顶推施工中波形钢腹板PC组合梁预应力效应分析

高富龙，成　锋，韩亚军

（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组合梁预应力效应分析

高富龙1，成锋2，韩亚军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）

施加了预应力的波形钢腹板PC组合梁在桥梁顶推施工过程中，预应力钢束的实际应力在不断发生变化，为了详细了解预应力在箱梁顶推过程中的变化情况，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，计算了顶推施工过程中每根预应力钢束的具体应力变化情况及对混凝土顶底板应力变化情况。

顶推施工；波形钢腹板；组合梁；预应力

0　引言

波形钢腹板预应力（PC）组合梁桥使用波折形状薄壁钢板来代替传统混凝土箱梁桥的混凝土腹板，从而使其具有降低结构自重，提高顶底板预应力效率，降低顶底板混凝土受徐变、干燥收缩的影响等诸多优势［1］。目前波形刚腹板组合梁桥的施工方法有支架施工法、悬臂施工法和顶推施工法［2］。根据对国内外已建成的波形钢腹板桥梁的统计，发现绝大多数都是采用支架施工和悬臂施工，采用顶推施工的实例较少［3］，国外有日本的岛崎川桥［4］，国内有郑州市陇海路快速通道和吉安市深圳大桥［5］。采用顶推法施工的波形钢腹板组合梁在顶推过程中混凝土顶底板会发生拉压应力的交替变化［6］，需要通过配置额外的临时体外预应力束来保证结构安全。同时考虑到成桥状态混凝土的拉应力水平和结构的整体变形情况，需要布置永久体内和体外预应力束。随着顶推过程的进行，混凝土桥面板的应力、体内体外预应力钢束的应力以及临时体外预应力束的应力都在不断变化，上述构件应力的变化情况如何，是否会改变整个结构的受力安全性尚需具体研究。本文以陇海路快速通道为工程背景，对其进行板壳实体有限元建模，分析了顶推过程中预应力钢束和混凝土顶底板的应力变化情况。

1　工程概况

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+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，截面尺寸如图1所示。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厚采用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。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大跨度波形钢腹板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，如图2所示，本文中取YU01联进行建模计算；梁体预制台座和临时墩设在联端两跨内；梁体分导梁段、顶推段和现浇段三种类型。

图1　箱梁截面尺寸

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，张拉控制应力1 150 MPa（含损失）。

图2　主线高架立面图

图3　预应力布置形式

2　顶推施工过程计算分析

2.1有限元模型的建立

使用有限元程序ANSYS对全桥进行建模，在有限元模型中，混凝土采用Solid65单元模拟，钢板采用Shell43单元模拟，预应力钢筋采用Link8单元模拟，有限元模型如图4所示。

材料属性如下：钢材采用Q345qC，容重为78.5 kN/m3，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3；混凝土标号为C60，容重为26 kN/m3，弹性模量3.6×104MPa，泊松比为0.2；预应力钢绞线弹性模量为1.95×105MPa。

由于是对施工阶段进行分析，所以计算中荷载效应只考虑自重和预应力。

2.2顶推工况划分

由于桥梁标准顶推跨径相同，这里仅选择一个标准顶推节段进行分析研究。将导梁从YP6墩顶推至YP7墩的过程细分为五个工况，如图5所示。工况2和工况3梁段的位置相同，工况2模拟最大悬臂状态，工况3模拟导梁上墩的状态。

2.3混凝土顶底板应力

背景工程组合梁中共有三种类型的预应力钢筋：体内预应力束、永久体外预应力束和临时体外预应力束，为了充分了解三种预应力钢束在顶推过程中对混凝土的作用效应，分别计算了只张拉全部体内预应力钢束；张拉全部体内预应力钢束和两根体外永久预应力钢束；张拉全部体内预应力钢束、两根体外永久预应力钢束和两根体外临时预应力钢束三种情况下混凝土的应力，下文中分别以无体外束、永久体外束和临时体外束指代这三种情况。

图4　有限元模型

图5　顶推工况

提取五个顶推工况中图1所示混凝土顶板2位置和底板2位置的混凝土纵桥向应力，如图6所示，图6中坐标0位置在图5中梁段的最左端（远离导梁的一端）。从图中可以看出，三种情况中大部分混凝土顶板都处于受压的状态，只有支点附近位置的顶板承受拉应力，但拉应力均在4 MPa以下，最大压应力在工况5下41.4 m位置（第四、第五跨之间的支点位置），压应力为-11 MPa。大部分混凝土底板也处于受压状态，在部分跨中位置会产生拉应力，拉应力值在5 MPa以下，最大压应力在工况1下214.0 m位置（导梁根部位置），压应力为-35.7 MPa，由于此处有很多为加强导梁段部受力的临时体内预应力，导致该处底板应力存在应力集中，结果有失真。

