40 m鐵路簡(jiǎn)支箱梁運(yùn)架過(guò)程支承梁體安全性分析

姚君芳

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司， 北京 100055)

為滿(mǎn)足高速列車(chē)對(duì)線(xiàn)路平順性、穩(wěn)定性要求和建設(shè)質(zhì)量、工期要求，我國(guó)高速鐵路建設(shè)形成了標(biāo)準(zhǔn)梁工廠化預(yù)制、機(jī)械化安裝的建造模式[1]。采用以32 m跨度為主的雙線(xiàn)整體箱梁，形成了常用跨度900 t級(jí)簡(jiǎn)支箱梁建造模式[2]。采用運(yùn)架設(shè)備架設(shè)整孔預(yù)制箱梁可縮短建設(shè)周期、降低施工成本、提高橋梁質(zhì)量等，是高速鐵路混凝土箱梁施工首選模式[3]。但隨著跨越河流、溝谷的高墩橋梁以及軟基沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁越來(lái)越多，下部結(jié)構(gòu)造價(jià)在橋梁建設(shè)費(fèi)用中的比重也逐漸增大。實(shí)現(xiàn)跨度40 m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁的規(guī)模化應(yīng)用，并采用沿線(xiàn)集中預(yù)制、運(yùn)梁車(chē)運(yùn)梁、架橋機(jī)架設(shè)的施工模式具有重要經(jīng)濟(jì)意義。

40 m預(yù)制簡(jiǎn)支梁可滿(mǎn)足更高速度、更大跨越能力以及高墩條件下高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁橋建造需求，且相對(duì)于32 m預(yù)制簡(jiǎn)支梁，40 m梁可減少施工作業(yè)班次、提高生產(chǎn)效率[4]。新建鄭州至濟(jì)南鐵路鄭州至濮陽(yáng)段設(shè)計(jì)速度為350 km/h，采用40 m預(yù)制鐵路簡(jiǎn)支箱梁，是我國(guó)大跨度(40 m)鐵路簡(jiǎn)支箱梁建造技術(shù)在國(guó)內(nèi)的首批工程化應(yīng)用[5]。40 m鐵路簡(jiǎn)支箱梁架設(shè)采用JQS1000型架橋機(jī)及配套YLS1000型運(yùn)梁車(chē)架設(shè)，該運(yùn)架設(shè)備能方便架設(shè)首末跨、曲線(xiàn)梁和變跨梁。其成套技術(shù)2016年5月開(kāi)始研發(fā)，2018年9月在鄭濟(jì)線(xiàn)黃河特大橋?qū)崿F(xiàn)40 m箱梁首架，2020年6月完成全線(xiàn)344片40 m箱梁架設(shè)，架設(shè)平均效率約為3～3.5 h/片。

40 m鐵路簡(jiǎn)支箱梁梁重約 9 500 kN，運(yùn)梁車(chē)自重約 4 750 kN，架橋機(jī)自重約 6 600 kN，其梁體及運(yùn)架設(shè)備重量較32 m鐵路簡(jiǎn)支梁均有大幅增加，因此運(yùn)架過(guò)程支承梁體的安全性亟待研究。

架橋設(shè)備與橋梁結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，需對(duì)作用于橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)架荷載進(jìn)行全面檢算[6]。針對(duì)架橋機(jī)施工安全問(wèn)題，徐格寧[7]等通過(guò)分析架橋機(jī)架梁流程的整個(gè)工作周期，提取架橋機(jī)在整個(gè)工作周期中的兩個(gè)危險(xiǎn)工況，分別采用結(jié)構(gòu)分析理論與有限元分析軟件進(jìn)行靜態(tài)分析，得出新型運(yùn)架一體式架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主梁的合理設(shè)計(jì)。李方柯[8]等針對(duì)昆侖號(hào)千噸級(jí)架橋機(jī)的各種工況，建立了相應(yīng)的橋梁整體和局部有限元計(jì)算模型進(jìn)行分析，研究架橋機(jī)對(duì)高鐵簡(jiǎn)支箱梁的適應(yīng)性。上述研究成果，對(duì)架橋機(jī)主梁及高速鐵路簡(jiǎn)支箱梁進(jìn)行了研究，尚不能判別更多種類(lèi)支承梁體的安全性。

