哈大鐵路客運(yùn)專線新開河大橋138 m鋼箱疊拱過運(yùn)架設(shè)備施工檢算

楊正華

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處，西安 710043)

1 工程概況

哈大客運(yùn)專線新開河大橋跨越長(zhǎng)春市富民大街，受路寬和斜交角度影響，考慮橋梁建筑高度受控和景觀要求，采用1-138 m鋼箱疊拱(圖1)，全橋長(zhǎng)144 m，橋面寬度為18 m。兩側(cè)系梁為等寬變高度箱形截面。端橫梁為單箱三室箱形結(jié)構(gòu)，截面尺寸4 500 mm(高)×7 300 mm(寬)×13 060 mm。中橫梁為工字形。全橋設(shè)4道2 000 mm×800 mm工字形縱梁。拱肋為1 800 mm×2 000 mm等截面箱形，上、下拱肋在拱腳處聯(lián)結(jié)在一起。

2 橋梁施工方案及特點(diǎn)

圖1 新開河大橋鋼箱疊拱效果圖

本橋兩側(cè)均接常規(guī)32 m簡(jiǎn)支箱梁，架橋機(jī)由小里程向大里程側(cè)架梁，拱腳內(nèi)側(cè)凈距14 m，考慮運(yùn)梁車和架橋機(jī)運(yùn)架普通簡(jiǎn)支箱梁的需要，需在成拱前通過運(yùn)梁車和架橋機(jī)。本橋采用先梁后拱的施工方法，主要步驟為:

施工主橋樁基及墩身→施工臨時(shí)墩及支架→架設(shè)系梁→分段吊裝鋼縱梁、橫梁→橫放工字鋼橫梁，上鋪20 mm厚鋼板，形成臨時(shí)運(yùn)梁通道→過運(yùn)梁車及架橋機(jī)→安裝拱腳段→搭設(shè)支架，拼裝拱肋成拱→安裝橫撐，修補(bǔ)拱肋涂裝→拆除拱肋支架→安裝吊桿，施加吊桿初張力→分段現(xiàn)澆橋面板→施工人行道、欄桿等橋面系。

3 施工檢算

3.1 臨時(shí)橋面系檢算

本橋橋面設(shè)計(jì)為鋼混結(jié)合體系，為保證成橋后鋼混結(jié)合橋面系質(zhì)量，運(yùn)梁車及架橋機(jī)通過期間采用鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)橋面系，總長(zhǎng)140.5 m。在縱橫梁剪力釘之間橫橋向鋪設(shè)I22b型鋼，工字鋼頂面鋪設(shè)δ=20 mm鋼板，焊接成整體橋面，架梁完成后拆除臨時(shí)橋面系?？紤]到138 m鋼箱疊拱與兩側(cè)32 m簡(jiǎn)支箱梁橋面的高差，為滿足運(yùn)梁車的最大爬坡能力，在拱橋端部與簡(jiǎn)支梁連接處形成坡度，端橫梁部分工字鋼變?yōu)镮25b/I28b。工字鋼縱向最大間距按20 cm設(shè)計(jì)，與剪力釘?shù)牟贾脹_突時(shí)，可適當(dāng)移動(dòng)。

運(yùn)梁車橫向輪距為5.0 m，輪寬為1.2 m，總寬度為6.2 m，運(yùn)梁車支腿中心距為5.8 m，作用寬度為0.5 m，總寬度為6.3 m?？紤]以上因素，工字鋼長(zhǎng)度取8.0 m，鋼板寬度取3.0 m。臨時(shí)橋面系斷面見圖2。

圖2 臨時(shí)橋面系斷面(單位:mm)

(1)運(yùn)梁車計(jì)算圖式

運(yùn)梁車為TLC900型號(hào)，額定負(fù)荷9 000 kN，自重2 800 kN，共16個(gè)軸，64個(gè)輪胎。偏裝運(yùn)輸32 m箱梁荷載計(jì)算圖示見圖3。

圖3 偏裝運(yùn)輸32 m箱梁工況(單位:m)

(2)臨時(shí)橋面板檢算

工字鋼沿橋縱向間距為20 cm，TLC900運(yùn)梁車采用的為26.5R25輪胎(寬714 mm)，根據(jù)圖3工況知:P1～P8的單胎作用面積為3 384 cm2，單胎作用力為195 kN;P8～P16的單胎作用面積為1 934 cm2，單胎作用力174 kN。檢算臨時(shí)橋面板時(shí)，輪胎接地面積采用700 mm×400 mm(縱×橫)，最大均布?jí)毫?95/(0.4×0.7)=696.4 kPa。

采用Midas軟件中板單元建立臨時(shí)鋼板的模型，依據(jù)運(yùn)梁車偏裝運(yùn)輸32 m箱梁荷載工況，考慮荷載最不利布置后，計(jì)算鋼板的最大應(yīng)力為39.8 MPa＜［σ］=135 MPa，強(qiáng)度滿足。

(3)臨時(shí)工字鋼檢算

I22b型鋼腹板檢算:腹板厚度9.5 mm，輪胎寬度為700 mm，受壓承載力為898 kN。單個(gè)輪胎的最大作用力為195 kN＜898 kN，滿足要求。

