新建鐵路大跨度鋼箱拱橋轉(zhuǎn)體施工控制分析

賈建平

(中鐵十七局集團(tuán) 第二工程公司，西安 710000)

1 工程概況

新建鐵路跨越高速公路某橋采用的是(32+108+32)m中承式鋼箱混凝土拱連續(xù)梁體系，為該線(xiàn)路的節(jié)點(diǎn)橋之一，也是我國(guó)新建鐵路中首座鋼箱拱轉(zhuǎn)體橋。大橋主要由44節(jié)拱肋與主縱梁段、33片橫梁和128片小縱梁組成，最大吊裝高度34 m，最重節(jié)段的質(zhì)量為81.5 t。主縱梁、一字撐、K撐和支墩均采用鋼箱截面。其中，主縱梁截面寬1.6 m，高2.1 m，兩片主縱梁中心距12 m。邊拱肋與主拱肋為變高度鋼箱混凝土截面，拱肋截面寬1.6 m，拱軸線(xiàn)采用二次拋物線(xiàn)。其中，主拱矢高24.0 m，邊拱矢高12.4 m。兩片主梁之間采用縱、橫梁聯(lián)結(jié)系，除端橫梁為箱形截面外，其它橫梁和小縱梁均為焊接工字鋼截面?？v、橫聯(lián)結(jié)系上面鋪設(shè)寬13.6 m、厚30 cm的鋼筋混凝土橋面板。拱橋吊桿采用φ122 mm的圓鋼，間距5.4 m。橋型布置如圖1所示。

2 總體施工方法

該橋跨越高速公路，且在既有京滬線(xiàn)旁，為不影響繁忙的高速公路通行，又能絕對(duì)保證既有鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，各鋼結(jié)構(gòu)采用工廠(chǎng)分段加工制造，在現(xiàn)場(chǎng)沿高速公路兩側(cè)搭設(shè)支架分為對(duì)稱(chēng)的兩部分現(xiàn)場(chǎng)拼裝、焊接成形，然后采用平面轉(zhuǎn)體法轉(zhuǎn)體合龍，單側(cè)轉(zhuǎn)體質(zhì)量3 800 t，轉(zhuǎn)體角度分別為 81°和 99°。

為保證結(jié)構(gòu)的安全，且使得中跨合龍的標(biāo)高滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，施工時(shí)考慮在主縱梁上搭設(shè)一個(gè)索塔，并用扣索分別拉住前端和后端，形成一個(gè)自錨結(jié)構(gòu)體系。拱腳至索塔頂總高為40 m，自主縱梁向上的索塔高度為27 m，采用八三墩桿件拼組而成。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)及索塔斷面如圖2所示。索塔兩側(cè)為分離式扣索，扣索采用30束7-φ5 mm鋼絞線(xiàn)，利用扣索克服索塔兩邊鋼箱拱自重，使拱肋脫離支架，形成轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。扣索兩邊角度不等，受力不等，索塔為壓彎受力結(jié)構(gòu)。為保證索塔只承受壓力，索塔底部采用鉸接。

圖1 橋型布置(單位:m)

圖2 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)(單位:mm)

3 施工工序

該橋?yàn)樵撔陆ㄨF路的重點(diǎn)橋梁之一，其結(jié)構(gòu)的線(xiàn)形直接影響到軌道的鋪設(shè)以及其受力特性，施工過(guò)程比較復(fù)雜。主要施工步驟有:①主墩樁基礎(chǔ)和邊墩鉆孔樁施工，基坑開(kāi)挖，邊墩承臺(tái)、主墩承臺(tái)及千斤頂反力座、牽引反力座施工，安裝轉(zhuǎn)體滑道和中心限位裝置。順京開(kāi)路方向施工上轉(zhuǎn)盤(pán)，試轉(zhuǎn)動(dòng)后，安裝鋼拱座及拱腳鋼橫梁。②順高速公路方向在支架上拼裝鋼箱拱肋、支墩、縱橫梁、橫撐、人行道等鋼構(gòu)件，先灌注鋼拱座內(nèi)混凝土，然后頂升邊拱肋頂升段混凝土，最后灌注邊拱肋端部混凝土，臨時(shí)固結(jié)鋼拱座和上轉(zhuǎn)盤(pán)，安裝橋面板永久鋼底模、扣索、塔架及平衡重等。③按照施工順序第一次張拉扣索，安裝兩根較長(zhǎng)吊桿并施加預(yù)拉力，然后安裝中間吊桿并施加預(yù)拉力，最后安裝兩根較短吊桿并施加預(yù)拉力，全部脫架完成整個(gè)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)施工。