在40 m鐵路簡(jiǎn)支箱梁運(yùn)架過(guò)程中，運(yùn)架能否安全通過(guò)(40+64+40) m混凝土連續(xù)梁，是推廣應(yīng)用 40 m標(biāo)準(zhǔn)梁需解決的重要問(wèn)題。為確保40 m鐵路簡(jiǎn)支箱梁運(yùn)架過(guò)程中混凝土連續(xù)支承梁體(40+64+40) m的安全性，有必要對(duì)(40+64+40) m連續(xù)梁梁體安全性進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析。

1 40 m鐵路簡(jiǎn)支箱梁運(yùn)架過(guò)程工作原理

JQS1000型架橋機(jī)為無(wú)導(dǎo)梁型式，采用單跨架梁模式，小車(chē)與運(yùn)梁車(chē)上的馱梁臺(tái)車(chē)同步拖拉取梁，步履式走行過(guò)孔主要由前輔助支腿、前支腿、機(jī)臂、中支腿、起重小車(chē)、后支腿、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成，架橋機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，40 m箱梁架設(shè)流程如圖2所示。

圖1 JQS1000型架橋機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 JQS1000型架橋機(jī)架設(shè)40 m等跨箱梁架設(shè)流程圖

支承梁體(40+64+40) m連續(xù)梁(通橋(2017)2368A-Ⅲ)，梁體為單箱單室、變高度、變截面箱梁，中支點(diǎn)梁高6.035 m，邊支點(diǎn)梁高3.035 m，梁底下緣按二次拋物線(xiàn)變化，邊支座中心線(xiàn)至梁端0.75 m。底板、腹板、頂板局部向內(nèi)側(cè)加厚，均按直線(xiàn)線(xiàn)性變化。全聯(lián)在端支點(diǎn)、中支點(diǎn)處設(shè)橫隔板，橫隔板設(shè)有孔洞，供檢查人員通過(guò)。(40+64+40) m連續(xù)梁構(gòu)造如圖3所示。由于(40+64+40) m通用圖設(shè)計(jì)中僅考慮了32 m及以下跨度鐵路簡(jiǎn)支箱梁架設(shè)工況，并未考慮40 m鐵路簡(jiǎn)支箱梁利用JQS1000型架橋機(jī)及配套YLS1000型運(yùn)梁車(chē)架設(shè)工況。為確保40 m鐵路簡(jiǎn)支箱梁運(yùn)架過(guò)程的安全性，需對(duì)運(yùn)架過(guò)程中(40+64+40) m連續(xù)梁整體和局部應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析。

圖3 連續(xù)梁立面圖及梁端、中支點(diǎn)斷面圖(mm)

根據(jù)40 m箱梁運(yùn)架流程，40 m鐵路簡(jiǎn)支箱梁運(yùn)架過(guò)程中主要有以下幾個(gè)控制工況：

(1)工況Ⅰ：運(yùn)梁車(chē)偏載

YLS1000型運(yùn)梁車(chē)馱運(yùn)40 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線(xiàn)簡(jiǎn)支箱梁荷載如圖4所示?？紤]到實(shí)際施工誤差，運(yùn)梁車(chē)橫向最大偏心按500 mm考慮，如圖5所示。運(yùn)梁車(chē)荷載如表1所示。

圖4 YLS1000運(yùn)梁車(chē)運(yùn)40 m梁荷載圖(mm)

圖5 運(yùn)梁車(chē)橫向偏載500 mm斷面圖(mm)

表1 運(yùn)梁車(chē)荷載表(kN)

(2)工況Ⅱ：首孔中支腿荷載最大

架橋機(jī)后起重小車(chē)取梁,運(yùn)梁車(chē)返回梁場(chǎng)，荷載工況如圖6所示，架橋機(jī)荷載如表2所示。

表2 架橋機(jī)荷載表

圖6 首孔中支腿荷載最大工況圖(mm)

(3)工況Ⅲ：末孔梁前輔助支腿荷載最大

前輔助、中、后支腿支撐，前支腿縱移40.7 m站位墩臺(tái)，荷載工況如圖7所示，架橋機(jī)荷載如表3所示。

圖7 末孔梁前輔助支腿荷載最大工況圖

表3 架橋機(jī)荷載表

(4)工況Ⅳ：后支腿荷載最大

后支腿下翻，支撐在鋼軌上。前支腿拉桿和梁片吊孔錨固，起重小車(chē)運(yùn)行到架橋機(jī)尾部，前輔助支腿后退4.6 m(插靠前位置的孔)并離地，中支腿離地，準(zhǔn)備整機(jī)縱移，荷載工況如圖8所示，架橋機(jī)荷載如表4所示。

