先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)在高速鐵路渡線區(qū)橋梁的應(yīng)用

寇延春,王德志,蔣啟明

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

簡支梁和連續(xù)梁是我國鐵路橋梁最常用的兩種結(jié)構(gòu)形式，橋上渡線區(qū)無縫道岔要求橋梁結(jié)構(gòu)采用剛度大、整體性好的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，通常稱“渡線連續(xù)梁”[1-2]，其特點是結(jié)構(gòu)連續(xù)，截面等寬，一般采用現(xiàn)澆法施工。對于高墩、軟土地基或跨越道路、河流上的渡線連續(xù)梁，支架現(xiàn)澆施工往往存在較大困難，工程造價高，且現(xiàn)場澆筑混凝土施工質(zhì)量控制難度大。采用預(yù)制架設(shè)先簡支后連續(xù)施工方案，則較好地解決這一難題，它由預(yù)制架設(shè)簡支梁和濕接縫拼裝構(gòu)成，充分利用了簡支梁預(yù)制架設(shè)施工方便的優(yōu)點，通過體系轉(zhuǎn)換后形成連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，具有連續(xù)梁的受力特征，并滿足無縫道岔的受力要求。

本文結(jié)合福廈高鐵福清西站渡線連續(xù)梁設(shè)計[3]，介紹渡線連續(xù)梁先簡支后連續(xù)施工的技術(shù)特點。

1 工程概況

福廈高鐵福清西站為兩臺四線，線間距(6.5+5+6.5) m，中間2條正線，兩側(cè)為到發(fā)線。小里程側(cè)咽喉區(qū)2條到發(fā)線通過42號道岔與正線過渡。受地形和跨越道路、河道和供水暗渠等的影響，小里程咽喉區(qū)和站臺區(qū)采用高架橋梁，根據(jù)無縫道岔要求，咽喉區(qū)采用7×32.7 m預(yù)應(yīng)力混凝土渡線連續(xù)梁，最大墩高27 m。站臺區(qū)中間正線采用標準跨度簡支梁，兩側(cè)分別采用單線簡支梁，在站區(qū)設(shè)置預(yù)制梁場，簡支梁均采用預(yù)制架設(shè)施工[4-6]。見圖1。

圖1 福廈高鐵福清西站渡線區(qū)連續(xù)梁平面示意(單位:m)

2 結(jié)構(gòu)形式比選

7×32.7 m預(yù)應(yīng)力混凝土渡線連續(xù)梁，線間距6.5 m，全聯(lián)長228.7 m，梁部高度3.05 m，箱梁頂寬12.8 m。結(jié)合站臺區(qū)單、雙線簡支梁預(yù)制架設(shè)施工方案和站區(qū)梁場的設(shè)置，該渡線區(qū)連續(xù)梁研究采用預(yù)制架設(shè)先簡支后連續(xù)方案[7-8]。對于線間距6.5 m的渡線連續(xù)梁，單箱單室箱梁底寬7.0 m，箱梁頂?shù)装迨芰Υ螅浣钶^多，裂縫難以控制，同時箱梁自重接近900 t。因此選用單箱雙室和雙箱單室兩種截面形式比較，如圖2所示。

圖2 兩種箱梁橫斷面尺寸比較(單位：cm)

單箱雙室截面單孔梁重超過目前雙線900 t架橋機的架設(shè)能力[9-10]，只能采用支架現(xiàn)澆施工；雙箱單室截面采用兩單線梁并置、濕接縫連接，單線550 t架橋機架設(shè)施工。技術(shù)經(jīng)濟比較見表1。

表1 兩種箱形截面技術(shù)經(jīng)濟比較

從表1可以看出，雙箱單室結(jié)構(gòu)方案采用預(yù)制架設(shè)、先簡支后連續(xù)的施工方法，充分利用既有運架梁設(shè)備，確保了施工質(zhì)量，縮短了施工周期，同時避免橋下河道內(nèi)搭設(shè)高支架，降低施工安全風險，與單箱雙室支架現(xiàn)澆施工方案相比，技術(shù)經(jīng)濟效益明顯。

本橋渡線連續(xù)梁選用雙箱單室箱梁截面形式，其預(yù)制簡支梁外部輪廓與到發(fā)線單線簡支梁一致，并與到發(fā)線梁同步架設(shè)施工，采用先簡支后連續(xù)施工方案，通過縱、橫向濕接縫連接和體系轉(zhuǎn)換，形成雙線渡線連續(xù)梁。

