湿接缝滞后浇筑施工的叠合梁斜拉桥桥面板剪力滞效应研究

玉新华，王荣辉，甄晓霞，蒋志豪

(1.广西交科集团有限公司,南宁 530007; 2.华南理工大学土木与交通学院,广州 510640)

引言

叠合梁斜拉桥桥面板处于压弯共同作用下,混凝土桥面板宽而薄,剪力滞效应显著且桥面板应力分布规律难以分析。国内外研究学者开展了叠合梁斜拉桥桥面板的剪力滞效应相关研究,谢泽福[1]对双工字钢叠合梁斜拉桥桥面板湿接缝浇筑前、后叠合梁桥面板剪力滞效应进行有限元分析,指出压弯荷载共同作用下桥塔区域梁段剪力滞效应显著;胡俊[2]根据实际施工工序,模拟分析恒载作用下叠合梁在悬臂施工阶段、成桥阶段、收缩徐变十年状态下的桥面板应力变化情况,指出施工阶段剪力滞效应较成桥阶段更为显著;郭飞[3]研究分析桥面板自重、斜拉索张拉力及二期恒载作用下,叠合梁桥面板剪力滞效应及其施工过程变化规律,提出悬臂施工阶段剪力滞效应较成桥阶段更值得关注。

叠合梁斜拉桥悬臂施工时,将单节段浇筑并养护湿接缝的悬臂施工方案优化为湿接缝滞后浇筑的施工方案,可大幅缩短工时[4]。叠合梁斜拉桥通过现浇湿接缝使预制桥面板与钢梁形成共同工作的整体,随之带来了龄期不同的混凝土收缩、徐变对叠合梁性能产生影响的复杂问题。HUANG D W[5]对考虑混凝土时随效应的叠合梁斜拉桥桥面板剪力滞效应进行试验研究,分析指出,随着时间推移混凝土收缩徐变会使桥面板压应力减小,甚至发展成拉应力;FANG Y[6]研究混凝土收缩徐变对叠合梁长期荷载性能的影响,指出混凝土桥面板与混凝土接缝龄期不同时,混凝土收缩徐变效应导致叠合梁混凝土面板抗裂性下降;HAN C X[7]基于徐变力学和有限元法对叠合梁长期荷载性能进行研究分析,指出混凝土收缩徐变效应使混凝土板内力重分布,导致其压应力储备下降;WANG G M[8]研究混凝土收缩徐变效应对连续组合梁桥内力的影响进行研究分析,指出在混凝土早期龄期的1～10 d内,混凝土板应力显著变化。

基于以上研究分析,依托一座双塔双索面叠合梁斜拉桥工程实例,采用有限元法对湿接缝滞后浇筑施工的叠合梁斜拉桥桥面板剪力滞效应进行研究。叠合梁斜拉桥施工方案(主要考虑斜拉索张拉时机)的不同会使混凝土收缩徐变对桥面板剪力滞效应产生不同影响。基于混凝土收缩徐变对叠合梁斜拉桥桥面板剪力滞效应影响研究,给出优化施工方案(斜拉索第二次张拉合理时机),计算得到施工方案优化前、后桥面板的剪力滞系数及有效宽度系数,并进行对比,为考虑剪力滞效应的叠合梁斜拉桥桥面板设计提供理论依据。

1 工程概况

洛溪大桥拓宽工程两幅新桥均为全长570 m双塔双索面叠合梁斜拉桥,跨径布置为(30+95+305+110+30) m。斜拉桥主梁采用剪力钉与混凝土桥面板结合而成的双边箱叠合梁,其组合为:0.5 m防撞墙+11.5 m车行道(0.5 m路缘带+3×3.5 m车行道+0.5 m路缘带)+2.5 m人行道=14.5 m。主梁采用双边箱形钢-混凝土叠合梁结构形式,设置单向1.5%横坡;预制桥面板厚度为25 cm,横截面中部位置设有一道小纵梁;斜拉索标准索距12 m;桥面宽15 m,纵向标准梁段长12 m。单幅斜拉桥总体布置如图1所示,叠合梁横断面如图2所示。

图1 洛溪大桥总体布置(单位:m)

