運架梁施工對既有橋梁結(jié)構(gòu)影響分析

鄭軍星，郝先慧，李二偉，徐旭升

（中鐵七局集團勘測設(shè)計研究院，鄭州450000）

近些年我國鐵路設(shè)施建設(shè)快速推進，預(yù)計到2020 年達到“八縱八橫”客運專線，總里程達15 萬公里. 隨著高速鐵路的快速發(fā)展，對提高施工效率和施工質(zhì)量有了更高的要求，目前大多采用預(yù)制場預(yù)制架橋機架設(shè)方法［2-4］和“提、運、架”相結(jié)合的施工方法可大幅度節(jié)約工期，降低工程成本［5］.由于鐵路預(yù)制梁具有體積大、重量大、運輸難度高等特點，因此在運架過程中對已建橋梁的結(jié)構(gòu)影響不容忽視.本文依托鄭濟客專項目，運架梁施工過程中對相鄰跨既有簡支橋梁結(jié)構(gòu)承載力進行驗算分析，為以后運架預(yù)制梁工程項目提供參考經(jīng)驗.

1 工程概況

1.1 運架梁系統(tǒng)

本文預(yù)制箱梁采用YL900A 型運梁車運輸，運梁車自重約253 t，最大運載能力900 t，走行輪軸32個，軸縱向間距1.9 m，輪胎數(shù)量64 個，輪距5000/1130 mm，輪胎接觸面長60 cm，寬50 cm.JQ900A型架橋機外形尺寸（長×寬×高）為67.1 m×17.4 m×14.6 m，自重約530 t，額定起重量900 t（不含吊具），適應(yīng)32 m、24 m 雙線單箱單室箱梁施工.架橋機中支腿中心距6.0 m，單個中支腿作用面積為1.6 m（縱向）×0.8 m（橫向）；后支腿橫向中心距8.36 m，單個輪胎接地面積為180 mm（縱向）×350 mm（橫向）.

1.2 相鄰跨既有簡支箱梁參數(shù)

新建鄭州至濟南鐵路，鄭州至濮陽段相鄰跨既有簡支箱梁截面類型為單箱單室等高度箱梁，梁頂板、底板及腹板由跨中向梁端線性加厚.橋梁寬12.6 m，梁長為24.6 m，計算跨度23.5 m，單片箱梁自重679.6 t.箱梁橫橋向支座中心距均為5.5 m，其軌下箱梁截面高度3.048 m.

2 計算結(jié)果及分析

2.1 荷載工況分析

JQ900A 型架橋機R1 號、R2 號、R3 號支腿移動至架梁位置，R1 號支腿位于待架梁跨前墩，R2 號支腿位于已架梁跨前端梁頂，距離已架梁跨前墩中線1 m.R3 號支腿位于已架梁上.YL900A 型輪胎式運梁車運送預(yù)制梁走行到距離梁端4.8 m 位置.運架梁工作流程如圖1 所示.

圖1 運架梁工作流程圖

2.1.1既有梁橋縱向受力分析

圖2 為運架梁過程中相鄰跨24 m 簡支箱梁縱向受力示意圖.圖中P1、P2 為運梁車單輪荷載，P2為中支腿反力，P3 為后支腿反力，L 為運梁車端與梁端距離.運梁車運輸箱梁過孔且后車滿載于已架設(shè)箱梁跨時為最不利工況.架橋過程分三個工況，工況一為1 號起重車取梁，工況二為2 號起重車取梁前，工況三為2 號起重車取梁.各工況下車輪荷載取值如表1 所示.

圖2 相鄰跨既有24 m箱梁縱向受力圖

表1 各工況下車輪荷載取值表

2.1.2既有梁橋橫向受力分析

（一）過孔工況

圖3 為過孔工況相鄰跨箱梁橫向受力圖.取跨中單位長度截面進行橫向受力計算.偏安全考慮，運梁車單輪荷載取P1=19 t.運梁車輪胎縱向作用寬度為500 mm，則換算均布荷載為10.4 t/m，架橋機支腿縱向作用寬度為350 mm，換算均布荷載為

30.8 t/m.

圖3 為過孔工況已建箱梁橫向受力圖

（二）架橋工況

對架梁過程中各工況箱梁橫橋向受力分析可知，工況三架橋機中支腿作用處的梁端截面橫向受力最不利，取單位長度截面進行橫向受力計算.圖4為單位長度已建箱梁橫向受力圖.中支腿荷載P3=455 t.中支腿橫向作用寬度為800 mm，由于端部腹板厚度1072 mm，故此處荷載按集中力加載.車輪作用在板支撐處附近，由公路混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范可知縱向作用寬度為：

式中：a1為車輪著地尺寸，取1.6 m；h 為鋪裝層厚度，取0；t 為端部頂板厚度，取0.67 m.

