客運(yùn)專線56 m預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)

張金芝

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概述

哈大客運(yùn)專線普蘭店跨海特大橋?yàn)榭缭狡仗m店海灣而設(shè)，位于客運(yùn)專線正線，雙線，速度目標(biāo)值350 km/h、鋪設(shè)無(wú)砟軌道地段。橋位處于既有沈大高速公路跨海灣大橋外海側(cè)，與高速公路橋位平行?？紤]該橋跨越深水主海溝及與既有沈大高速公路跨海灣橋盡量對(duì)孔，同時(shí)結(jié)合該橋處于高地震烈度、無(wú)砟軌道橋面、避免設(shè)置鋼軌伸縮溫度調(diào)節(jié)器等因素，主孔設(shè)計(jì)采用56 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁;考慮周邊施工場(chǎng)地條件、建設(shè)工期、易于保證施工質(zhì)量等因素，主孔56 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)采用預(yù)制節(jié)段法施工。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 箱梁構(gòu)造

56 m簡(jiǎn)支箱梁為單箱單室截面，總長(zhǎng)度57.1 m，梁高采用5.3 m，箱梁在梁端支點(diǎn)處設(shè)置2.0 m厚的端隔板。箱梁截面詳見(jiàn)圖1。

圖1 箱梁截面(單位:mm)

箱梁分為11個(gè)預(yù)制梁段，兩端梁段長(zhǎng)2.6 m，中間梁段長(zhǎng)5.1 m，濕接縫10道、縫寬0.6 m。中間標(biāo)準(zhǔn)梁段重1 631 kN，標(biāo)準(zhǔn)濕接縫重 192 kN，箱梁總重21 901 kN。

2.2 預(yù)應(yīng)力鋼束的布置

為滿足造橋機(jī)連續(xù)施工的施工工藝特點(diǎn)，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束布置采用在梁端開(kāi)槽兩端對(duì)稱張拉腹板及底板鋼束，待相鄰孔梁施工完畢，澆筑封錨混凝土。采用對(duì)稱布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束、梁端對(duì)稱張拉的布束形式，可以大幅度地簡(jiǎn)化梁體的結(jié)構(gòu)形式，避免在箱內(nèi)設(shè)齒塊，簡(jiǎn)化了施工工藝，便于保證梁體施工質(zhì)量。預(yù)應(yīng)力鋼束布置詳見(jiàn)圖2。

圖2 鋼束布置(單位:mm)

根據(jù)施工工藝特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力鋼束采用分批張拉，以便合理選擇造橋機(jī)移除時(shí)機(jī)，加快施工進(jìn)度。

鋼絞線采用7φ5 mm高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為fpk=1 860 MPa。

3 施工過(guò)程結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

由于56 m主梁采用移動(dòng)支架造橋機(jī)拼裝施工，梁部預(yù)制節(jié)段的安裝及線形控制是工程實(shí)施的關(guān)鍵工序，需要結(jié)合拼架設(shè)備的剛度、梁段尺寸、現(xiàn)澆濕接頭施工工藝加強(qiáng)控制，來(lái)保證梁部的整體線形。同時(shí)梁部的線形控制對(duì)梁體的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的孔道線形、孔道的摩阻也有較大的影響，需要通過(guò)施工監(jiān)測(cè)、監(jiān)控動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的線形控制及預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉控制參數(shù)。

3.1 有限元模型的建立

采用有限元程序Midas/civil對(duì)56 m箱梁預(yù)制節(jié)段法施工全過(guò)程進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模計(jì)算分析，將其簡(jiǎn)化為空間有限元模型，移動(dòng)模架造橋機(jī)采用梁?jiǎn)卧拌旒軉卧淞焊鞴?jié)段均采用梁?jiǎn)卧?。造橋機(jī)的導(dǎo)梁與主桁采用剛性連接，橫聯(lián)端部與主桁為鉸接。1號(hào)梁塊由于直接放置在墩頂，由節(jié)點(diǎn)一般支撐來(lái)模擬，其余各節(jié)段箱梁由提梁吊機(jī)安放在造橋機(jī)下托梁上后，各梁塊由下托梁上的千斤頂支撐。由于千斤頂主要受壓，當(dāng)張拉預(yù)應(yīng)力鋼束達(dá)到一定束數(shù)時(shí)，梁體上撓，千斤頂脫離，故千斤頂模擬為只受壓?jiǎn)卧?/p>

圖3 空間計(jì)算整體模型示意

全部模型共有1 001個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 038個(gè)單元。具體模型見(jiàn)圖3、圖4。通過(guò)有限元模型可以很好地模擬預(yù)制拼裝施工的全過(guò)程，在充分考慮混凝土收縮徐變等因素的作用下，能夠比較精確地計(jì)算箱梁線形及各控制截面應(yīng)力的發(fā)展情況。

圖4 箱梁模型示意

3.2 施工階段劃分

針對(duì)節(jié)段拼架箱梁實(shí)際施工過(guò)程，以及預(yù)應(yīng)力束的張拉順序(先自下向上張拉腹板束，最后張拉底板束)，進(jìn)行施工計(jì)算仿真分析時(shí)總共劃分了26個(gè)施工階段，如表1所示。

