轉(zhuǎn)體施工鋼-混混合連續(xù)梁橋的應(yīng)用研究

張 軍

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

新建橋梁跨越既有鐵路、公路時(shí)，因既有交通運(yùn)輸繁忙，常規(guī)結(jié)構(gòu)及施工工藝無(wú)法滿足跨越能力要求，需對(duì)上跨鐵路、公路的橋梁從結(jié)構(gòu)形式、施工工藝及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮。目前，鋼-混組合梁越來(lái)越多地應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)中，高強(qiáng)輕質(zhì)的鋼材顯著提高了橋梁的跨越能力，轉(zhuǎn)體施工可最大限度地減小了施工對(duì)既有交通運(yùn)輸造成的影響，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均十分顯著。本文以延崇高速上跨大秦鐵路橋跨越大秦鐵路和京新高速孔跨布置為(52+140+49) m的鋼-混混合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)為例，分析總結(jié)鋼-混混合梁的選用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)總體構(gòu)造

延崇高速上跨大秦鐵路橋中跨跨越京新高速、P1匝道及大秦鐵路，為滿足公路及鐵路限界需求，中跨跨徑為140 m；大樁號(hào)側(cè)邊跨受互通匝道的影響，長(zhǎng)度僅為49 m；因結(jié)構(gòu)邊中跨比較小，且中跨跨度大，因此在中跨選用混合梁結(jié)構(gòu)形式；小樁號(hào)側(cè)限制條件較少，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)合理受力、避免負(fù)反力的出現(xiàn)，可適當(dāng)增大跨度，故小樁號(hào)側(cè)選取52 m。故橋梁的孔跨形式選取(52+140+49) m三跨連續(xù)梁。

為增加中跨的跨越能力，降低主梁梁高，在中跨跨中采用60 m長(zhǎng)的鋼箱梁，其余部分梁體采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。混凝土部分按照全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，采用變高梁，鋼箱梁部分采用等高梁，鋼混結(jié)合段長(zhǎng)2.0 m，中跨合龍段為鋼箱梁段。混凝土箱梁頂板厚30 cm，底板厚30～85 cm，邊跨腹板厚75 cm，中跨腹板厚65～75 cm；鋼箱梁梁高4.0 m，頂板、底板及腹板厚度均為16 mm，箱梁標(biāo)準(zhǔn)段橫隔板與橫肋板間隔布置，間距均為2 m。邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)度為4 m，中跨合龍段長(zhǎng)度為3.5 m；小樁號(hào)側(cè)轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度為48 m(邊跨)+70.25 m(中跨)，大樁號(hào)側(cè)轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度為45 m(邊跨)+66.25 m(中跨)。通過(guò)增加邊腹板厚度、邊跨設(shè)置 3 m后壓重橫梁、邊跨梁端底板設(shè)置永久壓重等措施減小轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中的不平衡彎矩，保證成橋狀態(tài)邊支座存在500 kN壓力。

2 混合梁選用及關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鋼-混結(jié)合段需要實(shí)現(xiàn)混合梁的整體受力及變形協(xié)調(diào)，是混合梁橋的關(guān)鍵技術(shù)?；旌狭褐袖撓淞号c混凝土梁的剛度差異較大，結(jié)合段作為混凝土梁與鋼箱梁的連接部位，應(yīng)選取合理的構(gòu)造形式實(shí)現(xiàn)剛度的平穩(wěn)過(guò)渡。鋼-混結(jié)合段的構(gòu)造形式主要分為有格室和無(wú)格室兩種。

2.1 鋼-混結(jié)合段位置選取

結(jié)合段作為混合梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其位置的選取決定著結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合段一般位于主梁彎矩和剪力均較小的位置，使結(jié)構(gòu)具有較好的抗疲勞性及耐久性；因采用先支架現(xiàn)澆后轉(zhuǎn)體的施工方案，且轉(zhuǎn)體重量較大，需嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)體過(guò)程中的不平衡彎矩，不平衡彎矩也同樣決定了鋼混結(jié)合段位置的選取。

在方案設(shè)計(jì)階段對(duì)鋼箱梁的長(zhǎng)度進(jìn)行了比選，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼箱梁長(zhǎng)度為60 m時(shí)，結(jié)合段所處位置的彎矩及剪力較小，且轉(zhuǎn)體過(guò)程中的自重不平衡彎矩值較小。

2.2 鋼-混結(jié)合段構(gòu)造特點(diǎn)