圖4 工況三已建箱梁橫向受力圖

2.2 整體安全性驗算

2.2.1 計算模型

采用計算軟件Midas Civil 建立簡支梁單元模型如圖5 所示，對相鄰跨簡支梁進行縱向整體受力分析.

（1）定義材料

①C50 混凝土，彈性模量取3.55×104MPa，泊松比0.2，容許應(yīng)力13.4 MPa.

②預(yù)應(yīng)力鋼絞線，1860鋼絞線，彈模1.9×105MPa，泊松比0.3，控制拉力1395 MPa.

（2）定義截面

利用SPC 截面計算器計算梁端、跨中截面參數(shù)，導(dǎo)入Midas Civil 生成截面特性值.

（3）建立節(jié)點、梁單元，依據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼束豎彎、平彎大樣圖輸入模型中.

（4）建立邊界條件.支座采用一般彈性支承約束，支座與橋梁連接采用線性彈簧連接.

（5）施加荷載.施加自重、架橋機靜力荷載，運梁車移動荷載采用車道加載方式施加.

（6）建立施工階段，進行PSC 后處理設(shè)計.

圖5 簡支梁橋計算模型

2.2.2上下翼緣正應(yīng)力驗算

利用Midas Civil 建模計算，表2 為各工況上下翼緣最大應(yīng)力，從表中可以看出各工況上下翼緣最大正應(yīng)力小于規(guī)范要求C50 混凝土抗壓設(shè)計值，運架梁車施工不會對已建橋梁結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響.

表2 各工況上下翼緣最大應(yīng)力（MPa）

圖6 為各工況下梁橋下翼緣正應(yīng)力圖.從圖中可以看出各工況截面受拉邊緣正應(yīng)力由端部向中部逐漸變大，跨中達到應(yīng)力最大值.在各施工工況中，過孔狀態(tài)邊緣正應(yīng)力最大，跨中截面受拉邊緣正應(yīng)力達到7.9 MPa；架橋狀態(tài)一工況下截面受拉邊緣正應(yīng)力最小，應(yīng)力達到4.3 MPa.

圖6 梁橋下翼緣受拉邊緣正應(yīng)力圖（MPa）

2.2.3正截面抗裂、強度驗算

依據(jù)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（TB10092-2017）［6］規(guī)定，對于受彎構(gòu)件計算抗裂安全系數(shù)：

式中：Kf為抗裂安全系數(shù)，設(shè)計要求不低于1.1；σc為扣除預(yù)壓應(yīng)力損失后的預(yù)壓應(yīng)力；σ 為截面受拉邊緣產(chǎn)生的正應(yīng)力；fct為混凝土抗拉極限強度；γ 混凝土塑性修正系數(shù).

對于翼緣位于受壓區(qū)的T 形受彎構(gòu)件正截面強度計算公式：

當(dāng)截面受壓區(qū)高度大于等于2a'且不大于0.4hp

正截面強度計算公式：

式中：K 為強度系數(shù)，設(shè)計要求不低于1.8；fp、fs為預(yù)應(yīng)力鋼筋與非預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉計算強度；ap、as為預(yù)應(yīng)力鋼筋與非預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉面積；bf'、hf'為翼緣受壓區(qū)寬度和高度；Mn為混凝土設(shè)計值；M 為混凝土計算值.

圖7 為各工況下梁橋抗裂安全系數(shù)圖.從圖中可以看出各工況截面抗裂安全系數(shù)由端部向中部逐漸變小，跨中截面最危險.在各施工工況中，過孔狀態(tài)下跨中截面處抗裂安全系數(shù)最小達到1.88，高于設(shè)計允許值1.1，梁橋在各工況下抗裂滿足要求.

圖7 梁橋抗裂安全系數(shù)

圖8 為各工況下梁橋彎矩圖.從圖中可以看出在各施工工況中，過孔狀態(tài)彎矩值最大，跨中截面彎矩達到4.6e5（kN·m）；架橋工況一彎矩值最小，跨中截面彎矩為2.4e5（kN·m）；梁橋設(shè)計跨中彎矩為10.5e5（kN·m）.通過強度系數(shù)公式可得出算各工況下強度安全系數(shù).各工況截面強度安全系數(shù)由端部向中部逐漸變小，在各施工工況中，過孔狀態(tài)下跨中截面處強度安全系數(shù)最小達到2.24，高于設(shè)計允許值1.8，梁橋在各工況下強度滿足要求.

圖8 各工況下梁橋彎矩圖

2.2.4支座承載力驗算

根據(jù)Midas Civil 計算結(jié)果可得各工況下簡支梁橋支座反力如表3 所示. 設(shè)計中既有簡支梁橋采用PZ-4500 型雙支座，從表3 中可以看出2 號吊車起吊前，最大支座反力達到5620 kN，在架橋施工過程中需要通過在架橋機中支腿作用處的梁端永久支座橫橋向附近各增設(shè)1 臺200 t 千斤頂進行加固處理，能夠滿足永久支座受力要求.

