宜萬鐵路葉溪河大橋(70+108+70)m連續(xù)梁橋合龍方案優(yōu)化設(shè)計

楊 帆

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計研究院，北京 100055)

隨著大跨徑連續(xù)梁橋的設(shè)計和施工水平日益成熟，懸臂澆筑法的應(yīng)用也越來越廣泛［1］。懸臂澆筑的連續(xù)梁，都要經(jīng)過懸臂靜定結(jié)構(gòu)向懸臂單跨或多跨固端梁的超靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化才能合龍成橋［2］。合龍順序的不同，直接影響結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的次序，引起梁體內(nèi)力千差萬別，對結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性影響較大［3］。

懸臂施工的特殊性要求在分段現(xiàn)澆的施工過程中，確保懸臂端荷載平衡，達(dá)到合龍前最大懸臂狀態(tài);同時，邊跨過長也會削弱邊跨的剛度，帶來不經(jīng)濟(jì)性［4-5］。因而，連續(xù)梁的跨徑布置往往會影響到合龍順序。一般來說，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的邊跨長度是中跨長度的0.5～0.6倍［6］。

當(dāng)因地貌等因素影響而需加大邊跨跨徑時，常采用2種方式解決，一種是將合龍順序調(diào)整為先中跨再邊跨，在中跨合龍后，邊跨再懸澆不對稱梁段;另一種是將邊跨支架現(xiàn)澆直線段的長度加長，以達(dá)到加大邊跨跨徑的目的，先合龍邊跨，后合龍中跨［7］。

以宜萬鐵路葉溪河大橋為工程實(shí)例，采用有限元程序?qū)Σ煌淆埛桨高M(jìn)行計算比較，分析了不同合龍方案對其成橋狀態(tài)的影響，確定適合該橋最優(yōu)的成橋狀態(tài)的合龍方案。

1 工程概況

葉溪河大橋(圖1)上跨清江支流泗渡河上游葉溪河，河寬70 m，常年有水，橋高110 m，主跨108 m為當(dāng)時國內(nèi)跨度最大的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁［8］。線路為雙線Ⅰ級，設(shè)計時速160 km，線間距4.2 m，位于直線上，橋面坡度－3.1‰，道砟橋面。主梁采用(70+108+70)m跨度組合，單聯(lián)全長249.4 m(含兩側(cè)梁端至邊支座中心各0.70 m)。道砟槽寬8.4 m，兩側(cè)人行道各1.15 m，梁部截面為單箱單室直腹板，橋面總寬10.7 m，底寬5.7 m。主梁邊中跨比為0.648，比常規(guī)的大。

2 主梁構(gòu)造及結(jié)構(gòu)計算

2.1 主梁構(gòu)造

箱梁橫截面為單箱單室直腹板。中支點(diǎn)處梁高8.0 m，端部及跨中梁高4.5 m，其底緣按照半徑為380.643 m的圓曲線過渡變化。頂板厚32 cm，腹板厚從40 cm變化到80 cm，根部局部加厚至130 cm，底板厚從40 cm變化至97.2 cm，根部局部加厚至150 cm。全梁共設(shè)5道橫隔板，各橫隔板均設(shè)置進(jìn)人洞，以便施工和養(yǎng)護(hù)維修。

支點(diǎn)和跨中截面如圖2所示。

2.2 預(yù)應(yīng)力體系

本橋采用三向預(yù)應(yīng)力使梁體處于全預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。

縱向預(yù)應(yīng)力索采用12－7φ5 mm鋼絞線，VLM15-12錨具，YDC2500型千斤頂，兩端張拉?？v向臨時索采用15－7φ5 mm鋼絞線，VLM15-15錨具，YDC3000型千斤頂，兩端張拉。

橫向預(yù)應(yīng)力索采用4－7φ5 mm鋼絞線，VLM15B-4錨具，YDC1000型千斤頂，單端張拉，張拉端兩側(cè)交錯設(shè)置，錨外張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa。橫向預(yù)應(yīng)力索縱向按0.5 m間距布置，接觸網(wǎng)立柱處局部加強(qiáng)。