3 梁部構(gòu)造

3.1 梁部構(gòu)造

7×32.7 m渡線連續(xù)梁，邊跨梁長32.6 m，中跨梁長32.7 m，中支點處濕接縫寬度0.6 m，梁端預(yù)留伸縮縫0.1 m，因此邊跨預(yù)制梁長32.3 m，中跨預(yù)制梁長32.1 m。到發(fā)線梁頂寬6.75 m，正線梁頂寬5.44 m，到發(fā)線與正線間濕接縫寬0.6 m，正線與正線間預(yù)留2 cm縱向縫，四線梁部全寬25.6 m，如圖3所示。箱梁僅在支點處設(shè)置橫隔板，全梁共設(shè)8道。

圖3 四線箱梁結(jié)構(gòu)截面示意(單位：cm)

3.2 梁端濕接縫

為確保梁端現(xiàn)澆濕接縫與箱梁之間良好結(jié)合、力的有效傳遞以及便于施工的要求，箱梁的連續(xù)端頭做成馬蹄狀[11]，梁端預(yù)留接茬鋼筋，一般使用搭接焊的方式進行連接，同時預(yù)留混凝土灌注條件。為了防止出現(xiàn)收縮裂紋，采用與梁體同強度的微膨脹混凝土。梁端濕接縫構(gòu)造如圖4所示。

圖4 梁端濕接縫構(gòu)造(單位：cm)

3.3 臨時支座

臨時支座應(yīng)保證有必要的強度和剛度[12]，且方便拆裝，設(shè)置高度應(yīng)考慮臨時支座壓縮變形。一般使用硫磺砂漿，通過電熱法進行體系轉(zhuǎn)換。臨時支座可以適當高出永久支座，在拆除時，必須保證橋梁逐孔處于對稱均勻的受力狀態(tài)。支座布置如圖5所示。

圖5 梁端支座布置示意(單位：cm)

3.4 負彎矩區(qū)鋼索

支點處上、下緣鋼索布置在箱內(nèi)頂板和底板上，在箱內(nèi)設(shè)置鋸齒塊張拉，由于箱內(nèi)空間較小，應(yīng)合理布置箱內(nèi)鋸齒塊構(gòu)造，以滿足鋼索布設(shè)要求。由于鋼索長度較短，以及受箱梁架設(shè)安裝施工誤差的影響，容易引起預(yù)應(yīng)力損失[13]，因此應(yīng)加強施工質(zhì)量控制。

4 結(jié)構(gòu)體系及受力特點

4.1 受力特點

主梁在簡支狀態(tài)承受自身重力，經(jīng)過體系轉(zhuǎn)換成為連續(xù)結(jié)構(gòu)后，承受二期恒載及使用階段活載。各階段跨中及支點恒載彎矩如圖6所示。可以看出，先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)彎矩位于簡支梁和連續(xù)梁之間，跨中彎矩遠小于簡支梁，略大于連續(xù)梁跨中彎矩4%，支點負彎矩小于連續(xù)梁支點負彎矩7%。相比簡支梁，由于支點處負彎矩的“卸載”作用[14-15]，使活載產(chǎn)生的跨中彎矩明顯減少，從而改善了結(jié)構(gòu)受力，使得結(jié)構(gòu)更加合理。

圖6 恒載彎矩圖(單位：kN·m)

先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)，在預(yù)制架設(shè)為簡支結(jié)構(gòu)時，由于變形結(jié)構(gòu)是靜定體系，簡支梁預(yù)制60 d后架設(shè)，后期收縮徐變小[16]，且簡支時收縮徐變不產(chǎn)生內(nèi)力，支座產(chǎn)生的不均勻沉降也不產(chǎn)生次內(nèi)力。體系轉(zhuǎn)換后，由于恒載已使大部分沉降發(fā)生，混凝土收縮和徐變已部分完成，其后期沉降和徐變大大減少，不會產(chǎn)生較大的二次內(nèi)力，因此先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)受力性能具有明顯的優(yōu)越性[17]。

梁部后期徐變1.76 mm，較與一次成橋相比徐變減少1.34 mm。

4.2 活載偏載系數(shù)

利用有限元軟件Midas Civil2010建立空間模型，對不同工況下的箱梁偏載系數(shù)進行計算，分析荷載、結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)[18-19]。在單、雙線行車條件下，活載偏載對各墩產(chǎn)生的最大活載支反力，與平面桿件模型計算求得的支座反力比較，得到中墩最大活載支反力偏載系數(shù)1.21，如表2所示。

表2 最大活載支反力偏載系數(shù)