本橋鋼混結(jié)合段采用部分截面連接承壓傳剪式。主要依靠承壓鋼板以承壓的方式傳遞梁的軸力。僅在鋼梁側(cè)由鋼梁的頂板、底板、腹板形成雙壁板，在雙壁板內(nèi)部設(shè)PBL剪力鍵，形成鋼隔室，鋼隔室內(nèi)填充混凝土。豎向剪力由混凝土斷面和連接于承壓鋼板的PBL剪力鍵傳遞。

頂板采用變高剛度過(guò)渡“T”型加勁板肋縱向加勁，由結(jié)合面至剛度過(guò)渡板終端，底板亦采用變高剛度過(guò)渡“T”型加勁板肋縱向加勁，實(shí)現(xiàn)剛度的平穩(wěn)過(guò)渡。

圖1 鋼混結(jié)合段立面示意圖(mm)

結(jié)合面處承壓板在混凝土箱梁側(cè)立面布設(shè)圓柱頭抗剪焊釘，抗剪焊釘規(guī)格采用φ22×150 mm。結(jié)合面往混凝土側(cè)采用鋼隔室鋼混組合結(jié)構(gòu)，鋼隔室腹板上和腹板剪力板上開(kāi)有60 mm圓孔并穿過(guò)直徑20 mm的HRB400鋼筋，與進(jìn)入該圓孔的混凝土包裹在一起形成PBL剪力鍵。頂板和底板的鋼隔室頂層均開(kāi)設(shè)混凝土灌注孔，鋼隔室內(nèi)腔內(nèi)均填充高性能自密實(shí)鋼纖維混凝土。由于結(jié)構(gòu)受力的需要，在鋼混結(jié)合段設(shè)置了局部預(yù)應(yīng)力索，預(yù)應(yīng)力鋼束在承壓板上錨固，錨墊板與承壓板磨光頂緊后焊接，如圖1所示。

2.3 鋼-混結(jié)合段受力分析

順橋向選取箱梁鋼混結(jié)合段位置21.7 m范圍梁段作為計(jì)算對(duì)象[1-2]，計(jì)算采用ANSYS有限元軟件建立模型進(jìn)行分析計(jì)算?；炷敛捎肧OLID65單元模擬，鋼板采用SHELL63單元，預(yù)應(yīng)力鋼束采用LINK180單元，剪力釘及PBL鍵采用COMBINE39單元模擬，忽略鋼板和混凝土之間的粘結(jié)滑移，作為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，混凝土與鋼板通過(guò)PBL剪力鍵和剪力釘連接受力[3-4]。

鋼材的屈服準(zhǔn)則均采用VonMises準(zhǔn)則，等效應(yīng)力SEQV定義如下：

其中，σ1，σ2，σ3分別為材料三個(gè)方向的主應(yīng)力。當(dāng)SEQV≤fy時(shí)，鋼材處于彈性狀態(tài)；當(dāng)SEQV>fy時(shí)，鋼材屈服。計(jì)算結(jié)果如表1所示。應(yīng)力圖示如圖2、圖3所示。

表1 鋼混結(jié)合段鋼板計(jì)算結(jié)果表

圖2 混凝土箱梁第一主應(yīng)力圖

圖3 混凝土箱梁第三主應(yīng)力圖

混凝土箱梁順橋向拉應(yīng)力均普遍小于1.2 MPa，混凝土箱梁橫橋向壓應(yīng)力最大值為11.9 MPa，剔除應(yīng)力集中點(diǎn)外其余均在安全范圍內(nèi)。

PBL剪力鍵的最大剪力為51.57 kN，小于其抗剪承載力；剪力釘?shù)淖畲蠹袅?8.20 kN，小于其抗剪承載力。

2.4 鋼-混結(jié)合段施工關(guān)鍵技術(shù)

鋼-混結(jié)合段結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鋼筋及預(yù)應(yīng)力束較多、施工難度較大，是全橋施工的重點(diǎn)環(huán)節(jié)之一，施工工藝流程，如圖4所示。

