大跨徑鋼箱梁轉(zhuǎn)體T構(gòu)撓度與受力研究

田山坡

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津市 300251）

0 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，公路及市政道路跨越鐵路橋梁日益增多，轉(zhuǎn)體剛構(gòu)橋承載能力高、結(jié)構(gòu)剛度大，施工操控性好，且最大限度的減小了對橋下鐵路交通運輸?shù)挠绊?，故而?yīng)用前景廣泛，日益成為跨越既有繁忙鐵路干線尤其是高速鐵路的首選方案。

但城市高架橋跨越鐵路段橋梁常位于曲線上且受平面線型影響橋梁跨度往往較大，該類結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)明顯，結(jié)構(gòu)受力性能復雜，受條件影響只能采用轉(zhuǎn)體法施工，國內(nèi)相關(guān)橋梁的設(shè)計及研究尚無可借鑒的先例。因此本文以太原市臥虎山路改建工程跨石太客專及石太線立交橋為例，針對大跨徑曲線轉(zhuǎn)體橋的是否帶塔（轉(zhuǎn)體段主梁設(shè)置臨時索塔及拉索）、預拱度設(shè)置、成橋彎矩、墩頂截面應(yīng)力、支座壓力控制等關(guān)鍵技術(shù)及受力性能進行研究，以期為此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考[1-6]。

1 工程概況

臥虎山路是城市快速路系統(tǒng)的一部分，是建設(shè)路快速路的北延，是北部片區(qū)東側(cè)的快速路東環(huán)線，它的建成將有利于進一步推動城市北部片區(qū)建設(shè)的進程，對于充分發(fā)揮政府職能，加快當?shù)亟?jīng)濟社會文化事業(yè)的發(fā)展，促進全市經(jīng)濟和社會的健康協(xié)調(diào)發(fā)展，具有十分重要的意義。

臥虎山路改建工程位于中心城區(qū)東北部，起點現(xiàn)狀臥虎山路，向南跨過北澗河后轉(zhuǎn)向西南，經(jīng)太原動物園，上跨石太高鐵后高架落地，與北中環(huán)澗河路立交銜接。臥虎山路改建工程采用高架線路，路段全長3 480 m，橫斷面采用整幅雙向六車道，標準橋?qū)?8.5 m。

橋梁沿道路線位走向，自北向南需依次跨越石太鐵路上行、石太客專下行、石太客專上行、石太鐵路下行等多條高鐵或電氣化鐵路。上跨鐵路橋位于R=150 m的圓曲線、緩和曲線和直線上，且為滿足鐵路限界要求橋梁孔跨較大，因此梁部采用鋼箱梁。根據(jù)以往橋梁建設(shè)經(jīng)驗以及所跨越鐵路鐵路運營繁忙的特點，考慮橋跨在經(jīng)濟合理的條件下盡可能做到對鐵路影響最小，本次跨鐵路處主橋設(shè)計為2孔100 m鋼箱梁轉(zhuǎn)體T構(gòu)。

轉(zhuǎn)體墩位于既有鐵路北側(cè)。上部結(jié)構(gòu)為100 m+100 m變高度鋼結(jié)構(gòu)箱梁轉(zhuǎn)體T構(gòu)，梁全長200 m，一次轉(zhuǎn)體就位，不再預留后拼段。橋梁為整幅設(shè)橋，橋面寬28.5～31.409 m。橋梁的布設(shè)以整個轉(zhuǎn)體施工過程結(jié)構(gòu)與接觸網(wǎng)帶電部分的高度不小于0.7 m，并且不侵入現(xiàn)狀鐵路允許限界為基本原則，同時考慮預留足夠的安全距離。橋型布置見圖1。

主橋上部結(jié)構(gòu)箱梁采用單箱五室截面，T構(gòu)中間支點處梁高7.5 m，邊支點梁高3.5 m，梁底線形按1.8次拋物線變化。采用直腹板；箱梁頂板厚16～40 mm；底板厚度為16～36 mm；中、邊腹板厚度為16～24 mm。端支點橫向各設(shè)三個支座，中支點墩梁固結(jié)。鋼箱梁立面及平面見圖2，鋼箱梁斷面見圖3。