4 轉(zhuǎn)體體系平衡控制分析

對(duì)半跨鋼箱梁轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)建立空間計(jì)算模型，其中，鋼箱梁的主縱梁、橫梁及小縱梁采用梁?jiǎn)卧?索塔采用等剛度截面梁?jiǎn)卧M，并釋放梁底轉(zhuǎn)角約束;吊桿采用桁架單元;扣索只采用扣索單元，主要進(jìn)行施工過(guò)程中的轉(zhuǎn)體體系平衡計(jì)算、脫架過(guò)程模擬計(jì)算以及合龍前高程計(jì)算，從而確定平衡重配比，扣索張力大小等。

進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)體系平衡計(jì)算的關(guān)鍵在于建立精確的計(jì)算模型，模型產(chǎn)生的自重須與實(shí)際相符，建模時(shí)對(duì)鋼箱梁各個(gè)節(jié)段的重量進(jìn)行仔細(xì)核對(duì)，根據(jù)截面的不同采用逐段荷載加載方式。將拱腳處進(jìn)行全約束，若拱腳兩邊(邊跨及中跨)重量分配相等，則拱腳處的彎矩為0，若拱腳兩邊重量分配不等，則會(huì)在拱腳處產(chǎn)生縱向不平衡彎矩，應(yīng)根據(jù)該值來(lái)確定平衡重的重量。計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 轉(zhuǎn)體體系平衡計(jì)算模型

通過(guò)施加自重荷載，計(jì)算得拱腳處的不平衡彎矩13 000 kN·m，在邊跨梁端配1 000 kN的平衡重。施加平衡重后，拱腳處彎矩減小為2 000 kN·m，由 e=M/G(M為不平衡力矩，G為轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)總重)計(jì)算得偏心距為0.06 m。

轉(zhuǎn)動(dòng)支承系統(tǒng)須滿(mǎn)足轉(zhuǎn)體、承重及平衡等多種功能要求。該橋轉(zhuǎn)動(dòng)體系的轉(zhuǎn)盤(pán)尺寸較大，為撐腳支撐。撐腳主要布置在橫橋向兩側(cè)，轉(zhuǎn)體鋼箱梁的抗傾穩(wěn)定遜于布置在順橋軸向上。整個(gè)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的重心越接近轉(zhuǎn)動(dòng)中心，撐腳的受力越平均，越有利于平轉(zhuǎn)順利實(shí)施。通過(guò)對(duì)該橋轉(zhuǎn)動(dòng)施工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，配置平衡重后，整個(gè)結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性能。

5 施工過(guò)程內(nèi)力及線(xiàn)形控制

5.1 支架組成

支架為八三墩拼組而成，各段鋼箱梁在支架上進(jìn)行拼裝，如圖4所示。各段鋼箱梁在支架上焊接成形后，安裝索塔與扣索，隨后灌注邊拱肋端部箱內(nèi)混凝土。鋼箱梁材質(zhì)為Q370qE，灌注混凝土為C50。計(jì)算中，采用施工階段聯(lián)合截面來(lái)模擬邊拱肋的剛度變化。支架采用只受壓邊界條件進(jìn)行模擬，當(dāng)該邊界條件不受力時(shí)，即表示該支架脫架?？鬯鲝埨捎檬┘映趵Φ姆椒▉?lái)模擬，其拉力主要由以下三個(gè)方面確定:一是保證索塔受力穩(wěn)定，二是保證轉(zhuǎn)體前支架全部脫架，三是保證鋼箱梁的傾覆穩(wěn)定，即保證拱腳處彎矩盡量小。

圖4 鋼箱梁拼裝支架布置(單位:m)

5.2 扣索拉力

施工中分兩次張拉扣索。邊拱肋端部灌注完混凝土及配重后，進(jìn)行第1次張拉;待安裝完3組吊桿后(由長(zhǎng)至短進(jìn)行安裝)，進(jìn)行第2次張拉。吊桿張拉力(由長(zhǎng)至短)分別為 50 kN、40 kN、100 kN、20 kN，50 kN。兩次扣索的張拉力如表1所示。

扣索采用7-φ5 mm鋼絞線(xiàn)，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，計(jì)算得單根扣索的軸向應(yīng)力為646 MPa，為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的35%。

表1 扣索拉力值 kN

5.3 索塔受力

計(jì)算得索塔所承受的最大豎向力為2 650 kN。按四肢組合構(gòu)件，綴條為角鋼∠80×80×10來(lái)計(jì)算索塔結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。先計(jì)算出換算長(zhǎng)細(xì)比，查出穩(wěn)定系數(shù)，再按軸心受力構(gòu)件計(jì)算受壓穩(wěn)定。換算長(zhǎng)細(xì)比λ0y為