表3 各工況下簡支梁橋支座反力

2.3 簡支梁橫橋向驗算

橋面板中部截面頂、底面橫向鋼筋均為8D20@125，上頂板厚度為350 mm，端部截面在腹板上下緣沿橫橋向配置的鋼筋均為10D22@100，上頂板厚度為670 mm，混凝土凈保護層厚度為35 mm，故as=a's=35 mm，外側(cè)翼緣板上、下面均為D16@125，腹板鋼筋用D18@125.對頂板下緣、頂板上緣、腹板外側(cè)進行鋼筋和裂縫檢算.

2.3.1 鋼筋驗算

依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［7］，梁頂板鋼筋拉應(yīng)力依據(jù)正截面受彎承載力驗算，計算中不考慮受壓區(qū)鋼筋面積.

相對受壓區(qū)高度為：

則橋面板抗彎承載力：

式中：fy鋼筋抗拉計算強度；AS為受拉區(qū)鋼筋面積；h0截面有效高度；M 彎矩設(shè)計值；fc混凝土軸心抗壓強度；b 腹板寬度.

腹板外側(cè)鋼筋驗算，按壓彎構(gòu)件計算：

腹板抗彎承載力：

式中：N 為軸向力計算值.

2.3.2 裂縫驗算

橫向計算時，不考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋作用，按照《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［6］中6.2.7 條要求計算橋面板下緣最大裂縫寬度.

頂板縱向受拉鋼筋應(yīng)力：

腹板縱向受拉鋼筋應(yīng)力：

式中：N 為準(zhǔn)永久組合軸向力計算值；Ms為準(zhǔn)永久組合彎矩值；e 為準(zhǔn)永久組合軸向力計算值；Ms為準(zhǔn)永久組合彎矩值.

式中：wf為裂縫寬度；k1為鋼筋形狀表面影響系數(shù)，取0.72；uz受拉鋼筋有效配筋率；M 為全部計算荷載下組合彎矩值；M1為活載作用下彎矩值；M2為恒載作用下彎矩值.

2.3.3橋面板局部承壓計算

（1）跨中截面驗算

運梁車接地尺寸為500 mm（縱向）×700 mm（橫向），因為橋面板最厚為360 mm＜1000 mm，則取β=1.0.

（2）中支腿端部截面驗算

中支腿接地尺寸為1600 mm（縱向）×800 mm（橫向），因為橋面板最厚為670 mm＜1000 mm，則取β=1.0.

2.3.4驗算結(jié)果

對運架梁過程中各工況箱梁橫橋向受力分析可知，跨中截面頂板厚度最薄，僅為350 mm，跨中截面受運梁車車輪荷載作用.工況三架橋機中支腿作用處的梁端截面所受架橋機集中荷載最高，因此梁跨中與端部截面橫向受力最不利.圖9 過孔狀態(tài)跨中截面彎矩圖.圖10 架橋工況三中支腿作用端部截面彎矩圖.從圖中可以看出梁截面最大彎矩值出現(xiàn)在頂板與腹板交接處，依據(jù)混凝土規(guī)范和不利工況橫截面內(nèi)力圖得到橫向受力驗算結(jié)果如表4、表5 所示，從表中可以看出兩種不利工況下鋼筋驗算與裂縫驗算均滿足設(shè)計要求.

圖9 過孔狀態(tài)跨中截面彎矩圖

圖10 架橋工況三中支腿作用端部截面彎矩圖

表4 過孔狀態(tài)跨中截面內(nèi)力計算結(jié)果

表5 架橋工況三端部端部截面內(nèi)力計算結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過對運架梁施工，對既有簡支橋梁結(jié)構(gòu)安全檢算，可以得到以下結(jié)論：

（1）對已建橋梁整體安全性驗算可得：截面最大正應(yīng)力和計算彎矩值出現(xiàn)在跨中位置，正截面抗裂安全系數(shù)大于1.1，正截面強度安全系數(shù)大于1.8，已建橋梁在各施工工況下處于安全狀態(tài).

（2）通過對簡支梁橋跨中、端部截面橫向驗算，頂板與腹板內(nèi)力值小于設(shè)計允許值，計算最大裂縫寬度小于0.2 mm，橋面板局部承壓滿足設(shè)計要求.

（3）2號吊車起吊前，最大支座反力達到5620 kN，需在架橋機中支腿作用處的梁端永久支座橫橋向附近各增設(shè)1 臺200 t 千斤頂.

（4）鐵路預(yù)制梁具有體積大、重量大、運輸難度高等特點，本文的計算方法及結(jié)果可為以后運架預(yù)制鐵路梁工程項目提供參考.