圖1 橋型布置圖（示例）（單位：mm）

圖2 鋼箱梁一般構(gòu)造圖（單位：mm）

圖3 鋼箱梁斷面圖（單位：mm）

2 工況分析

結(jié)合具體實施情況選取以下工況進行對比分析，工況一，帶塔、梁端不加頂升；工況二，帶塔、梁端加頂升；工況三，不帶塔、梁端不加頂升；工況四，不帶塔、梁端加頂升。以四種工況為例對梁部預拱度設(shè)置、成橋階段墩頂彎矩、墩頂附近施工階段截面應(yīng)力、成橋及運營階段支座壓力進行詳細分析研究。為便于結(jié)果比較，四種工況對應(yīng)同一種計算模型進行相應(yīng)處理。

為避免轉(zhuǎn)體過程中出現(xiàn)較大的撓度轉(zhuǎn)體時，帶塔轉(zhuǎn)體，帶塔具體布置見圖4。轉(zhuǎn)體前在主墩對應(yīng)主梁橋面上設(shè)置臨時索塔，索塔由8根直徑1 200 mm的鋼管柱與型鋼焊接而成，高度為橋面以上29 m。順橋梁向設(shè)置5組Φ5×91平行鋼絲拉索，一端錨固在臨時索塔上，一端與梁體連接，通過拉索對轉(zhuǎn)體前梁體施加拉力，確保轉(zhuǎn)體過程中梁體不產(chǎn)生較大的撓度，轉(zhuǎn)體完成，支座安裝就位后，將索塔及斜拉索拆除。

圖4 帶塔布置圖（單位：mm）

3 分析結(jié)果

3.1 梁部預拱度設(shè)置對比

（1）工況二，帶塔、梁端加頂升預拱度設(shè)置見圖5。從結(jié)果可知，帶塔后拆除臨時支墩后梁端下?lián)?6.9 cm，梁端加頂升把這16.9 cm撓度頂平后跨中撓度回縮了3.5 cm；帶塔轉(zhuǎn)體時梁端撓度值已不是很大，通過設(shè)預拱度可滿足設(shè)計需要；既帶塔再加梁端頂升的意義不是很大，此種情況下轉(zhuǎn)體后梁端頂升可以不加，完全靠設(shè)置預拱度來滿足設(shè)計需要。

圖5 工況二預拱度設(shè)置圖（單位：mm）

（2）工況四，不帶塔、梁端加頂升預拱度設(shè)置見圖6。從結(jié)果可知，不帶塔、拆除臨時支墩后梁端下?lián)?9.9 cm，梁端加頂升把這79.9 cm撓度頂回54.4 cm后梁端還剩25.5 cm；不帶塔轉(zhuǎn)體時梁端撓度值很大，通過梁端頂升消除一部分位移后再設(shè)預拱度可滿足設(shè)計需要，設(shè)置預拱度的幅度明顯減小，梁端加頂升的意義顯現(xiàn)，如果梁端不加頂升只靠設(shè)預拱度來滿足設(shè)計需要這樣給鋼箱梁加工及成橋線形控制帶來很大困難。

3.2 中墩頂附近截面未安裝支座時應(yīng)力對比

（1）帶塔，不加頂升及加頂升后至臨時塔拆除階段應(yīng)力見圖7、圖8；梁端頂升位移為16.9 cm，梁端頂平為止。墩頂截面，主梁上緣拉應(yīng)力由29.8MPa變化為20.4 MPa，主梁下緣壓應(yīng)力由-51.6 MPa變化為-38.4 MPa，變化幅度分別為9.4 MPa和13.2 MPa?？缰薪孛?，主梁上緣由拉應(yīng)力1.89 MPa變化為壓應(yīng)力-17.1 MPa，主梁下緣由壓應(yīng)力-26.2 MPa變化為拉應(yīng)力0.94 MPa，變化幅度分別為18.99 MPa和27.14 MPa。從變化結(jié)果看，帶塔情況下轉(zhuǎn)體后梁端再施加頂升來調(diào)整截面應(yīng)力已經(jīng)意義不大。