表1 施工階段劃分

3.3 造橋機(jī)卸千斤頂時(shí)機(jī)的選擇

如前所述，除1號(hào)塊以外的其他各節(jié)段梁塊由千斤頂支撐在造橋機(jī)的下托梁上。在張拉鋼束之前，造橋機(jī)主桁及下托梁由于彈性變形均會(huì)產(chǎn)生一定的下?lián)?。開(kāi)始張拉后，由于預(yù)應(yīng)力的作用，箱梁開(kāi)始上拱，這時(shí)造橋機(jī)由于開(kāi)始卸載也會(huì)向上回彈。如果造橋機(jī)移除過(guò)晚，預(yù)應(yīng)力增大到一定程度而箱梁與造橋機(jī)又沒(méi)有完全分離，在預(yù)應(yīng)力和造橋機(jī)卸載產(chǎn)生的回復(fù)力的共同作用下，可能會(huì)導(dǎo)致箱梁頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力甚至開(kāi)裂，從而影響整個(gè)梁體的安全。但如果造橋機(jī)卸除過(guò)早，即預(yù)應(yīng)力束張拉過(guò)少就移除造橋機(jī)，會(huì)導(dǎo)致箱梁底板沒(méi)有足夠的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，從而在造橋機(jī)移除的一瞬間，箱梁會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的下?lián)希矔?huì)影響梁體的安全。所以完全有必要對(duì)箱梁分批張拉過(guò)程中造橋機(jī)卸除的時(shí)機(jī)加以確定。

現(xiàn)將張拉12束與16束時(shí)箱梁撓度及控制截面的應(yīng)力情況對(duì)比如下。

箱梁張拉N5，N11(12束)后變形(圖5)及應(yīng)力情況:通過(guò)計(jì)算，在預(yù)應(yīng)力鋼束張拉12束后，箱梁跨中撓度為-5.7 mm?？缰薪孛骓敯鍛?yīng)力為-3.74 MPa(壓應(yīng)力)，底板應(yīng)力為-0.13 MPa(壓應(yīng)力)。

張拉完N6，N12(16束)后變形(圖6)及應(yīng)力情況:通過(guò)計(jì)算，在預(yù)應(yīng)力鋼束張拉16束后，箱梁跨中處撓度為0.08 mm，1/4截面處撓度最大為1.31 mm。跨中截面頂板應(yīng)力為-3.45 MPa(壓應(yīng)力)，底板應(yīng)力為-2.48 MPa(壓應(yīng)力)。

由以上對(duì)比可以看出，箱梁張拉12束后，箱梁跨中還處于下?lián)想A段，跨中截面底板的壓應(yīng)力非常小;張拉16束后，箱梁已經(jīng)開(kāi)始上撓，且跨中截面上下緣的壓應(yīng)力也比較大，預(yù)應(yīng)力荷載已經(jīng)足夠支撐箱梁的自重，所以實(shí)際施工時(shí)選擇在張拉16束鋼束后移除造橋機(jī)。

圖5 張拉12束后箱梁變形值

圖6 張拉16束后箱梁變形值

3.4 施工階段撓度計(jì)算

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，得出張拉16束鋼束、造橋機(jī)主桁卸千斤頂、全部鋼束張拉完、3年收縮徐變等4個(gè)主要施工階段的撓度值，各張拉階段梁體變形對(duì)照情況如圖7所示。3.5 施工階段應(yīng)力計(jì)算

圖7 箱梁各主要施工階段變形值

各主要施工階段箱梁跨中截面的應(yīng)力對(duì)照如圖8所示。

圖8 箱梁跨中截面各施工階段應(yīng)力對(duì)照

施工過(guò)程中箱梁承受壓應(yīng)力，箱梁頂板最大壓應(yīng)力為3.51 MPa，箱梁底板最大壓應(yīng)力為17.75 MPa，符合混凝土的抗壓強(qiáng)度要求。

4 運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

4.1 有限元模型的建立

建立平面桿系有限元模型，模擬運(yùn)營(yíng)階段工況，計(jì)算各截面的內(nèi)力、應(yīng)力和變位。梁部沿縱向劃分為32個(gè)單元，設(shè)計(jì)中考慮了溫度荷載的影響，按照整體升溫20℃，整體溫降30℃，橋面板的溫度變化采用5℃進(jìn)行分析。二期恒載采用143 kN/m。

4.2 主要計(jì)算結(jié)果

4.2.1 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果(表3)

表3 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

4.2.2 剛度計(jì)算結(jié)果(表4)

表4 剛度計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

雙線無(wú)砟軌道56 m大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁為國(guó)內(nèi)、外鐵路客運(yùn)專線橋梁建設(shè)中首次采用。其整孔梁重在20 000 kN以上，結(jié)合橋位具體情況及建設(shè)工期，為保證施工質(zhì)量，采用梁體分節(jié)段集中預(yù)制、利用移動(dòng)拼架原位拼裝澆筑濕接縫的施工工藝，較好地解決了超大質(zhì)量的客運(yùn)專線大跨度無(wú)砟軌道雙線簡(jiǎn)支箱梁的施工難題。

預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁具有很好的整體豎向、橫向及扭轉(zhuǎn)剛度，能夠很好地適應(yīng)客運(yùn)專線高速行車的舒適性、安全性要求以及鋪設(shè)無(wú)砟軌道的技術(shù)條件要求;通過(guò)對(duì)箱梁變形和控制截面應(yīng)力的理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控、檢測(cè)分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)分析理論、邊界條件的設(shè)置及設(shè)計(jì)參數(shù)取值的正確性，為確保橋梁施工過(guò)程和成橋結(jié)構(gòu)安全提供了可靠的技術(shù)保證，同時(shí)也為同類橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。

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