不同施工方法對鐵路連續(xù)梁配束的影響

張國濤

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司　武漢　430063)

不同施工方法對鐵路連續(xù)梁配束的影響

張國濤

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司武漢430063)

摘要為研究不同施工方法對鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁內(nèi)力、配束的影響，采用Midas有限元程序，分別對3種不同施工方法的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁進(jìn)行模擬建模分析。結(jié)果表明，不同施工方法引起的連續(xù)梁內(nèi)力變化較大，進(jìn)而影響配束方式；只有對不同施工方法的內(nèi)力變化及體系轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行分析，才能保證連續(xù)梁在施工階段及運營階段的安全適用、經(jīng)濟(jì)合理。

關(guān)鍵詞鐵路連續(xù)梁支架現(xiàn)澆懸臂澆筑內(nèi)力預(yù)應(yīng)力束次內(nèi)力

1問題的提出

連續(xù)梁屬于超靜定體系橋。它具有受力均勻合理、節(jié)省材料、剛度大、整體性能好、橋面伸縮縫少、抗震性能好等優(yōu)點，預(yù)應(yīng)力技術(shù)的使用，使其跨越能力大大提高，變載面連續(xù)梁更具有造型美觀經(jīng)濟(jì)等特點，所以在公路、鐵路、市政道路上均有廣泛使用。在跨越立交道路、山谷、河流等地區(qū)，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁成為最富有競爭力的主要橋型之一。

在鐵路連續(xù)梁設(shè)計中，經(jīng)常會遇到由于工期不滿足要求，而將懸臂澆筑施工變更為支架現(xiàn)澆施工的情況，有部分設(shè)計人員為減少工作量而沿用原來的預(yù)應(yīng)力束，這樣就涉及到設(shè)計是否滿足結(jié)構(gòu)受力要求，是否有優(yōu)化空間的問題。針對這個問題，本文對32 m+48 m+32 m變載面連續(xù)梁采用不同施工方法進(jìn)行了實例計算分析。

連續(xù)梁常用的施工方法有：①支架施工；②先預(yù)制架設(shè)后連續(xù)；③懸臂拼裝、懸臂現(xiàn)澆；④頂推工；⑤轉(zhuǎn)體施工[1]。但從受力角度考慮，內(nèi)力僅與連續(xù)梁節(jié)段施工的時間及體系轉(zhuǎn)換方式有關(guān)。本文擬對鐵路連續(xù)梁按如下幾種施工方法進(jìn)行對比分析：①一次成橋支架現(xiàn)澆；②先中跨合龍后邊跨合龍懸臂施工；③先邊跨合龍后中跨合龍懸臂施工(以下簡稱方案1~3)。其他施工方法可以類似于以上3種施工方法，如分節(jié)段支架施工和轉(zhuǎn)體施工近似于方案2或 3，先預(yù)制架設(shè)后連續(xù)鐵路橋梁較少采用，頂推施工一般用于等高度梁，這里不做對比分析。

2不同施工方法的內(nèi)力及配束分析

2.1　算例說明

本文引用的算例為鐵路I級32 m+48 m+32 m預(yù)應(yīng)力混凝土凝土連續(xù)梁，梁體采用單箱單室箱型截面，箱梁頂寬12 m，底寬6.7 m，中支點梁高3.7 m，跨中梁高2.7 m，頂板厚35 cm，底板厚35~100 cm，腹板厚為40~75 cm，全聯(lián)設(shè)置4道橫隔板，梁底按拋物線方程變化梁高?？缰泻椭c處截面構(gòu)造圖見圖1。

圖1　跨中和支點處截面構(gòu)造圖(單位：cm)

結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)主要按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[2]取值確定。恒載：按設(shè)計圖提供的尺寸，并根據(jù)施工現(xiàn)場采集的參數(shù)進(jìn)行必要的修正，考慮混凝土容重γ=26.5 kN/m3、二期恒載 143 kN/m和臨時荷載；基礎(chǔ)變位按不均勻沉降差1 cm考慮。豎向活載：中-活載；溫度及混凝土收縮、徐變影響：計算中按設(shè)計及規(guī)范考慮了混凝土實際加載齡期的收縮、徐變的影響。預(yù)應(yīng)力鋼絞線與管道壁的摩擦系數(shù)為0.23，管道局部偏差系數(shù)為0.002 5，鋼絞線回縮及錨具變形6 mm。