圖4 鋼-混結(jié)合段施工流程圖

鋼-混結(jié)合段鋼梁部分采用整體吊裝到位，應(yīng)對(duì)鋼梁位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)調(diào)整，確保鋼梁線形準(zhǔn)確到位，對(duì)支承結(jié)合段連接施工的臨時(shí)支架，進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，支架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性應(yīng)滿足使用的要求，并充分考慮變形、地基的不均勻沉降和日照溫差等因素對(duì)支架系統(tǒng)的不利影響[5]；由于鋼混結(jié)合段PBL鍵較多且鋼筋不能截?cái)?，?yīng)優(yōu)先施工PBL鍵，然后進(jìn)行模板安裝和鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼束的安裝；應(yīng)在一天當(dāng)中溫度較低且平穩(wěn)的時(shí)段進(jìn)行混凝土的澆筑[6]，應(yīng)采用微膨脹低收縮混凝土，澆筑時(shí)分層布料，鋼格室內(nèi)的混凝土通過(guò)澆筑孔下料，相隔倉(cāng)面混凝土高差控制在30 cm左右，使剪力鍵內(nèi)混凝土氣泡順利排出，澆筑時(shí)應(yīng)仔細(xì)振搗，避免振搗時(shí)對(duì)剪力鍵、預(yù)應(yīng)力元件的損傷，確保該部分混凝土質(zhì)量。澆筑完成后，必要時(shí)從預(yù)留壓漿孔向各個(gè)鋼格室內(nèi)灌注水泥漿，填充混凝土與鋼箱梁未緊密結(jié)合處?；炷两?jīng)養(yǎng)護(hù)達(dá)到足夠的強(qiáng)度后方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。

2.5 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)體下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動(dòng)牽引系統(tǒng)組成[7]。

下轉(zhuǎn)盤作為支承轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部重量的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤共同形成基礎(chǔ)，下轉(zhuǎn)盤為八邊形結(jié)構(gòu)，下轉(zhuǎn)盤長(zhǎng)38.2 m，寬21.2 m，高5 m。轉(zhuǎn)體球鉸選用直徑 5 200 mm，高度903 mm的鋼球鉸。上轉(zhuǎn)盤為八邊形構(gòu)造，長(zhǎng)25.35 m，寬17.1 m，高4.0 m，布設(shè)縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力筋，縱橫向采用18-7φ5高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，豎向采用直徑為32 mm的精軋螺紋鋼。上轉(zhuǎn)盤內(nèi)預(yù)埋轉(zhuǎn)體牽引索，每根索埋入轉(zhuǎn)盤長(zhǎng)度均大于4.5 m，每對(duì)索的出口點(diǎn)對(duì)稱于轉(zhuǎn)盤中心，牽引索選取25-7φ5的鋼絞線。平面關(guān)系如圖5所示，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)立面如圖6所示。

圖5 平面關(guān)系示意圖

圖6 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)立面示意圖(mm)

2.6 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)受力分析

采用ANSYS對(duì)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)進(jìn)行分析，按照設(shè)計(jì)球鉸實(shí)際參數(shù)建立球鉸節(jié)點(diǎn)接觸模型：建立模型并劃分網(wǎng)格→識(shí)別接觸對(duì)→指定接觸面和目標(biāo)面→定義剛性目標(biāo)面→定義柔體的接觸面并生成單元→定義實(shí)常數(shù)和單元 KEYOPT 接觸行為→剛性目標(biāo)面運(yùn)動(dòng)控制→定義邊界條件并施加荷載→定義求解選項(xiàng)并求解?；炷敛捎肧OLID45單元進(jìn)行模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束及精軋螺紋鋼采用link8單元進(jìn)行模擬，球鉸上、下球鉸體之間接觸部位，下球鉸作為目標(biāo)面，運(yùn)用到的單元型號(hào)是Targe170[8]；上球鉸被指定為接觸面，其運(yùn)用到的單元型號(hào)是Conta173，如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)有限元模型圖

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體施工過(guò)程為平衡轉(zhuǎn)體。模型采用非線性分析，未考慮材料非線性及結(jié)構(gòu)的幾何非線性，僅考慮接觸非線性分析。應(yīng)力圖示如圖8～圖10所示。

圖8 上轉(zhuǎn)盤主拉應(yīng)力圖

圖9 上轉(zhuǎn)盤主壓應(yīng)力圖

圖10 球鉸壓應(yīng)力圖

剔除預(yù)應(yīng)力錨固處所引起的應(yīng)力集中，上轉(zhuǎn)盤拉應(yīng)力小于1.6 Pa，壓應(yīng)力小于11.7 Pa，球鉸處壓應(yīng)力小于16.2 Pa?？芍瓑簯?yīng)力均小于材料的容許值。

2.7 轉(zhuǎn)體施工控制要點(diǎn)

(1)轉(zhuǎn)體前上轉(zhuǎn)盤與承臺(tái)之間采取有效措施進(jìn)行臨時(shí)鎖定。臨時(shí)鎖定結(jié)構(gòu)從整個(gè)安裝受力到拆除，工作持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，需保證持續(xù)受壓狀態(tài)下鎖定結(jié)構(gòu)保持較小的變形，需要等載與超載壓力試驗(yàn)，確定臨時(shí)鎖定結(jié)構(gòu)的承壓能力，確保臨時(shí)鎖定結(jié)構(gòu)滿足耐久、嚴(yán)密、低應(yīng)變的要求。