2 叠合梁斜拉桥有限元模型建立

针对湿接缝滞后浇筑施工的叠合梁斜拉桥,选取图1所示斜拉桥中跨S1～S6节段最大双悬臂施工阶段进行剪力滞效应研究,即钢梁、桥面板安装完成后,且该节段斜拉索完成初次、二次张拉后进行湿接缝浇筑养护施工。建立局部分析模型,研究湿接缝滞后浇筑施工的叠合梁斜拉桥桥面板的剪力滞效应,如图3所示。

图3 叠合梁斜拉桥局部模型

为真实模拟叠合梁混凝土桥面板与钢梁顶底板的应力分布规律,局部模型混凝土板、钢箱梁顶、底板均采用实体单元SOLID 45模拟。叠合梁钢箱梁腹板的厚度尺寸远小于截面长度与宽度,可采用SHELL 181壳体单元进行钢箱梁腹板模拟。研究分析时,假定叠合梁混凝土桥面板与钢箱梁紧密结合,不发生相对滑移;在钢箱梁顶、底板对应的节点上设置TARGE 170目标单元,然后于腹板顶、底部设置CONTA 175接触单元,利用SHSD命令建立接触对,以此实现具有不同节点自由度的两种单元的连接,保证了局部模型的准确性。

对局部模型边界条件模拟时,塔根附近梁段设置有临时支架,故在该梁段的箱梁底部施加固结约束模拟。为施加弯矩、扭矩等力边界条件于塔根截面实体单元,用刚域连接全部节点;考虑局部模型具有平动及转动位移边界条件,将刚域导向节点位置设在叠合梁形心位置处,采用刚域命令CERIG连接所有塔根截面节点、施加位移及力边界条件。

同时进行如下近似处理:①不考虑叠合梁叠合面的滑移效应,即叠合梁双边箱梁、横梁及小纵梁与混凝土桥面板间不发生相对滑移效应;②将连接叠合梁钢梁与混凝土桥面板的剪力钉模型进行简化,双边钢箱梁顶板与混凝土桥面板用共节点的方式模拟处理,横梁及小纵梁与混凝土桥面板连接建立接触对模拟;③实际施工过程中,叠合梁斜拉桥双悬臂施工基本处于对称状态,所以仅建立跨中1/2跨模型进行简化计算,并在局部模型施加力、位移边界条件;④由于斜拉索空间位置的局限,将拉索索力以水平轴向分力与竖向分力施加于钢锚箱对应腹板位置处。

3 叠合梁斜拉桥混凝土收缩徐变本构关系及其实现

3.1 叠合梁斜拉桥混凝土收缩徐变本构关系

在未考虑混凝土收缩徐变效应时,叠合梁斜拉桥混凝土桥面板的混凝土弹性模量为常数,保证了瞬时加载计算时应力-应变的线性关系,也称为叠合梁的短期荷载性能。考虑混凝土收缩徐变效应时,叠合梁的长期荷载性能与加载时间有关,且随着时间历程增加,混凝土徐变变形在总变形不变的原则下逐渐取代弹性变形占据主导,使弹性变形降低的同时引起应力减小,混凝土的本构关系与徐变的特性有关。因此,合理确定混凝土收缩徐变本构关系对湿接缝滞后浇筑施工的叠合梁斜拉桥桥面板的剪力滞效应研究至关重要。叠合梁斜拉桥收缩徐变效应问题较为复杂,通过有限元法计算收缩徐变对叠合梁斜拉桥桥面板剪力滞效应影响。结合学者对混凝土收缩徐变效应的研究[9-12],采用有限元软件ANSYS给出的第11号隐式蠕变方程模拟混凝土收缩徐变本构关系,如式(1)所示。

(1)

式中,εcr为徐变应变;εsh为收缩应变;C1～C7为方程的常系数;σ为t时刻混凝土应力;T为t时刻环境温度。式(1)右边第1项为徐变应变,第2项为收缩应变。

考虑混凝土的徐变与时间有关,且混凝土的应力与徐变应变速率成线性关系,则取C2=1;计算中考虑应变强化准则,其假定徐变应变速率取决于材料中应变,取C3=0;同时由于在计算徐变系数时已考虑温度的影响,取C4=0。

最终可以得到同时考虑收缩徐变的蠕变方程为

εcr=C1σt+C5t

(2)

式(2)中C1与C5可以通过JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[13]附录C,求解t时刻的徐变系数与收缩应变后求得,C1及C5与时间t有关。

