折腹式组合梁桥多工作面异步悬臂施工分析

李春跃 甘 波 贺 君 奉思东

(1.北京建工土木工程有限公司 北京 100015；2.长沙理工大学 湖南长沙 410114)

1 引言

波形钢腹板组合梁桥采用较薄的波形钢腹板代替传统厚重混凝土腹板或加劲平钢腹板，通过连接件与混凝土顶、底板相连，不仅解决混凝土箱梁自重大、腹板易开裂的问题，而且可简化下部结构，降低其造价。此外，波形钢腹板无需设置加劲肋，且具有较高的剪切屈曲强度，其较低的轴向刚度可提高预应力施加效率。由于良好的使用性能和经济效益，该类桥梁在国内得到广泛应用，目前已超过100座[1]。近年来，在常规悬臂施工的基础上，提出了一种新型多工作面异步悬臂施工方法。该方法采用抗剪强度优异的波形腹板钢梁作为挂篮的承重结构，挂篮直接在钢梁上行走，使得挂篮结构轻量化，挂篮安装、行走等工艺简便化。此外，该工法将施工作业面由传统悬臂施工的单个扩展到多个，加快施工进度，提高施工效率。

以往国内外对波形钢腹板PC组合梁桥主要开展力学性能研究，包括波形腹板组合梁的抗弯及抗剪性能[2-3]、波形钢腹板屈曲稳定性[4-6]、不同剪力连接件连接性能[7-9]、波形腹板连续刚构桥徐变效应[10]等，但对该类桥梁施工方法的研究较少，尤其对异步多工作面悬臂施工的效益和施工过程安全性综合分析不足。因此，本文以在建实际工程——达摩沟大桥为研究对象，详细介绍该桥的结构特点、轻型挂篮构造、多工作面异步悬臂施工流程，并系统开展结构安全性分析、经济社会效益评估，为多工作面异步悬臂施工方法在折腹式组合桥梁的推广应用提供借鉴。

2 工程概况

达摩沟大桥主桥跨径布置为60 m ＋2×105 m ＋60 m(见图1)，上部结构为波形钢腹板预应力混凝土连续刚构，采用单箱单室直腹板截面。桥面设置2%横坡和0.5%纵坡。箱梁顶板宽13.75 m、底板宽7.25 m，翼缘悬臂为3.25 m，箱梁顶板厚0.32 m。箱梁跨中及边跨现浇段梁高3.5 m，墩顶0＃段梁高7 m，墩顶两侧节段采用波形钢板-内衬混凝土组合腹板。波形钢板波长1.6 m，波高22 cm，水平面板为43 cm，水平折角30.7°。腹板厚度由跨中至墩顶依次为20、22、24 mm。波形钢腹板与混凝土顶板采用双PBL键的方式连接，与底板采用角钢连接。

图1 跨径布置(单位:m)

主梁节段划分为6 m(0＃块)＋4.7 m＋5×4.8 m＋3×6.4 m，边中跨合龙段均为3.2 m，边跨现浇段长度为5.66 m。该桥0＃～1＃块采用托架法施工，2＃～9＃块采用异步悬浇施工，10＃合龙段采用悬吊支架法施工，11＃块边跨现浇段采用钢管桩支架现浇施工。

3 多工作面异步悬臂浇筑工艺及效益分析

3.1 挂篮系统构造

异步悬臂浇筑施工(见图2)采用吊挂式挂篮，主要由承重结构、悬吊提升系统、模板系统、滑移系统、施工平台和锚固系统组成。挂篮的前后支点直接支撑在波形腹板钢梁上，其上翼缘安装的双排PBL连接件构成的U型凹槽形成挂篮移动轨道，凹槽内设置四氟滑板，可减少挂篮前移时的摩擦力并可使其安全平顺移动。为防止波形腹板屈曲设置临时横撑。

图2 异步施工示意

此外，该悬吊挂篮系统具有三个(N，N±1节段)施工作业面，可以同时进行(N-1节段)顶板、(N＋1节段)底板的混凝土浇筑以及(N＋1节段)腹板的安装，合理利用工序衔接，各工作面互不影响。

3.2 工艺流程

多工作面异步悬臂浇筑施工主要流程如下:

(1)0＃～1＃块施工完成后安装2＃块波形钢腹板。

(2)非典型断面施工:安装挂篮，浇筑2＃块底板、安装3＃块钢腹板。

(3)典型断面施工:挂篮前移至N节段，施工N-1节段顶板、N节段底板，同时安装N＋1节段钢腹板。

(4)张拉N-1节段预应力。

(5)前移挂篮，按照典型断面工序施工下一节段。

3.3 施工与社会效益评价

3.3.1 施工效益

挂篮重量方面，若采用传统悬臂浇筑，挂篮重达100 t，而异步浇筑悬吊式挂篮，受力力臂较小，大幅减少重量，约为50 t。施工效率方面，传统悬臂浇筑施工作业面仅局限于当前N节段，而异步浇筑将工作面扩大到三个节段(N-1、N、N＋1)，可同步浇筑顶底板混凝土，且可在混凝土养生期间安装腹板。传统挂篮行走需要加固-拆除-加固后锚等流程，新型悬吊挂篮可直接安装于波形钢腹板上部PBL的U型槽口，不需要后锚，通过千斤顶即可实现挂篮行走。以本桥为例，标准悬浇节段分别采用异步与传统悬臂浇筑的施工周期对比见表1。