圖2 1/2支點(diǎn)和跨中截面(單位:cm)

豎向預(yù)應(yīng)力筋采用φ32 mm的高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋，JLM錨具，梁頂端張拉，張拉控制應(yīng)力601 MPa。豎向預(yù)應(yīng)力筋縱向按0.5 m間距布置，橫向腹板厚0.4～0.6 m時布置單根，腹板厚0.8 m時布置2根。

2.3 平面靜力計算

縱向采用平面桿系程序BSAS軟件對連續(xù)梁橋進(jìn)行施工過程仿真分析，縱向有限元單元、節(jié)點(diǎn)劃分如圖3所示。計算荷載考慮恒載、活載、基礎(chǔ)不均勻沉降、溫度變化、體系轉(zhuǎn)換、混凝土收縮、徐變及預(yù)應(yīng)力損失以及特種荷載等，按最不利組合進(jìn)行設(shè)計驗算。

圖3 縱向有限元單元、節(jié)點(diǎn)劃分(單位:cm)

橫向采用橋梁博士軟件，截取縱向長度1.0 m的梁段，模擬為支撐于腹板中心線下緣的閉合框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，計算考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、特種活載、溫度變化、收縮徐變等荷載作用下。

主梁檢算控制指標(biāo)如表1所示。

表1 主梁主要計算結(jié)果

2.4 自振頻率及車橋耦合動力分析

結(jié)構(gòu)除滿足一般靜力強(qiáng)度要求外，還須有良好的動力特性，以保證列車的安全性和旅客舒適性。通過自振頻率分析和車橋耦合動力分析［9-10］，該設(shè)計方案當(dāng)單、雙線客車(DF11旅客列車80～140 km/h，DDJ電動車組160～220 km/h)通過時，列車行車安全性有保障，行車舒適性達(dá)到‘良好’標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)單、雙線貨車(C62，80 km/h以下)通過時，列車行車安全性有保障，行車平穩(wěn)性在‘良好’和‘優(yōu)秀’標(biāo)準(zhǔn)之間。結(jié)構(gòu)振動特征值分析結(jié)果如表2所示。

表2 自振特性分析結(jié)果

3 梁段合龍方案對比計算分析

3.1 合龍方案

根據(jù)跨徑布置和邊中跨比值，影響結(jié)構(gòu)受力的合龍方案主要有3種:(1)先合龍邊跨再合龍中跨;(2)先合龍中跨再合龍邊跨，中跨無壓重;(3)先合龍中跨，對中跨進(jìn)行壓重，跨中上緣加臨時索，合龍邊跨。詳見表3。

跨中壓重、跨中上緣加臨時索的措施為:跨中壓重1 700 kN(圖4)，并采用6根15－7φ5 mm和2根15－7φ5 mm臨時索。在跨中壓重和臨時索完成后再澆筑邊跨不對稱節(jié)段。

表3 合龍方案

圖4 跨中壓重措施示意(單位:cm)

3.2 成橋狀態(tài)應(yīng)力比較

不同的合龍方案的成橋狀態(tài)恒載作用下的截面內(nèi)力對比如圖5所示，各控制截面內(nèi)力如表4所示，截面上下緣應(yīng)力對比如圖6、圖7所示，各控制截面上下緣應(yīng)力如表5所示，截面強(qiáng)度安全系數(shù)分布如圖8所示，各控制截面強(qiáng)度安全系數(shù)如表6所示。

圖5 成橋狀態(tài)恒載作用下截面內(nèi)力(彎矩)

表4 各控制截面內(nèi)力(彎矩)kN·m

圖6 成橋狀態(tài)恒載作用下截面上緣應(yīng)力

圖7 成橋狀態(tài)恒載作用下截面下緣應(yīng)力

圖8 成橋狀態(tài)下截面強(qiáng)度安全系數(shù)分布

從圖5～圖8可以看出，3種不同的合龍方案沿跨徑方向受力的變化趨勢大體相近，但在各控制截面上存在差別，體現(xiàn)出合龍方案不同對主梁成橋狀態(tài)的影響。