(2)由于主梁結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，轉(zhuǎn)體球鉸兩側(cè)在恒載作用下存在不平衡彎矩，為保證轉(zhuǎn)體施工的順利進(jìn)行，在轉(zhuǎn)體之前需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)稱重試驗(yàn)，測(cè)試轉(zhuǎn)體部分的不平衡力矩，偏心距、摩擦力矩及摩擦系數(shù)等參數(shù)[9-10]，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行臨時(shí)配重，轉(zhuǎn)體不平衡距小于5 cm方能進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工，以確保施工安全。應(yīng)在平轉(zhuǎn)環(huán)道處設(shè)置稱重反力架，布置稱重千斤頂及傳感器，稱重千斤頂應(yīng)前后左右對(duì)稱布置，稱重反力架應(yīng)能滿足局部應(yīng)力的要求。整幅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不平衡彎矩為 3×104kN·m，應(yīng)在邊跨進(jìn)行配重。

(3)嚴(yán)格控制啟動(dòng)和制動(dòng)，必須利用千斤頂反力座啟動(dòng)，發(fā)現(xiàn)有偏轉(zhuǎn)應(yīng)及時(shí)糾偏，啟動(dòng)牽引應(yīng)注意緩慢加載，并及時(shí)觀測(cè)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)狀態(tài)，確保啟動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)安全。

2.8 合龍段施工

合龍段鋼箱梁需拼裝完成后整體運(yùn)至設(shè)計(jì)合龍段位置，故在大樁號(hào)側(cè)臨時(shí)墩設(shè)臨時(shí)支撐，在主梁頂面搭設(shè)軌道(軌道應(yīng)在箱梁腹板寬度范圍布設(shè)，同時(shí)軌道不應(yīng)偏離腹板寬度中線10 cm)，利用橋面吊機(jī)吊裝合龍段鋼箱梁并將其運(yùn)輸?shù)胶淆埗挝恢茫淆埗尉_就位后，同步焊接合龍段兩側(cè)焊縫。鋼箱梁合龍段吊裝重量較輕，吊裝過(guò)程中可保證梁體結(jié)構(gòu)安全可靠，減小施工難度。鋼箱梁合龍段還具有精度高、施工工期短的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)論

針對(duì)上跨鐵路橋梁跨越鐵路部分跨度大，邊跨受限跨度小的情況，可考慮采用鋼-混凝土混合梁的形式，本文對(duì)轉(zhuǎn)體鋼-混凝土混合梁連續(xù)梁橋在跨鐵路橋梁中的應(yīng)用，從結(jié)構(gòu)形式、施工工藝等方面展開(kāi)研究，得出了以下結(jié)論。

(1)邊跨采用混凝土梁，增加了邊跨的重量和剛度，起到了壓重的作用，使邊跨支點(diǎn)不出現(xiàn)拉應(yīng)力；中跨跨中采用鋼箱梁，既提高了橋梁的跨越能力，又顯著減輕中跨重量；鋼混結(jié)合段既需要處在結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小的區(qū)域內(nèi)，又要減小轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中不平衡自重，對(duì)不同位置的結(jié)合段進(jìn)行對(duì)比，最終確定鋼梁長(zhǎng)度，結(jié)合段所處位置結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，且轉(zhuǎn)體過(guò)程中的不平衡彎矩值較小。

(2)鋼混結(jié)合段采用有格室后承壓板式結(jié)構(gòu)，構(gòu)造合理，傳力及剛度過(guò)渡平順，結(jié)構(gòu)安全可靠。鋼混結(jié)合段的應(yīng)力值均小于材料的容許值，承壓板錨下位置處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在模型中為模擬錨墊板及錨下承壓鋼筋，工程實(shí)際中應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)顯著減輕。

(3)轉(zhuǎn)體施工顯著減小了對(duì)既有鐵路正常運(yùn)營(yíng)的影響；上轉(zhuǎn)盤及球鉸作為轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的主要受力構(gòu)件，在轉(zhuǎn)體過(guò)程中拉壓應(yīng)力均小于材料的容許值。進(jìn)行轉(zhuǎn)體前應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行稱重及臨時(shí)配重，使結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)體不平衡距小于5 cm，確保轉(zhuǎn)體施工的順利進(jìn)行。

(4)合龍段鋼梁需從大樁號(hào)側(cè)主梁運(yùn)至合龍段位置，采用鋼箱梁可顯著減小結(jié)構(gòu)重量，減小施工難度。