将顶推过程各工况混凝土顶板支点位置和混凝土底板跨中位置的纵桥向应力提取并列于表1和表2。可以看出张拉永久体外预应力，各墩顶混凝土顶板应力平均下降1 MPa，各跨中混凝土底板应力平均下降1.3 MPa，此时在工况1和工况4时混凝土顶底板仍存在较大拉应力，顶板最大拉应力出现在工况1时YP4墩顶截面，达到3.35 MPa，底板最大拉应力出现在工况1第三跨跨中截面，为2.97 MPa。

继续张拉临时体外预应力，各墩顶混凝土顶板应力平均下降1 MPa，各跨中混凝土底板应力平均下降1.2 MPa，混凝土顶板在各个工况中的最大拉应力为1.32 MPa，底板相应的最大拉应力为1.22 MPa。

由上述分析可以看出，顶推过程中，如果只张拉体内束，混凝土顶板在墩顶位置、混凝土底板在跨中位置会出现较大拉应力，随着永久体外束和临时体外束的张拉，拉应力的大小逐渐降低，绝大多数位置拉应力最终降至1.3 MPa以下或转变为压应力，可见体外预应力对于改善顶推过程中混凝土的受力性能有较为显著的效果。

2.4预应力钢筋应力

在顶推过程中预应力钢筋的应力在不断发生变化，分别提取了顶推过程五个工况中顶板束、底板束、永久体外束和临时体外束的最大应力，列于表3，最大应力一定程度上可以反映此种类型的预应力钢束的应力水平。

表1　顶推过程中顶板混凝土支点位置应力　MPa

表2　顶推过程中底板混凝土跨中位置应力　MPa

从表3可以看出顶板束和底板束应力最大的位置均在与导梁连接处，在工况5时，此位置到达跨中，此处底板束应力增加到1 415.5 MPa，较张拉控制应力增加8.72%；在工况2时，此位置经过墩顶，这时是最大悬臂状态，此处顶板束应力达到1364.6 MPa，较张拉控制应力增加4.76%。顶推过程中体外束的应力均比张拉控制应力小，在工况1时，最大应力为1 125.8 MPa，较张拉控制应力减小2.10%；工况4时，永久体外束最大应力1 124.4 MPa，较张拉控制应力减小2.23%，临时体外束最大应力1 122.4 MPa，较张拉控制应力减小2.40%。

表3　顶推过程中预应力钢束最大应力

从上述分析可以看出，顶推过程中体内预应力束的应力变化范围相对较大，底板束达到8.72%，顶板束达到4.76%。体外预应力束应力均较张拉控制应力减小，且变化幅度相对较小，均在2.5%以内。

3　结语

通过对陇海路快速通道波形钢腹板组合梁顶推施工过程进行有限元建模分析，分析其在顶推施工过程中混凝土顶底板和预应力钢束的受力性能，得到主要结论如下:

（1）对于混凝土顶底板，顶推过程中，如果只张拉体内束，混凝土顶板在墩顶位置、混凝土底板在跨中位置会出现较大拉应力，随着永久体外束和临时体外束的张拉，拉应力的大小逐渐降低，绝大多数位置拉应力最终降至1.3 MPa以下或转变为压应力，可见体外预应力对于改善顶推过程中混凝土的受力性能有较为显著的效果。

（2）对于预应力钢束，顶推过程中体内预应力束的应力变化范围相对较大，底板束达到8.72%，顶板束达到4.76%。体外预应力束应力均较张拉控制应力减小，且变化幅度相对较小，均在2.5%以内。

［1］刘玉擎.组合结构桥梁［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］陆士平，畅永福.波形钢腹板预应力混凝土箱梁施工技术［J］.公路交通科技（应用技术版），2013，03:186-190.

［3］窦勇芝，廖君，孙长军，等.ZLD自动连续顶推系统在波形钢腹板PC组合梁桥施工中应用［J］.预应力技术，2015，03:22-28+36.

［4］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，2010，07:118-120.

［5］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，2015，07:129-131.

［6］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，2012，01:37-40.

U445.462

B

1009-7716（2016）06-0216-05

2016-03-02

高富龙（1962-），男，山东沂水人，硕士，教授级高级工程师，从事道路交通与桥梁设计工作。