式中，λ0y為整個(gè)構(gòu)件對(duì) y軸的換算長(zhǎng)細(xì)比;λy為整個(gè)構(gòu)件對(duì)y軸的長(zhǎng)細(xì)比;A1x為構(gòu)件截面中垂直于x軸的各斜綴條毛截面面積之和;A為構(gòu)件的毛截面面積;［λ］為容許長(zhǎng)細(xì)比，此處為150。

計(jì)算得索塔整體受壓強(qiáng)度為87 MPa＜［σ］=215 MPa。索塔結(jié)構(gòu)無(wú)論桿件受力，還是整體受壓，均滿(mǎn)足要求，并有較大的安全儲(chǔ)備。

5.4 鋼箱梁受力

轉(zhuǎn)體施工過(guò)程計(jì)算中，當(dāng)拆除梁上支架及部分主梁支架時(shí)，在拱肋與主梁固結(jié)位置處，梁體出現(xiàn)的最大應(yīng)力為48 MPa。整個(gè)施工過(guò)程中，梁體應(yīng)力較小，表明該施工方案有利于控制梁體合龍前的體內(nèi)應(yīng)力。

5.5 線(xiàn)形控制計(jì)算

1)全部脫架后，轉(zhuǎn)體前，前端索力2 200 kN，后端2 700 kN，配重650 kN，主縱梁位移為 +2 cm，梁端位移為+1.45 cm。結(jié)果見(jiàn)圖5(a)。

2)轉(zhuǎn)體到位后，梁端橫梁灌注混凝土，梁端落于支座上，位移為0，主縱梁梁端位移為 +3.9 cm，索塔橫向位移為2.2 cm。位移結(jié)果見(jiàn)圖5(b)。

3)中拱肋扣索增張拉160 kN，邊拱肋扣索增張拉200 kN(邊拱肋扣索的張拉是為了保證索塔頂部的位移)，主縱梁端由 3.9 cm上升到6.8 cm，索塔頂部橫向位移2.2 cm。位移結(jié)果見(jiàn)圖5(c)。

4)合龍時(shí)，主縱梁跨中位移+6.6 cm，索塔頂部橫向位移2.2 cm。見(jiàn)圖5(d)。

5)拆除扣索后，主縱梁跨中位移 +5.8 cm(該值為設(shè)計(jì)合龍預(yù)拱度)。見(jiàn)圖5(e)。

6)分級(jí)卸載時(shí)，主縱梁梁端位移與塔頂橫向位移見(jiàn)表2。

圖5 線(xiàn)形控制計(jì)算步驟

7)線(xiàn)控結(jié)論。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工時(shí)的測(cè)量結(jié)果吻合得較好，由于影響位移的因素較多，除了嚴(yán)格依據(jù)理論計(jì)算結(jié)果作為施工指導(dǎo)外，還需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。在后端索力2 700 kN、前端索力2 200 kN、后端配重650 kN、后端位移+3 cm、主縱梁前端位移 +4 cm的情況下，轉(zhuǎn)體到位后，后端到位并壓上另一跨混凝土梁后會(huì)引起主縱梁前端位移上升，此時(shí)，需嚴(yán)密監(jiān)控該過(guò)程中主縱梁的上升高度，并適當(dāng)調(diào)整索力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，合龍并放松索力后，主縱梁跨中下?lián)? cm，因此，在后端落梁后，需保證主縱梁端上撓+6.8 cm，也就是拱肋的合龍上撓值。為保證前端的上撓值，需要微調(diào)張拉或放松扣索。該橋已于2010年5月順利轉(zhuǎn)體合龍。

表2 主縱梁位移和塔頂橫向位移

6 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)體施工已逐漸成為一種比較成熟的橋梁施工方法，尤其是對(duì)修建處于交能運(yùn)輸繁忙的城市立交橋和鐵路跨線(xiàn)橋，有著明顯的優(yōu)勢(shì)。轉(zhuǎn)體施工過(guò)程的內(nèi)力及線(xiàn)形控制對(duì)成橋有很大的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)對(duì)新建鐵路跨高速公路鋼箱拱轉(zhuǎn)體橋有平衡重不對(duì)稱(chēng)平轉(zhuǎn)法施工過(guò)程的內(nèi)力及線(xiàn)形控制分析，論證了該橋施工方案合理可行，并且通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的比較，表明了計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的發(fā)展趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，為該橋安全順利地進(jìn)行轉(zhuǎn)體并合龍?zhí)峁┝吮Ｕ希瑫r(shí)也可為今后同類(lèi)橋梁施工提供借鑒。

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