3.2 叠合梁斜拉桥混凝土收缩徐变的实现

在有限元软件ANSYS中,混凝土收缩徐变的实现流程表述为:通过ANSYS建立有限元模型并施加对应的斜拉索索力及外荷载,同时施加力与位移边界条件进行弹性阶段应力求解;在分析混凝土收缩徐变时先计算隐式蠕变方程常系数C1与C5及相应计算时间t,然后通过单元重启动技术将龄期不同的混凝土单元材料属性进行改变;通过分析计算时长是否达到收缩徐变需要的计算时长上限来判断是否进入后处理,从而进行剪力滞效应分析研究,如图4所示。

图4 ANSYS软件实现收缩徐变流程

4 叠合梁斜拉桥桥面板剪力滞效应研究

4.1 湿接缝滞后浇筑的桥面板剪力滞效应研究

由图4所述流程,对考虑不同龄期混凝土收缩徐变湿接缝滞后浇筑施工的桥面板剪力滞效应研究时,先求解得到弹性阶段解,然后在此基础上求解收缩徐变对剪力滞效应的影响。因此,先对弹性阶段叠合梁斜拉桥桥面板剪力滞效应的求解进行阐述。

叠合梁斜拉桥每一个标准节段的叠合梁施工流程通常可表述为:架设双边钢箱梁—安装横梁、小纵梁与斜拉索—斜拉索第一次张拉—安装桥面板—斜拉索第二次张拉—吊机前移—湿接缝浇筑养护。对叠合梁斜拉桥的悬臂施工方案进一步优化,由较耗费工时的单节段施工完毕后浇筑一次湿接缝,改为可将工期缩短的双节段施工完毕后浇筑一次湿接缝,称其为湿接缝滞后两节段浇筑悬臂施工,采用此施工方案可使较为耗时的湿接缝浇筑养护时间大幅缩短。

湿接缝滞后浇筑施工的叠合梁斜拉桥在最大双悬臂阶段施工时,悬臂最前端梁段未浇筑湿接缝,桥面板尚未由静定状态转变为超静定状态,故仅将桥面板荷载加载于未浇筑湿接缝的叠合梁钢梁上,即在局部模型模拟时仅将桥面板作为竖向荷载加载于对应位置的梁段上,以真实模拟湿接缝未浇筑前的情况。作为施工时梁段与桥面板等施工部件与施工临时荷载吊装、运输作用的桥面吊机,考虑其前支点与后支点站位后将其荷载施加于对应位置上。斜拉索索力加载于局部模型的位置对于叠合梁斜拉桥的剪力滞效应研究十分重要;考虑斜拉索锚固于钢锚箱的空间位置,将斜拉索索力在局部模型中以斜拉索的水平与竖向分力加载于对应钢梁的腹板位置上。综上所述,局部模型加载后情况如图5所示。

图5 叠合梁斜拉桥局部模型加载示意

利用有限元软件ANSYS可计算得到桥面板沿叠合梁横向的应力计算值,结合局部模型有限元解与初等梁理论解可以得出剪力滞系数,叠合梁斜拉桥剪力滞系数可表示为叠合梁斜拉桥考虑剪力滞效应计算得到的有限元应力解与初等梁理论解的比值[14]

(3)

一般情况下,剪力滞系数总是≥1,产生正剪力滞效应;但由于外荷载作用方式与边界条件的改变,有限元得到的应力解小于初等梁理论解,此时,剪力滞系数<1,产生负剪力滞效应。

在有限元应力解计算结果提取时,主要关注湿接缝滞后浇筑施工中斜拉索锚固截面与斜拉索中间截面混凝土桥面板的正应力分布规律,因此,分别选取已完成湿接缝浇筑形成整体工作状态的12 m叠合梁节段的斜拉索锚固截面(x=5 000,17 000,29 000,41 000,53 000 mm)、斜拉索中间截面(x=9 000,21 000,33 000,45 000,57 000 mm),对斜拉索锚固截面与斜拉索中间截面的应力解进行剪力滞效应分析。

