现浇STC桥面铺装施工方案对悬索桥成桥状态影响研究

摘要

大跨度悬索桥作为柔性结构桥梁，在行车荷载、温度变化、风载、地震与湿气腐蚀等自然因素共同作用下，受力和变形情况比较复杂，容易出现钢桥面铺装层破损和桥面钢结构疲劳开裂两大病害。为了提高桥梁结构的安全性与耐久性，超高韧性混凝土（STC）钢桥面铺装拟运用于大跨度悬索桥。大跨度悬索桥桥面铺装面积大，现场浇筑施工受施工设备单次浇筑能力限制，通常采用分幅、分块浇筑的方式。然而，与过去常用的沥青类铺装层不同，STC 材料弹性模量高，先浇筑铺装层硬化后将提高加劲梁结构的抗弯刚度，因此STC的分批浇筑相当于梁结构的竖向分层、纵向分段施工，即梁刚度的分阶段形成。如果不采取配重措施，分块浇筑后依次形成强度的各块 STC将逐步提高桥面系刚度，与钢桥面形成组合结构协同受力，导致结构在STC浇筑、硬化过程中的受力状态不断发生变化，这种施工过程中的内力重分配，最终会影响悬索桥设计成桥状态的实现。 为了研究STC刚性铺装层现浇施工方案对悬索桥成桥状态的具体影响，确定合理的STC层现浇施工方案，本文在总结了国内外钢桥面铺装结构、力学特性、材料、施工技术等研究成果后，结合实际工程项目分别针对单层桥面和双层桥面悬索桥方案做了以下工作： （1）采用考虑结构几何非线性影响的计算方法，分析研究了 STC 桥面铺装施工方法对悬索桥成桥状态的影响；提出了STC层现浇施工计算模拟方法，包括加劲梁合龙线形（现浇施工模拟初始状态）的获取和STC层刚度变化的模拟；研究讨论了有限元模型的简化思路，对所建立的等效简化模型进行了有效性验证；通过对可变作用下STC成桥运营内力及应力进行分析，提出了STC施工内力的控制标准。 （2）以单层桥面的钢桁架加劲梁悬索桥--杭瑞高速洞庭湖大桥为背景工程，利用ANSYS 软件的生死单元法，建立 STC 桥面铺装施工计算模型，以研究讨论的控制指标为目标，分析不同施工方案对单层桥面悬索桥成桥线形和 STC 层成桥内力的影响，提出最优现浇施工方案；并以相同的跨度、主缆面积等为基准，建立了与钢桁架加劲梁相对应的钢箱加劲梁悬索桥计算模型，研究了STC铺装对成桥结构内力和线形的影响，分析了加劲梁刚度变化的影响规律。 （3）以某双层桥面的三塔四跨钢桁架加劲梁悬索桥为背景工程，利用ANSYS软件，建立了STC桥面铺装层施工计算有限元模型；通过分析不同浇筑方案对成桥线形和STC层成桥内力的影响，确定多跨连续双层桥面结构STC层合理浇筑顺序、分块原则和配重方案。 （4）以前述讨论的三座加劲梁刚度相差较大的悬索桥为对象，以先浇受压区和后浇受拉区STC层为施工顺序，分析施工过程有限元模拟STC层刚度计入方式对其成桥应力计算的影响；基于分析结论提出STC层施工过程模拟计算简化方法。 通过本文分析研究表明：对于大跨度悬索桥，STC 桥面铺装现浇施工所采用的不同分块原则、浇筑顺序和配重方案对加劲梁成桥线形的影响总体较小，不随“STC 层与加劲梁刚度比”的显著提高而发生大的变化；然而分块原则、浇筑顺序和配重方案对STC层成桥内力具有决定性影响，STC层的铺装方案设计应基于先浇受压区、后浇受拉区的总体原则进行设计，应合理设置后浇段的规模，为减小受拉区的永存拉应力，受拉区浇筑前，应进行适当配重，要有针对性地把握配重时机与位置；对于STC层施工过程有限元模拟，STC 层刚度计入方式会对其成桥应力计算产生影响，采用本文提出的“不计应力控制区以外STC层刚度”计算方法较为合理、方便。

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