徒骇河大桥全桥力学性能及受力差异性分析

0. 引言

波形钢腹板箱梁将传统混凝土箱梁桥的腹板替代为质量更轻、强度与刚度更大的波形钢腹板 , 不仅保留了传统箱梁的各种优点 ,同时遵循桥梁设计的原则，在安全、适用、经济、美观 ⁴ 个方面进行了相应改善。 例如提高抗震性 , 充分发挥材料性能 , 改善无混凝土腹板的一系列耐久性问题 , 减少总造价和工期 , 具有更美的视觉感受。 随着社会和经济的不断发展和对交通舒适性和安全性需求的不断提高 , 波形钢腹板桥逐渐向大跨径、宽幅化的趋势发展。近 5 年内新建成的波形钢腹板桥以连续箱梁桥为主 , 其主跨范围为120~188 m, 宽度范围为 13～33m ,。 其广泛应用的同时也有许多亟待解决的工程结构问题随之而来。

国内外学者对波形钢腹板桥的各项性能进行了大量研究 , 主要集中在抗剪性能、承载能力、参数设计、施工方案、计算方法和受力性能等方面。刘旭政深入研究了波形钢腹板桥的横向受力分布宽度; Zhang 采用 Zig-Zag 变形理论推导出一种适用于波形钢腹板组合桥的新型研究方法 , 可准确预测其变形和应力情况 ; Motlagh 对预应力波形钢腹板组合梁桥的长期性能进行了研究并修正了现有的研究模型。

波形钢腹板的空间定位需同时满足平面线形与竖向标高的双重控制要求，其三维坐标偏差需控制在 ±1.5mm 的严苛范围内。施工过程中，日照温差引起的钢腹板热胀冷缩效应会导致日间累计变形达 3-5mm ，为此需开发基于 BIM 模型的动态补偿算法，在凌晨特定温度窗口进行最终定位锁定。针对大悬臂状态下的挂篮弹性变形，还需在钢腹板吊装前通过液压伺服系统预施反向位移，抵消后续混凝土浇筑引起的 2-3mm 下垂量。这些精度控制措施的实施需要测量团队配备 0.5^′′ ″级全站仪和三维激光跟踪仪，并建立每 2 小时一次的周期性复核机制。

1. 工程概况

K26+203.8 徒 骇 河 特 大 桥， 桥 梁 起 点 桩 号 为 K25+670.3，终点桩号为 K26+737.3，桥梁全长为 1067.0m ，桥跨径组成为13×30+75+130+75+13×30m ，桥面净宽 11.75m 。在0、29 号桥台及3、6、9、20、23、26 号桥墩设置 80 型模数式伸缩缝，13、16 号桥墩设置 240 型模数式伸缩缝，其他处均为桥面连续。上部结构主桥采用波纹钢腹板悬浇连续梁，引桥采用预应力砼 ( 后张 ) 简支 T 梁，桥面连续；下部结构桥台采用肋板台、桩基础，主桥桥墩和过渡墩均采用墙式墩、群桩基础，引桥采用柱式墩、桩基础。

2. 徒骇河特大桥全桥仿真分析

徒骇河特大桥属于大跨长联的波形钢腹板连续箱梁桥，最大跨径为 130m ，单联长为 1067.0m 。徒骇河特大桥主桥采用同步异位施工，钢腹板先行受力会使得钢腹板会承受大量荷载，尤其关注钢腹板在施工过程中的强度、刚度和稳定性问题。此外，大桥在施工中的内力和线形状态不断发生变化。同时，由于各种因素的影响，施工现状和设计假定存在差别。为确保桥梁的安全以及按照设计预期进行施工，有必要对大桥进行施工仿真分析。

2.1 应力分析

（1）整个施工过程中主梁截面边缘混凝土的最大纵向正应力。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定预应力构件在施工阶段截面边缘混凝土的最大压应力应小于 0.70 fck’＝0.70×35.5=24.85MP a，而模型计算值为 15.59 MPa，出现在顶板上缘；最大拉应力应小于 0.70f_tk=0.70×2.74=1.918MPa ，而模型计算值为 1.10MPa ，出现在顶板上缘。因此，施工阶段的主梁正应力满足规范要求。整个施工过程主梁最大纵向正应力如图 1 所示。

图 1 梁单元应力图

(2) 部分工况主梁应力分析。选最大悬臂状态和成桥状态做主梁应力分析。桥梁在悬臂施工阶段，根部截面的应力始终很大，为主梁应力最不利截面。合龙后，截面应力分布更趋于均匀，跨中截面为应力最不利截面。因此，主梁根部截面和跨中截面为应力的重点观测截面。

2.2 位移分析

施工阶段主梁最大位移。在整个施工阶段中主梁最大变形图所示。 其中主梁的最大上拱值为 83.0mm ，发生在次边跨的跨中位置。最大下挠值为 83.0mm ，发生在边跨的合龙位置。

2.3 施工控制影响参数

对于波形钢腹板连续箱梁桥而言，对其施工过程产生影响的主要设计参数有以下几个方面。

(1) 结构的几何参数

结构的几何参数主要有：桥梁结构跨径、钢腹板的无应力长度等。

(2) 截面特征参数

截面的主要特征参数主要包括：主梁截面的截面面积及抗弯惯性矩等。

(3) 材料参数

材料的特性参数主要是指材料的弹性模量 E、剪切模量 G 及泊松比等。对于超静定结构来讲，材料的弹性模量、剪切模量对结构分析结构影响更大。

(4) 温度参数

在进行主梁线形测量时，都要对温度进行测量，以便于实际得到的实测数据与理论数据进行对比，进行温度方面的影响修正。

2.4 结构自重的影响

梁段自重主要包括钢筋混凝土及波形钢腹板，其中波形钢腹板误差较小， 而钢筋混凝土受配合比、截面尺寸及施工过程管理影响，变化可能性较大。

本文采用改变混凝土容重的方式来实现梁段自重的变化，分别使所研究梁段在设计标准容重（25 kN/m³ ）的基础上变化 -10% ， -5% ，+5% ， +10% ，其他设计参数维持不变，分析主梁挠度、应力变化情况。反映在工程实际情况主要为混凝土浇筑的超方及欠方导致的自重变化。

结论

基于 Midas Civil2022 有限元软件建立了波形钢腹板箱梁桥全桥有限元整体模型。研究了桥梁的左右幅箱梁、横肋在不同工况下的位移及受力状况。具体结论如下：

(1) 通过有限元结果分析及实桥验证, 发现在施工的动态变化过程中钢 - 混结合段的混凝土影响了附近腹板的纵向应力增量变化规律, 使得中腹板的增量大于边腹板, 而越远离钢- 混结合段, 腹板纵向应力增量越清晰地呈现出高腹板增量最大 , 其次是低腹板 , 最后是中腹板。

(2) 本研究依托钢腹板箱梁桥 , 采用不等高腹板来实现横向 2% 坡度时, 对应的各施工状态下纵向弯矩偏安全的最大横向分配比例、截面剪力分配及腹板纵向应力分配情况 , 为相同结构桥梁施工和成桥状态下的安全监控及动态考量提供重要参考。

作者简介：张思博，1994.12，男，汉族，吉林长春，本科，学士，工程师，土木工程。

参考文献：

[1] 王超. 变截面波形钢腹板组合梁桥剪切性能试验研究. 南京 : 东南大学 , 2016.

[2] 李运生, 李孟彪, 王亚萍, 等. 钢- 混凝土波形钢腹板组合梁弯扭性能研究 [J]. 河北科技大学学报 , 2022,43 (1): 99-109.