表5 各控制截面上下緣應(yīng)力 MPa

表6 各控制截面強(qiáng)度安全系數(shù)

從圖5、表4可見，對于邊跨跨中、中跨跨中截面內(nèi)力，方案一最大，方案二最小，方案三居中;而支點(diǎn)處截面內(nèi)力，方案一最小，方案二最大，方案三居中。從圖6、圖7、表5可見，方案一對應(yīng)的邊跨跨中、支點(diǎn)、中跨跨中的截面上緣應(yīng)力均比另外兩方案大，截面下緣應(yīng)力較其他兩方案小;而方案二對應(yīng)的邊跨跨中、支點(diǎn)、中跨跨中的截面上緣應(yīng)力均比另外兩方案小，截面下緣應(yīng)力較其他兩方案大;方案三居中。從圖8、表7可見，成橋狀態(tài)下，在支點(diǎn)、邊跨跨中截面，方案一的安全系數(shù)比另外兩方案高，但在中跨跨中處，安全系數(shù)卻比另外兩方案低，方案三居中;方案二在中跨跨中截面的安全度較高，但在支點(diǎn)和邊跨跨中截面的安全系數(shù)卻比另外兩方案低;方案三居中。

綜上分析，方案三由于采用了壓重和臨時索措施，有效地控制了懸澆梁段期間的不平衡彎矩，截面內(nèi)力和上下緣應(yīng)力均小于其他兩方案，變化幅度小，受力較均勻，各截面的安全系數(shù)分布較合理。

方案二與方案三相比，都采用了先合龍中跨再合龍邊跨的施工順序，只是在處理不對稱梁段施工引起的彎矩時措施不同，卻導(dǎo)致懸澆期間不平衡彎矩大，施工風(fēng)險大，體現(xiàn)了合龍時采用壓重和臨時索措施效果顯著。

3.3 成橋狀態(tài)線形比較

圖9所示3種合龍方案節(jié)點(diǎn)位移變化趨勢大體相近，但在各個控制截面上存在差別，體現(xiàn)出合龍方案不同對主梁成橋線形的影響。由圖9可明顯看出，方案一節(jié)點(diǎn)變化幅度在邊跨和中跨均為最小，梁體線形控制最優(yōu)。方案三比方案一稍差，但仍在規(guī)范要求的范圍之內(nèi)，方案二成橋線形最差。

4 結(jié)語

圖9 成橋狀態(tài)恒載作用下節(jié)點(diǎn)位移

綜上所述，由于葉溪河大橋位于陡峭的山坡側(cè)，延長邊跨支架現(xiàn)澆段長度以達(dá)到先邊跨后中跨合龍的方案一實(shí)現(xiàn)困難。中跨壓重方案容易實(shí)現(xiàn)且在內(nèi)力平衡分配、截面應(yīng)力及剛度控制上均優(yōu)于無壓重方案，有利于施工控制，因此第3種方案即先中跨合龍后邊跨合龍(跨中壓重)方案是本橋的優(yōu)選方案。

本橋已于2010年竣工，梁體采用先中跨后邊跨的合龍方案，通過跨中掛籃壓重措施，形成雙懸臂梁體系后由邊跨向梁端繼續(xù)懸臂施工2個5 m長的梁段，同時在宜昌臺臺前支架上和3號墩托架上澆筑邊直段，實(shí)現(xiàn)全橋合龍［8］。施工中的監(jiān)測表明，梁體在各個階段的應(yīng)力狀態(tài)良好，梁體的線形也得到了保障。

葉溪河大橋因橋位和結(jié)構(gòu)的特殊性，使該橋的設(shè)計和施工方法有別于其他連續(xù)梁橋。本文就其設(shè)計及施工中考慮的合龍方案優(yōu)化問題展開分析討論，以期為今后大跨度鐵路連續(xù)梁的設(shè)計與施工提供參考。

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