4.2 考虑收缩徐变影响的湿接缝滞后浇筑桥面板剪力滞效应研究

通过4.1节分析可以得到叠合梁斜拉桥混凝土桥面板在弹性阶段剪力滞效应研究方法。湿接缝滞后浇筑施工工序优化后,必然会使原本较为简单的线弹性问题转变为复杂的非线性问题。主要原因是,湿接缝滞后浇筑时需考虑混凝土收缩徐变对叠合梁长期荷载性能的影响,混凝土收缩徐变本构关系并非简单的线性关系,且混凝土龄期差异使得混凝土收缩徐变问题复杂化。

考虑混凝土收缩徐变对叠合梁桥面板剪力滞效应影响时,湿接缝对应于局部有限元模型的位置为每一标准节段叠合梁混凝土桥面板对应于横梁顶板及双边箱梁顶板。分析该位置混凝土单元的收缩徐变可表征湿接缝滞后浇筑施工时新龄期混凝土收缩徐变对桥面板剪力滞效应的影响。图6所示为考虑湿接缝滞后两次浇筑混凝土收缩徐变时,选取湿接缝浇筑后每一节段的混凝土单元(共6个标准节段,选取5段混凝土单元)。

图6 考虑收缩徐变效应时选取的混凝土单元

研究混凝土收缩徐变对叠合梁剪力滞效应影响时,考虑湿接缝养护期结束第7天叠合梁桥面板的剪力滞效应,通过计算可以得到剪力滞系数沿双边箱叠合梁桥面板横向位置分布的规律。

研究最大双悬臂阶段(架设至MB6号梁段)湿接缝滞后两次浇筑施工混凝土收缩徐变对叠合梁桥面板剪力滞效应的影响,原施工方案简述为:架设MB6号梁段钢梁—初次张拉S6号斜拉索—安装MB6号梁段混凝土桥面板—第二次S6号张拉斜拉索—吊机前移至MB6号梁段前端—浇筑MB4与MB5号梁段湿接缝并养护。具体施工方案及所需时间如表1所示。

4.3 湿接缝滞后浇筑的叠合梁斜拉桥优化方案

叠合梁斜拉桥悬臂施工时,可通过斜拉索的几次张拉力来控制桥面标高与主梁应力。湿接缝滞后浇筑施工的叠合梁斜拉桥,合理地拟定施工方案可使其桥面板的剪力滞效应得到控制,混凝土桥面板抗裂性得到保证。对比表1所述的施工方案,给出表2所示的另一施工方案,该方案将斜拉索第二次张拉时机变更至4、5号梁段湿接缝浇筑并养护之后。

表2 湿接缝滞后两节段浇筑的优化施工方案

综上所述,分别对采用表1与表2所述施工方案的桥面板剪力滞效应进行研究,计算得到叠合梁斜拉桥施工过程桥面板斜拉索锚固截面、斜拉索中间截面的剪力滞系数沿截面横向分布规律,分别如图7、图8所示。

图7 施工方案优化后斜拉索锚固截面剪力滞系数对比

图7为优化方案优化前、后斜拉索锚固截面剪力滞系数沿截面横向位置分布对比。由图7(a)～图7(e)剪力滞系数变化规律可知,斜拉索第二次张拉时机对混凝土桥面板斜拉索锚固截面剪力滞效应产生影响。对比图7中原方案与优化方案可知,在湿接缝浇筑养护后第二次张拉悬臂最前端S6号斜拉索可使剪力滞系数沿斜拉桥纵向提高,S1号斜拉索锚固截面剪力滞系数提升幅度较大,提升约47%,而S2～S4号斜拉索锚固截面提升幅度分别为18%、13%、11%;S6号斜拉索进行张拉,使得S5号斜拉索锚固截面剪力滞系数略有下降,约为13%。

由图7(e)可知,虽然S6号斜拉索第二次张拉会使S5号斜拉索锚固截面产生一定程度的负剪力滞效应,但S1～S5号斜拉索锚固截面剪力滞系数均得到提高,减缓了斜拉索锚固截面混凝土收缩徐变导致的负剪力滞效应。由以上分析可知:虽然张拉悬臂前端斜拉索会使附近一两个节段的剪力滞系数有轻微下降,但是较大程度地减缓了塔根附近斜拉索锚固截面的负剪力滞效应。

与斜拉索锚固截面剪力滞系数沿截面横向位置分布规律相似,在优化湿接缝滞后浇筑施工的斜拉索张拉时机后,图8(a)、图8(b)所示的斜拉索中间截面剪力滞系数得到一定程度提高,提升幅度为8%～15%,表明将悬臂前端S6号斜拉索第二次张拉时机调整至湿接缝浇筑与养护完成后,对斜拉索中间截面的剪力滞效应也产生一定程度的有利影响。