圖6 工況四預拱度設(shè)置圖（單位：mm）

（2）不帶塔，不加頂升及加頂升應(yīng)力見圖9、圖10：梁端頂升位移為54.4 cm，剩余梁端位移量通過設(shè)置預拱度來解決。墩頂截面，加頂升后主梁上緣拉應(yīng)力由94.4 MPa變化為56.8 MPa，主梁下緣壓應(yīng)力由-115.7 MPa變化為-69.6 MPa，變化幅度分別為37.6 MPa和46.1 MPa，變化幅度均較大?？缰薪孛妫禹斏笾髁荷暇壚瓚?yīng)力由74.6 MPa變化為12.1 MPa，主梁下緣壓應(yīng)力由-96 MPa變化為-15.8 MPa，變化幅度分別為62.5 MPa和80.2 MPa。由此可知，不帶塔情況下轉(zhuǎn)體后通過梁端施加頂升力來調(diào)整截面應(yīng)力效果較為顯著。

圖8 帶塔、拆除臨時支墩及梁端頂升、去除塔后工況主梁下緣應(yīng)力對比圖

圖9 不帶塔不加頂升拆除臨時支墩及不帶塔梁端加頂升工況主梁上緣應(yīng)力對比圖

圖10 不帶塔不加頂升拆除臨時支墩及不帶塔梁端加頂升工況主梁下緣應(yīng)力對比圖

3.3 墩頂截面成橋彎矩對比

4種工況下，墩頂成橋彎矩數(shù)值見圖11、圖12；帶塔轉(zhuǎn)體后梁端不加頂升成橋階段墩頂主梁彎矩為-837 950 kN·m，帶塔轉(zhuǎn)體后梁端加頂升成橋階段墩頂主梁彎矩為-706 554 kN·m，減小15.7%。不帶塔轉(zhuǎn)體后梁端不加頂升成橋階段墩頂主梁彎矩為-1 353 308 kN·m，不帶塔轉(zhuǎn)體后梁端加頂升成橋階段墩頂主梁彎矩為-909 532 kN·m，減小32.8%。從變化幅度看，不帶塔情況下轉(zhuǎn)體后梁端再施加頂升來調(diào)整墩頂截面彎矩效果明顯。

圖11 帶塔梁端不加頂升及帶塔梁端加頂升工況主梁成橋階段彎矩對比圖

圖12 不帶塔梁端不加頂升及不帶塔梁端加頂升工況主梁成橋階段彎矩對比圖

3.4 成橋及運營時支座反力對比

四種工況，轉(zhuǎn)體后頂升及不頂升的成橋及運營時支座反力見表1～表4（單位：kN）。從工況一及工況二結(jié)果看，帶塔轉(zhuǎn)體后梁端頂升與否運營時支座反力均滿足設(shè)計需要。工況三（不帶塔、梁端不加頂升），運營時72號墩右側(cè)支座出現(xiàn)較大拉力，不滿足設(shè)計需要。工況四（不帶塔、梁端加頂升），運營時支座均有較大壓力儲備，滿足設(shè)計需要。

表1 工況一：帶塔、梁端不加頂升kN

表2 工況二：帶塔、梁端加頂升kN

表3 工況三：不帶塔、梁端不加頂升kN

表4 工況四：不帶塔、梁端加頂升kN

4 結(jié) 語

該文對2孔100 m鋼箱梁轉(zhuǎn)體T構(gòu)在不同工況下?lián)隙仍O(shè)置、墩頂截面應(yīng)力及彎矩、支座反力值進行了對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）帶塔轉(zhuǎn)體，降低了主梁預拱度設(shè)置難度、改善了主梁截面受力、運營時支座壓力得到保障，條件允許及對成橋線形要求較高時建議采用帶塔轉(zhuǎn)體工藝。

（2）不帶塔轉(zhuǎn)體，在轉(zhuǎn)體就位后的主梁梁端施加頂升力的施工方法，梁端位移調(diào)整的幅度較大，雖加大了主梁預拱度設(shè)置難度，但亦能夠較好的改善主梁截面受力，運營時支座壓力同樣能夠得到保障。臥虎山路橋梁轉(zhuǎn)體成功并交付運營，說明該方法是切實可行的。

（3）當進行跨線橋設(shè)計時，平面線形受限，頂推方案無法實施，且需要大跨度跨越時，該類橋型的優(yōu)越性更趨明顯，該橋型在跨線橋工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。