工阶段受力及稳定性分析

唐 谦，王如宝，顾箭峰，张宇峰

(1.安徽省新路建设工程集团有限责任公司 阜阳市 236000； 2.武汉工程大学 土木工程与建筑学院 武汉市 430073)

0 引言

波形钢腹板PC组合箱梁桥用波形钢板代替混凝土腹板，与传统的预应力混凝土箱梁桥相比，具有上部结构自重轻、腹板纵向刚度低、预应力效率高、桥型美观等优点[1-2]。随着该桥型跨径的增大及结构形式的日趋多样化，悬臂施工法已成为了修建该类大跨桥梁的主要工法之一，以提高施工效率，降低成本[3-4]。现有对于桥梁悬臂施工阶段的研究普遍侧重于普通PC箱梁桥，关于波形钢腹板PC组合箱梁桥的研究较少，使得该类桥梁悬臂施工存在隐患，所以有必要对其施工阶段进行模拟分析。

以某大跨径变截面波形钢腹板PC组合箱梁桥为例，对其悬臂施工过程进行有限元仿真模拟，分析桥梁结构在悬臂施工阶段的挠度、内力和应力，并进行关键施工阶段稳定性验算，检验箱梁桥的设计能否满足相关规范对其施工条件的要求。

1 波形钢腹板PC组合箱梁桥悬臂施工工艺

1.1 工程概况

某大跨变截面波形钢腹板PC组合箱梁桥长228m，跨径布置为(65+98+65)m，主梁采用变截面波形钢腹板单箱双室连续箱梁，中支点梁高6m，底板厚度0.70m；跨中梁高2.8m，底板厚度0.3m，梁高及底板厚度按2次抛物线过渡，混凝土采用C50，波形钢腹板采用Q345，桥面设置为双向四车道。桥型布置如图1所示，主梁断面如图2、图3所示。

图1 波形钢腹板PC组合箱梁桥桥型布置(单位：cm)

图2 主梁支点横断面图(单位：cm)

图3 主梁跨中横断面图(单位：cm)

1.2 波形钢腹板PC组合箱梁桥悬臂施工流程

悬臂施工是大跨波形钢腹板PC组合箱梁桥的一种重要工法。悬臂施工法是指在桥墩两侧安装工作平台，平衡地逐段向跨中悬臂浇注并逐段施加预应力，直至桥跨结构合龙的施工方法。波形钢腹板PC组合箱梁桥悬臂施工特点：

(1)桥墩在施工过程中要和主梁固结，对于连续梁桥存在结构体系的转换。

(2)波形钢腹板节段施工时考虑节段长度、腹板厚度的变化以及节段间的连接等因素。

(3)施工中减少腹板的钢筋施工和混凝土浇注，增加了钢腹板的定位与安装工序。

(4)增加了体外预应力体系，需要进行体外预应力安装和张拉[5]。

波形钢腹板PC组合箱梁桥悬臂施工的具体流程如图4所示：

图4 波形钢腹板PC组合箱梁桥悬臂法施工流程图

2 有限元模型建立及悬臂施工阶段模拟

2.1 数值模型的建立

由于波形钢腹板箱梁的剪力基本上全部由腹板承担，而混凝土顶、底板几乎不参与承剪，将原单箱双室箱梁等效成单箱单室箱梁，由于此等效方式顶底板混凝土减少的恒载，通过外荷载施加[6-9]。

根据实际施工节段，全桥共划分为70个单元，83个节点。桥梁施工阶段结构要承受结构自重、预应力钢筋荷载、挂篮荷载、其他施工荷载等。本桥有限元模型如图5所示。

图5 有限元计算模型

2.2 悬臂施工阶段模拟

本桥通过安装挂篮→浇注混凝土→张拉预应力筋→安装挂篮……循环施工的方式来完成桥梁的建设工作。根据桥梁设计和施工的实际情况，本桥施工阶段共划分为43个，施工阶段的具体划分情况见表1。

表1 施工阶段划分表

3 结构变形和受力性能分析

为了能够较好地反映波形钢腹板PC组合箱梁桥在施工过程中的受力和变形特性，选取最大悬臂阶段、边跨合龙阶段、中跨合龙阶段、张拉体外预应力阶段等施工阶段以及二期恒载和10年收缩徐变等成桥阶段进行分析对比。

计算分析桥梁结构在各施工阶段的挠度和应力，依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)进行验算，按照规范所规定的各项容许指标和计算公式验算结构是否满足各项要求[10]。

3.1 结构最大悬臂阶段分析

(1)挠度分析

最大悬臂阶段完成预应力张拉后箱梁的挠度情况如图6所示。

图6 最大悬臂阶段箱梁的挠度图

由图6可知，在最大悬臂状态时，中跨支座处结构无变形，随着距离中跨支座长度的增长，其结构挠度值不断增加，到达悬臂端之前挠度存在最大值，箱梁的挠度最大值约为33.15mm。