综上所述,湿接缝滞后浇筑两节段施工,由于混凝土收缩徐变的影响,叠合梁桥面板产生一定程度的负剪力滞效应,但经过合理地调整斜拉索第二次张拉这一关键施工工序,将其调整至湿接缝浇筑并养护完成后,可使混凝土收缩徐变影响下叠合梁混凝土桥面板产生的负剪力滞效应得到一定程度缓解。

4.4 湿接缝滞后浇筑各方案对应的桥面板有效宽度计算

对叠合梁斜拉桥混凝土桥面板有效宽度计算时,当前国内外规范并未对压弯共同作用下叠合梁斜拉桥混凝土桥面板的有效宽度进行规定[15-19],因此,引入桥面板有效宽度与截面宽度之比的有效宽度系数ρ概念进行分析[20]

(4)

式中,beff为叠合梁混凝土桥面板的有效宽度;b为叠合梁混凝土桥面板实际宽度。

同时,对于混凝土板的有效宽度为

(5)

式中,t为混凝土桥面板厚度;beff为混凝土桥面板的有效宽度;σc为混凝土桥面板正应力;σmax为混凝土桥面板最大正应力。

对叠合梁斜拉桥混凝土桥面板有效宽度进行研究时,通常利用式(5)对混凝土板横向应力分布进行二次、三次曲线拟合,对拟合得到的曲线进行定积分求解计算,然后除以桥面板横向最大应力即可得到混凝土板的有效宽度[21]。综上,计算得到优化施工方案前、后叠合梁斜拉桥混凝土桥面板有效宽度系数。对原施工方案(斜拉索第二次张拉时机为湿接缝浇筑养护前)与优化方案的有效宽度系数进行对比分析,如图9所示。

图9 叠合梁斜拉桥混凝土桥面板有效宽度系数

由图9可知,混凝土收缩徐变使叠合梁斜拉桥桥面板有效宽度系数有一定程度下降,悬臂前端MB5与MB6梁段下降较为严重,最大下降幅度为15%。同时,叠合梁在湿接缝滞后浇筑施工时,混凝土桥面板由于收缩徐变效应出现桥面板有效宽度系数下降的情况。优化斜拉索张拉顺序施工方案,即通过调整悬臂前端梁段的斜拉索第二次张拉时机可以提高桥面有效宽度系数,最大提升幅度可达到19%(x=41 000 mm,S5号斜拉索锚固截面位置)。

综上所述,混凝土收缩徐变对桥面板有效宽度系数的影响不容忽视,优化斜拉索张拉顺序施工方案(湿接缝浇筑并养护完成后第二次张拉悬臂前端斜拉索)可使不同龄期混凝土收缩徐变造成有效宽度系数下降的影响降低。

5 结论

以湿接缝滞后浇筑的叠合梁斜拉桥桥面板为研究对象,采用有限元法对不同龄期混凝土收缩徐变效应影响下,叠合梁斜拉桥施工过程桥面板剪力滞效应进行分析。此外,基于叠合梁斜拉桥湿接缝滞后浇筑的施工方案进行剪力滞效应优化研究,主要结论如下。

(1) 混凝土收缩徐变会使叠合梁混凝土桥面板的斜拉索锚固与中间截面剪力滞系数沿截面横向呈下降趋势,对叠合梁混凝土桥面板的抗裂性产生不利影响。

(2) 叠合梁斜拉桥湿接缝滞后浇筑施工过程中,预制桥面板与现浇湿接缝龄期不同,使收缩徐变问题复杂化。对斜拉索张拉顺序方案进行优化,将斜拉索第二次张拉时机调整至湿接缝浇筑并养护完成后,可使混凝土收缩徐变对桥面板剪力滞效应的不利影响降低,一定程度缓解负剪力滞效应。

(3) 通过合理地拟定湿接缝滞后浇筑施工方案的斜拉索第二次张拉时机(即湿接缝浇筑养护完成后再进行悬臂前端斜拉索第二次张拉),可使不同龄期混凝土收缩徐变对桥面板有效宽度系数的不利影响降低,优化方案可以使得混凝土桥面板有效宽度系数最高提升19%。