钢箱梁斜拉桥UHPC桥面铺装摊铺顺序研究_李绍成.pdf

-97-钢箱梁斜拉桥 UHPC 桥面铺装摊铺顺序研究李绍成1，张振东2,3，苏文明2,3，张太磊2,3，徐兴伟2,3（1.东营市公路事业发展中心，山东 东营 257091；2.山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250002；3.桥梁结构大数据与性能诊治提升交通运输行业重点实验室，山东 济南 250002）摘要：以胜利黄河大桥维修改造工程为例，采用桥梁分析软件 Midas/Civil 建立有限元模型，计算桥面铺装施工过程中桥梁各构件受力状态，分析施工方案的可行性，对主梁变形及索力进行研究，关注索力及变形的不对称情况，并对部分斜索施工过程中的变化情况进行对比。结果表明，两种方案均可行，两幅同步摊铺更适用于旧桥维修改造工程。关键词：斜拉桥；桥面铺装；受力性能；UHPC；有限元分析中图分类号：U448.27 文献标识码：BStudy on paving sequence of UHPC deck of steel box girder cable-stayed bridges LI Shaocheng1,ZHANG Zhendong2,3,SU Wenming2,3,ZHANG Tailei2,3,XU Xingwei2,3（1.Dongying Road Development Center,Shandong Dongying 257091 China;2.Shandong High-speed Engineering Testing Co.,Ltd.,Shandong Jinan 250002 China;3.Key Laboratory of Bridge Structure Big Data and Performance Diagnosis Treatment and Improvement of Transportation Industry,Shandong Jinan 250002 China）Abstract:Taking the maintenance and reconstruction project of Shengli Yellow river bridge as an example,this paper uses the bridge analysis software Midas/Civil to establish the finite element model to calculate the stress state of each component of the bridge during the construction of bridge deck pavement,so as to analyze the feasibility of the construction scheme.Then it studies the deformation and cable force of the main beam,focuses on the asymmetry of cable force and deformation,and compares the changes of some inclined cables during construction.The results show that both schemes are feasible,and two synchronous paving is more suitable for the maintenance and reconstruction of old bridges.Key words:cable-stayed bridge;UHPC;bridge deck pavement;parametric analysis;mechanical performance引言钢结构强度大、自重轻，具有较强的跨越能力，在大跨度桥梁中得到广泛应用。但由于钢桥面板刚度较低，容易产生疲劳病害，日益增长的交通量及普遍超载的运营状况更加剧这一趋势。采用钢-高性能混凝土组合桥面结构可有效提高桥面刚度，降低桥面板的疲劳应力幅，从而改善桥面铺装的受力状况，可有效缓解钢桥面板易疲劳损坏与桥面沥青铺装层易损坏的问题。对于长服役期桥梁维修改造工程，则需选择合理摊铺方案对桥面铺装进行施工，以降低施工期荷载对桥梁结构的不利作用1-3。1 工程概述胜 利 黄 河 特 大 桥 全 长 2 817.46 m，由 主 桥及南北引桥组成。其中主桥长 682 m，跨径组合（60.5+136.5+288+136.5+60.5）m，主 跨 288 m。主梁为连续双箱正交异性板钢梁，主桥桥塔（26#、27#）承台以上为 H 型桥塔，塔顶标高 78.6m。拉索布置为双索面扇形多索体系，全桥共计 88 根。原桥面铺装为 4 cm 浇注式沥青混凝土+3.5 cm SMA 改性沥青面层，桥面铺装整体存在凹陷、车辙，多处存在坑槽、拥包、网裂等病害，且原桥桥面板和横隔板均较薄，疲劳问题较为突出。根据国内外钢桥面铺装的工程经验和最新的科研成果，提出修补方案：上层 3 cm 厚高黏高弹 SMA-10+下层 5.5cm厚超高性能混凝土（UHPC）。因该工程为旧桥维修改造项目，相对于新建工程，桥梁结构（尤其是主梁梁体）在运营期间已产生疲劳病害，施工过程中主梁若产生过大变形将导致桥梁病害进一步发展，影响桥梁后续的使用安全。综上所述，根据桥梁目前受力状态，制定合理的摊铺流程尤为关键4-8。收稿日期：2022-06-21作者简介：李绍成（1972），男，山东东营人，高级工程师。李绍成，张振东，苏文明，张太磊，徐兴伟：钢箱梁斜拉桥 UHPC 桥面铺装摊铺顺序研究-98-2 施工方案简述2.1 方案一胜利黄河特大桥 UHPC 铺装方案一采用两侧泵车铺装、中间料斗运输，具体施工顺序：（1）南侧铺装：南侧桥头处东西两侧各设一处基站，铺装方式为泵车输送。