4.3 濕接縫施工

梁部施工步驟：墩頂設(shè)置臨時支座，簡支梁預(yù)制架設(shè)，縱、橫向濕接縫連接，預(yù)應(yīng)力張拉，體系轉(zhuǎn)換成橋，拆除臨時支座。為便于施工，墩頂橫向濕接縫全斷面整體一次澆筑，且能夠提高結(jié)構(gòu)的整體性；縱向濕接縫將榀梁連接形成整體結(jié)構(gòu)后，再張拉支點二次預(yù)應(yīng)力，使支點部位后澆混凝土處存在預(yù)壓應(yīng)力?？v向濕接縫宜分段澆筑以避免混凝土產(chǎn)生收縮裂縫，而體系轉(zhuǎn)換由中墩向兩端進行，利用固定支座形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)支承體系。

5 結(jié)構(gòu)分析

5.1 靜力計算

恒載狀態(tài)下，二次預(yù)應(yīng)力使支點處上下緣預(yù)存不小于3 MPa的壓應(yīng)力，運營狀態(tài)下，支點處最小正應(yīng)力1.07 MPa，強度安全系數(shù)不小于4.0。梁部主要計算結(jié)果如表3所示。靜活載作用下，最大撓度值3.1 mm，為跨度的1/10 447，梁端最大轉(zhuǎn)角0.17‰rad。預(yù)制時到發(fā)線和正線設(shè)置相同的預(yù)拱度，最大值為1.2 cm。

表3 梁部主要計算結(jié)果

5.2 應(yīng)力和變形分析

對于雙箱單室結(jié)構(gòu)，當兩線荷載不一致時，必然引起兩榀箱梁豎向變形差異，對跨中濕接縫橫向受力和裂縫產(chǎn)生影響。采用MADIS軟件建模，分析梁體在ZK活載作用下雙箱單室結(jié)構(gòu)豎向位移、橋面板橫向應(yīng)力，以及跨中橫隔板設(shè)置對結(jié)構(gòu)受力的影響[20]。

箱梁跨中不設(shè)置橫隔板和設(shè)置橫隔板兩種工況下，選取第一跨跨中進行局部對比，箱梁最大變形分別為1.39 mm和1.35 mm，主要體現(xiàn)為豎向撓度。變形云圖如圖7所示，主要變形為跨中豎向撓度，跨中橫向變形平順，表明箱梁橫向抗扭剛度大，有無跨中橫隔板差異甚微。

圖7 活載作用下豎向變形云圖

從圖8可以看出，應(yīng)力較大區(qū)域位于中支點處軌道下部，頂板橫向最大應(yīng)力為0.8 MPa，縱向橫隔板外最大主應(yīng)力2.0 MPa。

圖 8 恒載+活載組合下應(yīng)力云圖

分析表明：跨中橫隔板對結(jié)構(gòu)的豎向變形和頂板的應(yīng)力都沒有產(chǎn)生較大的影響，對于渡線連續(xù)梁雙箱單室結(jié)構(gòu)，跨中可以不設(shè)置橫隔板。

5.3 運架梁檢算

考慮以下工況進行運架梁檢算：(1)在濕接縫沒有施工前，梁體處于簡支狀態(tài)下，兩片單線簡支梁承受運架荷載；(2)濕接縫施工完畢，混凝土強度滿足要求，但未張拉負彎矩鋼索時運梁；(3)體系轉(zhuǎn)換后，梁體承受運架荷載。同時考慮偏載系數(shù)和動力系數(shù)的影響。

結(jié)果表明：900 t運架一體機運梁荷載，在梁體處于簡支狀態(tài)下控制設(shè)計，主力工況下最大正應(yīng)力15.54 MPa，最小正應(yīng)力0.16 MPa；最小主拉應(yīng)力1.14 MPa，最小強度安全系數(shù)2.55，最小抗裂安全系數(shù)1.86；主+附工況下上緣出現(xiàn)最小正應(yīng)力-1.37 MPa。

6 結(jié)論

(1)對于高墩、深水、軟土地基或跨越道路上的高速鐵路渡線區(qū)道岔連續(xù)梁采用預(yù)制架設(shè)、先簡支后連續(xù)的施工方案經(jīng)濟合理、技術(shù)可行；(2)先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)體系受力合理，后期徐變??；(3)對于雙箱單室結(jié)構(gòu)渡線連續(xù)梁，跨中不設(shè)置橫隔梁，梁體變形滿足道岔受力要求。

該結(jié)構(gòu)形式借鑒了簡支梁預(yù)制架設(shè)的優(yōu)點，既符合現(xiàn)場施工條件，較好地解決了橋下搭設(shè)支架施工的難題，又滿足了無縫道岔對梁部結(jié)構(gòu)的要求，特別是橋下不宜采用搭設(shè)支架現(xiàn)澆施工時，該方案技術(shù)優(yōu)勢明顯。