表1 标准节段悬浇施工周期对比

采用传统悬浇施工周期为11 d，而采用异步挂篮浇筑则仅需7.5 d，缩短了3.5 d，节约32%的工期，仅考虑2＃～9＃节段的施工，异步挂篮浇筑就能节省28 d工期。

3.3.2 社会效益

从能源消耗和空气污染(CO2排放)角度出发，据统计中国重点钢铁企业综合能耗[11]为555 kg/t(生产1 t钢各能源消耗量总和，包括煤炭、天然气、电力和燃油等)，排放约3 030 kg的CO2，标准节段异步挂篮的重量比传统挂篮减小约50 t，故能降低钢材消耗能源27.7 t，并减少151.5 t的CO2排放，故异步施工在提高施工效率的同时还能减少能源的消耗和降低对环境的影响，符合低碳、环保的发展理念。

4 有限元建模

利用Midas Civil对主桥施工过程进行模拟，采用考虑剪切变形以及不同材料顶、底板(混凝土)与波形腹板(钢)的分层梁单元对组合箱梁进行模拟，假定腹板与混凝土顶、底板连接可靠，无相对滑移。施工荷载主要包括结构自重、挂篮重量、混凝土湿重、预应力等。

全桥共有524个节点和478个单元，有限元模型见图3。将组合截面分为顶板、腹板、底板三部分，可分步激活实现多工作面异步悬臂施工模拟。主梁划分为31个施工阶段(见表2)，标准节段施工包括:顶底板混凝土浇筑、混凝土养护成型及预应力张拉。

图3 全桥有限元模型

表2 施工阶段划分

5 施工阶段分析

以中跨位置三个截面A-A(节段1前端)、B-B(节段2前端)、C-C(节段3前端)为例(见图1)，分析截面顶底板、腹板应力以及挠度变化。

5.1 施工阶段应力分析

5.1.1 顶底板应力

施工过程混凝土顶、底板应力见图4。截面A～C混凝土顶、底板均承受压应力，顶板最大压应力分别为16.2、14.0、12.0 MPa，底板最大压应力分别为8.39、8.1、9.21 MPa，强度均小于抗压强度设计值25.3 MPa[12]。

图4 施工阶段截面混凝土顶底板应力

在标准节段施工过程中，随着当前节段预应力张拉，顶板压应力增大、底板压应力减小，当浇筑下一节段时，顶板压应力减小、底板压应力增大，两者变化呈现相反趋势。随着悬臂段伸长，结构自重效应增大，而施工节段预应力筋数量减少，底板的压应力增幅大于顶板，顶底板应力越来越接近，所以在悬臂段较短时，需关注顶板应力情况，随着悬臂段的伸长，顶、底板均需关注。

5.1.2 腹板剪应力

施工过程典型截面腹板剪应力变化见图5。A～C截面最大剪应力分别为19.80、42.45、22.28 MPa，腹板在悬臂施工节段随着下一节段混凝土浇筑，剪应力增加，在顶板预应力张拉后，剪应力减小，但剪应力随悬臂段的伸长仍呈增加趋势，体外束张拉后剪应力迅速减小，二期恒载施加后剪应力增大。在施工全过程中，腹板剪应力远小于设计值170 MPa，符合设计规范的要求[13]。

图5 施工阶段腹板剪应力

5.2 施工阶段挠度分析

施工过程中的典型截面挠度变化见图6。A～C截面挠度最大值分别为8.0、15.2、38.7 mm，预应力的张拉使得梁段有一定上拱值，上拱程度随悬臂伸长越来越小。下一节段混凝土浇筑后又出现大幅下挠，各截面挠度变化值分别为4.5、8.5、23.4 mm，离墩顶越远的截面挠度变化越明显，自重效应逐渐大于预应力效应，悬臂端的不断伸长使得截面累计挠度不断增加。最大悬臂状态下，9节段端部截面累计最大挠度为54.8 mm。

图6 施工阶段挠度

6 成桥阶段分析

6.1 应力分析

6.1.1 混凝土应力

成桥状态顶、底板混凝土应力变化见图7。混凝土均处于受压状态，底板压应力从墩顶向两侧逐渐增加(边跨现浇段除外)，最大值为15.2 MPa，位于边跨9＃节段，顶板压应力从墩顶向两侧逐渐减小，最大值为15.3 MPa，位于墩顶1＃节段，顶底板混凝土压应力均小于设计值25.3 MPa。

图7 成桥状态下主梁顶底板应力

6.1.2 腹板剪应力

成桥状态下波形腹板剪应力变化见图8。剪应力最大值为102.6 MPa，位于靠近2号墩中跨第5节段前端截面。全桥波形腹板抗剪强度均小于设计值170 MPa，腹板剪应力在墩顶附近节段变化比较缓慢，靠近合龙段腹板剪应力迅速减小。

图8 成桥状态下腹板应力

6.2 挠度分析

成桥状态主梁挠度由墩顶向两边跨中逐渐增大，在第9节段前端挠度达到最大值81.5 mm，挠度最大值小于设计规范限值L/600(175 mm)[14]。

7 结束语

(1)异步悬臂浇筑施工利用波形腹板钢梁作为主要承重构件，挂篮直接在腹板上行走，施工作业面扩大为3个，且可同时作业互不干扰，简化了施工流程，加快了施工进度，提高了施工效率。

(2)异步悬臂施工挂篮系统结构简洁，重量大幅减轻，减少材料消耗，降低对环境的影响，符合可持续发展理念。

(3)施工过程中，在自重和预应力效应的共同作用下，主梁的应力、挠度呈规律性变化，无论是施工阶段还是成桥状态，主梁应力、变形安全性满足规范要求。