（2）中段铺装：中间区段为料斗运输铺装。（3）北侧铺装：北侧桥头处东西两侧各设一处基站，铺装方式为泵车输送。2.2 方案二胜利黄河特大桥 UHPC 铺装方案二采用单幅铺装，施工顺序：（1）铺装左侧（上游）桥面一半 UHPC 铺装层；（2）铺装右侧（下游）另一半UHPC 铺装层。3 有限元仿真分析采用桥梁分析软件 Midas/Civil 分别对两种方案进行建模，以分析 UHPC 铺装过程中桥梁各构件受力状态。桥塔及主梁采用梁单元进行模拟，斜拉索采用索单元进行模拟，建立桥梁有限元模型见图 1。图 1 主桥有限元模型3.1 模型计算结果Midas 模型中，UHPC 桥面铺装自重采用线荷载代替，每延米重量为 22 kN/m2。3.1.1 主梁内力及应力经计算，主梁内力及应力计算结果见图2图5。图 2 方案一主梁弯矩包络图图 3 方案二主梁弯矩包络图图 4 方案一主梁应力图 5 方案二主梁应力施工过程中，方案一主梁最大弯矩为44 757 kNm，最大应力为 94.4 MPa；方案二主梁最大弯矩为 44 909 kNm，最大应力为 94.8 MPa。两种摊铺方案施工过程中，主梁应力均在弹性范围内。3.1.2 主梁变形经计算，施工过程中主梁最大变形见图 6、图 7。图 6 方案一主梁变形图 7 方案二主梁变形方案一在工序 4 桥面混凝土摊铺阶段主梁跨中出现最大变形，最大处为-313.7 mm，方案二在桥面铺装施工完成后跨中出现最大变形，最大处为-283.2 mm。3.2 对比分析方案二采用单幅铺装，施工过程中由于荷载不对称，导致桥梁变形及索力不对称效应较为明显。因此，应进一步分析两种方案在施工过程中主梁变形及索力变化情况，并对比两种方案适用性。3.2.1 主梁变形分析取 26#塔部分斜索主梁锚点，记录其在各施工阶段竖向位移值，分析在施工过程中主梁变形情况。主梁锚点位移变化见表 1。表 1 主梁锚点竖向位移/mm施工阶段右侧左侧B-09 B-02 Z-02Z-09 B-09 B-02 Z-02Z-09方案一工序 1 24.2-20.7-9.1-21.125.8-19.9-8.6-18.2工序 2 24.4-30.8-26.3-26.426.0-30.1-25.8-23.5工序 3 50.78.8-73.3-245.4 52.39.6-72.8-242.5工序 4 54.112.3-77.7-280.3 55.713.1-75.2-277.3工序 5 52.39.9-73.6-256.4 53.910.7-73.0-253.4工序 6 52.410.1-73.9-259.0 54.010.9-73.3-256.0方案二工序 1 52.614.0-40.9-133.4 48.65.6-61.1-184.6工序 2 52.610.475.0-264.0 54.311.2-74.4-261.0由表 1 可知，主梁变形变化幅值最大值为 130.6 mm，出现在方案二摊铺完成时。该施工工序后，桥面铺装自重对桥面的作用由不平衡荷载转变为平衡荷载，导致该阶段主梁竖向位移变化较快。施工完成后，两种方案主梁变形值一致，表明不同摊铺顺序对成桥状态影响较小。经计算，方案二左右两侧主梁锚点位移差值计算结果见图 8。2022 年第 6 期山东交通科技-99-051015202530354002550主梁锚点位移/mm主梁锚点编号 左侧铺装完成 右侧铺装完成0 5 10 15 20 25 30 35 40主梁锚点编号主梁锚点位移/mm50250图 8 方案二主梁锚点位移差值由图 8 可知，左右两幅分别摊铺（先左侧后右侧）施工过程中，边跨侧位移不平衡最大差值出现在 B-01 索锚点位置处，最大差值为 11 mm，中跨侧位移不平衡最大差值出现在 Z-11 索锚点位置处，最大差值为54 mm，右侧UHPC桥面铺装层施工完成后，位移恢复至平衡状态。3.2.2 斜索索力分析取 26#塔部分对称斜索，记录在各施工阶段索力计算值。索力变化见表 2。表 2 施工阶段索力变化/kN施工阶段右侧左侧B-09 B-02 Z-02 Z-09 B-09 B-02 Z-02 Z-09方案一工序 18131 2897661 3428111 3097581 368工序 29151 2998761 3419141 3198681 367工序 38851 5869391 5798831 6069321 598工序 48811 6259341 6218791 6469261 649工序 68831 6019371 5908821 6219291 617工序 68831 6039371 5938821 6249291 620方案二工序 17411 4398021 4178561 5369051 525工序 28861 6089401 5988841 6299311 625由表 2 可知，两方案施工完成后，索力值接近，表明不同摊铺顺序对成桥状态影响较小。经计算，方案二左右两侧斜索索力差值计算结果见图 9。0510152025303540050100150索力差值/kN斜索编号 左侧铺装完成 右侧铺装完成0 5 10 15 20 25 30 35 40斜索编号索力差值/kN150100500图 9 方案二斜索索力差值由图 9 可知，左右两侧铺装（先左侧后右侧）边跨侧索力不平衡最大差值出现在 B-01 索位置处（靠近桥塔位置），最大差值为 149 kN，中跨侧索力不平衡最大差值出现在 Z-01 索位置处（靠近桥塔位置），最大差值为 146 kN，铺装右侧 UHPC 后，索力恢复至平衡状态。3.3 计算结果分析经有限元模型计算分析，桥面 UHPC 分幅铺装引起的索力不平衡及位移不平衡差值较小，属于弹性不平衡状态，且桥面板铺装完成后，桥梁索力及位移又恢复至平衡状态，因此 UHPC 分幅铺装方案可行。相对与方案一，方案二分幅铺装在施工过程中会产生不平衡索力及不平衡位移。对于长服役期钢桥，其在多年运营中必然产生疲劳病害，施工过程