2.2　計算模型

本橋采用有限元程序MIDAS進(jìn)行有限元計算分析，方案1，2,全橋共44個單元，45個節(jié)點，見圖2。方案3中，4號單元長度與5號互換，方便合龍段的施工。

圖2單元離散圖

方案1，為一次支架現(xiàn)澆，故未分節(jié)段;方案2，按節(jié)段重量較均勻地分為懸澆段1~5，以及中跨合龍段，邊跨懸澆段，節(jié)段施工順序依序澆筑；方案3相應(yīng)分為懸澆段1~5、邊跨現(xiàn)澆段、邊跨合龍段、中跨合龍段，節(jié)段施工順序依序澆筑。各節(jié)段荷載齡期均按7 d考慮。

2.3　施工階段內(nèi)力分析

方案1無施工過程，只考慮成橋后內(nèi)力；方案2，3分別有9，8個施工過程，方案2，3需要考慮每個施工階段的內(nèi)力，在配束時應(yīng)考慮。支點處各施工階段彎矩見表1。結(jié)果表明，方案2，3在前5個施工階段內(nèi)力均一致，全橋合龍后方案2支點彎矩較方案3大。

表1　各施工階段支點恒載彎矩對比表

2.4　成橋階段內(nèi)力分析

由于鐵路橋梁與公路橋梁有較大差別，根據(jù)鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

規(guī)范》第4.3.4條規(guī)定，鋼束二次力在計算應(yīng)力時應(yīng)考慮，在計算強(qiáng)度時可不考慮。根據(jù)公路規(guī)范承載能力計算也應(yīng)考慮鋼束二次力[3]。由于這個矛盾存在，經(jīng)常會有相同的連續(xù)梁用不同軟件計算而出現(xiàn)不同的強(qiáng)度計算結(jié)果,Bsas軟件默認(rèn)按鐵路規(guī)范不考慮鋼束二次力，橋梁博士和Midas軟件默認(rèn)考慮鋼束二次力。這里用Midas計算時，按鐵路規(guī)范要求增加了自定義的內(nèi)力組合方式，可以分別查看這2種結(jié)果。恒荷載加收縮徐變二次力即為不考慮鋼束二次力的成橋內(nèi)力，計算連續(xù)截面強(qiáng)度時采用，考慮鋼束二次力的成橋彎矩在應(yīng)力計算時采用。

應(yīng)力計算時成橋階段內(nèi)力由恒荷載(除預(yù)應(yīng)力、收縮和徐變之外，在各施工階段激活和鈍化的所有荷載)，鋼束二次(超靜定結(jié)構(gòu)引起的鋼束二次效應(yīng))，徐變二次(徐變變形引起的實際徐變內(nèi)力效應(yīng))，收縮二次(收縮變形引起的實際收縮內(nèi)力效應(yīng))組成。

方案2內(nèi)力圖見圖3~圖7，其他方案結(jié)果按表2與之對比。

圖3　方案2成橋彎矩圖(含二次力)

圖4　方案2恒載彎矩圖

圖5　方案2鋼束二次力彎矩圖

圖6　方案2收縮二次彎矩圖

圖7　方案2徐變二次彎矩圖

注：應(yīng)力計算除考慮恒荷載外還要考慮預(yù)應(yīng)力作用，但對相同配索產(chǎn)生的彎矩相同，為便于比較此表未列。

由表2可見，計算強(qiáng)度時，成橋階段內(nèi)力與成橋方式及體系轉(zhuǎn)換關(guān)系較大，中支點彎矩方案1最小，方案3比方案2小，主要因為方案2在中跨合龍后多澆筑了懸臂塊6號塊；邊跨跨中和中跨跨中彎矩方案1最大，方案3比方案2大；計算應(yīng)力時，成橋階段內(nèi)力中，收縮徐變對結(jié)果影響較小，鋼束二次力影響較大。方案1鋼束二次較小，方案2,3較大，鋼束二次對中支點有利，對跨中不利。鋼束二次力與成橋超靜定以后張拉鋼束有關(guān)?？紤]鋼束二次力后方案2，3的跨中彎矩均較方案1大，支點彎矩卻小于方案1。