I22b型鋼截面模量Wx=325 cm3，根據(jù)《鐵路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.2—2005)I22b型鋼的彎曲容許應(yīng)力［σw］=140 MPa，截面容許彎矩［M］=Wx×［σw］=45.5 kN·m，工字梁橫向支承于與縱梁之上，根據(jù)縱梁間距得出工字鋼的計(jì)算圖式見圖4。根據(jù)輪胎的接觸面積，假定運(yùn)梁車每側(cè)的一個(gè)軸重由2條I22b型鋼承擔(dān)，即1條工字鋼承重195 kN，均布在每側(cè)縱梁間2 m范圍內(nèi)的工字鋼上，均布荷載集度q=195/2=97.5 kN/m。

圖4 工字鋼計(jì)算圖式(單位:m)

計(jì)算得 Mmax=41.4 kN·m ＜［M］，σw=127 MPa，工字鋼強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3.2 運(yùn)梁車過梁檢算

(1)臨時(shí)支墩的布置

設(shè)計(jì)初期按照不影響富民大街機(jī)動(dòng)車通行的原則，同時(shí)滿足相關(guān)計(jì)算要求，在模型的每側(cè)系梁布置6個(gè)支承點(diǎn)，具體位置見圖5。

圖5 臨時(shí)支墩布置(單位:m)

(2)模型的建立

采用Midas中的梁?jiǎn)卧o拱肋的縱橫梁模型，荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、臨時(shí)橋面系荷載等，計(jì)算中將運(yùn)梁車荷載分別加在4道縱梁上，然后進(jìn)行組合。由于運(yùn)梁車過梁時(shí)速度很慢，故不考慮運(yùn)梁車的動(dòng)力作用。

(3)計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算，運(yùn)梁車過橋時(shí)，縱梁的最大應(yīng)力為25.2 MPa，橫梁最大應(yīng)力為71.6 MPa，系梁最大應(yīng)力為37.5 MPa。恒載作用下的橋梁最大豎向位移為－3.5 mm，恒載+運(yùn)梁車作用下的最大豎向位移為－12.1 mm。計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.3 架橋機(jī)過梁檢算

采用運(yùn)梁車馱運(yùn)架橋機(jī)過梁，根據(jù)TLJ900型架橋機(jī)橋間轉(zhuǎn)移圖，無論是低位馱運(yùn)過橋還是高位馱運(yùn)過橋，總架橋機(jī)作用力為5 600 kN，遠(yuǎn)小于32 m簡(jiǎn)支箱梁重，故該荷載工況不控制。

3.4 架橋機(jī)架設(shè)箱梁檢算

(1)架設(shè)過程中整體檢算

建立Midas模型，將架設(shè)過程中的運(yùn)梁車各軸重分?jǐn)偟酱宋恢玫?道縱梁上，不考慮運(yùn)梁車的每個(gè)單胎作用力對(duì)縱梁的扭轉(zhuǎn)作用。架橋機(jī)支腿反力、運(yùn)梁車支腿反力及P1按集中荷載加到端橫梁上，并考慮對(duì)端橫梁產(chǎn)生的扭矩。

計(jì)算結(jié)果表明:架梁過程中梁體最大豎向位移為－13.1 mm，最大組合應(yīng)力為78.3 MPa，均出現(xiàn)在第13道橫梁附近，計(jì)算結(jié)果滿足要求。

(2)架設(shè)過程中局部檢算

由于架設(shè)本橋兩端簡(jiǎn)支箱梁過程中，端橫梁上頂板要承受巨大的架橋機(jī)支腿反力，同時(shí)端橫梁又為箱室結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，需建立有限元模型進(jìn)行局部分析?？紤]架橋機(jī)支腿位置及作用力關(guān)于橋面中心線對(duì)稱，計(jì)算中沿橋面中心線取一半端橫梁進(jìn)行分析，對(duì)稱面上設(shè)對(duì)稱約束，采用Midas板單元建立模型如圖6所示，支腿作用力按面荷載考慮。

圖6 端橫梁局部計(jì)算模型

根據(jù)架橋機(jī)架設(shè)荷載工況，在架設(shè)本橋兩側(cè)的簡(jiǎn)支箱梁過程中，端橫梁要承受的前支腿最大反力為3 110 kN，后支腿最大反力為2 215 kN。通過Midas局部模型計(jì)算，借助簡(jiǎn)單的橋面板局部加勁，端橫梁上頂板應(yīng)力均超過鋼材的屈服強(qiáng)度，應(yīng)力和變形均不能滿足要求。

考慮到盡可能地將支腿反力傳至橋墩承受，減少端橫梁上頂板的受力，最終施工方案采用支腿下設(shè)50 mm厚的鋼墊板N4，并在端橫梁內(nèi)外部加豎向鋼支撐，且內(nèi)外鋼支承要求豎向?qū)R支腿中心，鋼支承下部為了達(dá)到支承端橫梁的目的，在鋼支承下部與端橫梁底板考慮用楔形鋼板N5打緊，前支腿鋼支承構(gòu)造見圖7。

采用上述措施后，前、后支腿作用下端橫梁頂板最大正應(yīng)力分別為111.4 MPa和97.2 MPa，最大組合應(yīng)力分別為107.7 MPa和86.4 MPa，同時(shí)對(duì)架橋過程中內(nèi)外部鋼支承的應(yīng)力、變形進(jìn)行了檢算，結(jié)果表明上述均滿足規(guī)范要求。

圖7 前支腿鋼支承截面(單位:mm)

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)成拱前運(yùn)梁車過梁和架設(shè)箱梁過程分析，研究了鋼箱疊拱橋縱橫梁和端橫梁的受力特點(diǎn)，為制定可行的施工方案提供依據(jù)，為以后同類橋梁的施工檢算提供有益參考。

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