(2)内力分析

最大悬臂阶段完成预应力张拉后，箱梁内力分布情况如图7、图8所示。

图7 最大悬臂阶段箱梁的弯矩图

图8 最大悬臂阶段箱梁的剪力图

由图7可知，结构处于最大悬臂状态，在自重和预应力共同作用下，主梁弯矩在中跨支座附近出现了最大值，最大值约为10.42×104kN·m，由于预应力钢筋的作用，在两边悬臂端附近出现了较小的正弯矩，其最大值约为1.02×104kN·m。

由图8可知，主梁剪力基本对称，因为有横隔板的作用，左右剪力存在细微差异，剪力的最大值出现在支座处附近截面，其最大值约为1.18×104kN。

(3)应力分析

最大悬臂阶段完成预应力张拉后，截面应力分布情况如图9所示。

图9 最大悬臂阶段箱梁截面下缘的应力图

3.2 其他阶段分析

由于篇幅限制，本文将边跨合龙阶段、中跨合龙阶段和张拉体外预应力阶段等施工阶段以及成桥阶段结构受力和变形分析结果列于表2、表3。

表2 施工阶段结构受力和变形分析表

表3 成桥阶段结构受力和变形分析表

表3与表2对比分析可知在成桥阶段时，桥梁的挠度、内力及应力相比施工阶段有所下降，趋于稳定状态，且其值均能满足相关规范的要求。

4 最大悬臂阶段稳定性分析

4.1 荷载类型及组合

分析波形钢腹板PC组合箱梁桥在最大悬臂阶段，在结构自重、挂篮荷载、不平衡梁段重、不平衡施工荷载、风荷载等荷载组合下结构的稳定性。荷载类型如下：

(1)最大悬臂阶段主梁自重为5.96×104kN；

同位素是指一类原子核内具有相同质子数，但中子数不同，在元素周期表中处于同一位置的核素。其中，某些核素会因其不稳定的性质自发衰变成新核素，同时放出一种或多种射线，如α、β-、β+、γ、X等，这种特性称为放射性。具有放射性的核素称为放射性核素或放射性同位素，不具放射性的核素称为稳定同位素。

(2)挂篮荷载，挂篮取800kN，梁体两端动力系数分别取1.2和0.8；

(3)挂篮跌落，梁体两端动力系数分别取2和0；

(4)不平衡梁段重，最后一个节段左侧多浇30%；

(5)不平衡施工荷载，左侧梁端有150kN施工荷载；

(6)横向风载按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中的有关规定对结构施加；

(7)纵向风载按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中的有关规定对结构施加[11]。

4.2 荷载组合

当挂篮正常工作时：

工况1：荷载(①+②+④+⑤)+风载⑥

工况2：荷载(①+②+④+⑤)+风载⑦

当挂篮突然跌落时：

工况3：荷载(①+③+④+⑤)+风载⑥

工况4：荷载(①+③+④+⑤)+风载⑦

4.3 稳定性分析结果

4种工况下结构的一阶稳定系数及相应的屈曲模态见表4。最不利工况3的屈曲模态如图10所示。

表4 最大悬臂一阶稳定安全系数

图10 工况3下的一阶屈曲模态

计算结果表明：

(1)最大悬臂状态所有工况的结构屈曲模态均为纵向失稳，且一阶稳定系数均大于5，满足《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)要求且安全储备充足，结构安全可靠。

(2)在悬臂施工阶段挂篮跌落产生的冲击荷载对结构的安全稳定性有比较大的影响，因此在施工中应特别注意最大悬臂阶段时桥梁的稳定性，采取有效措施防止挂蓝的跌落。

(3)在悬臂施工阶段横向风载比纵向风载对结构的稳定性影响大。

5 结语

以某大跨径波形钢腹板PC组合箱梁桥为背景，在分析了波形钢腹板PC组合箱梁桥悬臂施工特点的基础上，运用Midas Civil有限元软件对波形钢腹板PC组合箱梁桥悬臂施工过程进行仿真模拟，分析该桥不同施工阶段的结构变形和受力，并进行稳定性验算，得出了如下结论：

(1)通过工程实例分析，波形钢腹板PC组合箱梁桥在悬臂施工中的挠度、内力和应力均控制在允许范围内，成桥技术状况良好，结构受力合理，能够满足施工阶段施工的要求。

(2)波形钢腹板PC组合箱梁桥在最大悬臂阶段最不利工况下一阶稳定性系数均大于5，稳定性系数满足规范要求且安全储备充足，结构安全可靠。