2.5　運營階段內(nèi)力分析

運營階段比成橋階段內(nèi)力增加了移動活載和支座不均勻沉降引起的內(nèi)力。3種方案對移動活載及支座沉降引起內(nèi)力相同，移動活載與支座不均勻沉降內(nèi)力組合在邊跨跨中最大值與成橋時內(nèi)力最大值不在同一截面，表中運營階段內(nèi)力最大值為包絡(luò)值不是簡單相加，包絡(luò)后邊跨跨中最大彎矩點在6號單元中心。方案2運營階段彎矩圖見圖8。運營階段內(nèi)力見表3。

圖8　方案2運營階段彎矩圖

由表3可見，運營階段內(nèi)力與成橋內(nèi)力大小排序一致，強(qiáng)度計算(即不考慮二次力)時，跨中彎矩，方案1>方案3>方案2，中支點彎矩，方案1<方案3<方案2；應(yīng)力計算(即考慮二次力)時，跨中彎矩，方案1<方案2<方案3，中支點彎矩，方案1>方案2>方案3。

2.6　配束計算分析

鐵路橋梁配束首先考慮承載能力驗算[4]，由于鐵路橋梁強(qiáng)度安全系數(shù)要求現(xiàn)澆梁取2.2，所以配束多少主要由強(qiáng)度計算控制，在強(qiáng)度滿足要求的前提下考慮應(yīng)力是否滿足規(guī)范要求。

按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)

構(gòu)設(shè)計規(guī)范》6.2.2條，計算梁部的強(qiáng)度安全系數(shù)。

由于配束相同，強(qiáng)度安全系數(shù)比值與運營階段彎矩成反比，3個施工方案相比較：邊跨跨中強(qiáng)度安全系數(shù)比為1∶1.28∶1.25；中支點強(qiáng)度安全系數(shù)比為1∶0.84∶0.85;中跨跨中強(qiáng)度安全系數(shù)比值為1∶1.76∶1.64。顯然，為滿足強(qiáng)度安全系數(shù)不小于2.2,支架現(xiàn)澆方案較懸澆方案，中支點配索較少，跨中配索較多；先中跨合龍方案支點配索較先邊跨合龍方案多，跨中較少。

方案2，3配束時還需考慮各施工階段，滿足強(qiáng)度及應(yīng)力規(guī)范要求。由于施工階段受力較小，且強(qiáng)度安全系數(shù)為1.8,應(yīng)力要求也比運營階段低，一般不控制總體配束。

3結(jié)論

鐵路連續(xù)梁由懸臂澆筑施工變更為支架現(xiàn)澆施工，如果變更設(shè)計沿用原來的預(yù)應(yīng)力束，顯然跨中配索可能不能滿足強(qiáng)度要求，而支點配索偏多，可適當(dāng)優(yōu)化。經(jīng)過對比計算分析，不同的施工方法對強(qiáng)度及應(yīng)力影響較大，應(yīng)根據(jù)不同施工方法的內(nèi)力變化過程進(jìn)行詳細(xì)的計算分析，以保證連續(xù)梁在成橋過程及運營過程中安全適用、經(jīng)濟(jì)合理。

遺留問題：本文結(jié)論均按鐵路規(guī)范，強(qiáng)度計算不考慮鋼束二次力。但強(qiáng)度計算是否考慮鋼束二次力對結(jié)論影響較大，而鐵路規(guī)范與公路規(guī)范有分歧，應(yīng)對是否考慮鋼束二次力的問題進(jìn)行詳細(xì)的實驗分析，確立統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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The Influence of Different Construction Methods on

Prestressed Strand of Railway Continuous Beam

ZhangGuotao

(The fourth Railway Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract：For the study of the influence of different construction methods on internal force and prestressed strand configuration of railway prestressed concrete continuous beam, the finite element program Midas is used to simulate and analyze prestressed concrete continuous beams respectively constructed by three different methods, the results show that different construction methods has great influence on internal force of continuous beam, which can further affect prestressed strand configuration; internal force changes of different construction methods and system conversion process should be analyzed to ensure the safety, applicability and economy of continuous beam in the construction stage and operation stage.

Key words:railway continuous beam; support casting; cantilever casting; internal force; prestressed strand; secondary internal force

收稿日期：2015-03-11

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.021