圖8 后支腿荷載最大工況圖(mm)

表4 架橋機(jī)荷載表

2 整體計(jì)算分析

整體計(jì)算采用鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋程序PRBP。(40+60+40) m連續(xù)梁全橋離散為84個(gè)單元，85個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 (40+60+40) m連續(xù)梁PRBP單元?jiǎng)澐謭D

在整體計(jì)算中，運(yùn)梁階段和架梁階段的荷載動(dòng)力系數(shù)取1.0；運(yùn)架梁須在相當(dāng)于20 kN/m的壓重荷載下進(jìn)行。假定運(yùn)架梁時(shí)實(shí)際發(fā)生的支座不均勻沉降小于10 mm，施工荷載的檢算按先架后鋪的方式，按梁體終張拉完成后檢算，抗裂安全系數(shù)大于1.1，強(qiáng)度安全系數(shù)大于1.8。整體計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 (40+60+40) m連續(xù)梁整體計(jì)算結(jié)果表

從表5可以看出，4種主要工況下，主梁檢算的各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足TB 10092-2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。

3 局部計(jì)算分析

局部計(jì)算采用MIDAS FEA建立實(shí)體模型，如 圖10所示。

圖10 局部模型單元?jiǎng)澐謭D

(1)工況Ⅰ：運(yùn)梁車(chē)偏載

考慮運(yùn)梁車(chē)橫橋向偏載500 mm。梁自重和運(yùn)梁車(chē)作用下頂板頂最大主拉應(yīng)力1.76 MPa，頂板底最大主拉應(yīng)力約為 2.10 MPa，小于容許值2.79 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

梁自重和運(yùn)梁車(chē)作用下最大主壓應(yīng)力-11.1 MPa，出現(xiàn)在集中力作用點(diǎn)，小于容許值-16.8 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(2)工況Ⅱ：首孔中支腿荷載最大

梁端集中力最大的情況，出現(xiàn)于首孔中支腿荷載最大工況。jz1=5 420 kN，jz2=5 720 kN。jz1、jz2順橋向距離梁端 1 550 mm。支墊鋼板尺寸按660 mm(順橋向)×1 000 mm(橫橋向)考慮。

最大主拉應(yīng)力超出了規(guī)范容許值，位于端橫隔板與腹板、底板相交處及下倒角處，超限范圍約為660 mm，極值為3.99 MPa，支座處混凝土最大主壓應(yīng)力為-23.9 MPa，規(guī)范容許值為-16.8 MPa，支座處考慮1.5倍放大系數(shù)，容許值為-25.2 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

如將架橋機(jī)中支腿鉸點(diǎn)jz1、jz2中心距放大至 6 000 mm，并擴(kuò)大單個(gè)支撐點(diǎn)面積至680 mm(順橋向)×1 250 mm(橫橋向)，超出規(guī)范容許值的應(yīng)力最大值為2.813 MPa，為倒角處局部區(qū)域，范圍在150 mm以?xún)?nèi)，未進(jìn)入腹板、底板部位，因此認(rèn)為中支腿調(diào)整中心距后可實(shí)施。

(3)工況Ⅲ：末孔梁前輔助支腿荷載最大

選取末孔梁前輔助支腿荷載最大工況進(jìn)行檢算，該工況中，前輔助支腿直接作用于頂板，對(duì)頂板不利。

JQS1000型架橋機(jī)及配套YLS1000型運(yùn)梁車(chē)運(yùn)架時(shí)，原設(shè)計(jì)前輔助支腿jqf2=1 050 kN，作用于距離梁端 6 100 mm處。支腿下方墊800 mm(縱向)×1 300 mm(橫向)鋼板，假定力均勻分配到鋼板上，得出最大主拉應(yīng)力為 4.94 MPa，位于頂板底，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。最大主壓應(yīng)力-7.15 MPa，規(guī)范容許值為 -16.8 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

由于主拉應(yīng)力超限較多，建議在前輔助支腿下部增設(shè)下橫梁，將荷載分配至至箱梁腹板上。橫梁尺寸為410 mm(縱向)×6 000 mm(橫向)×550 mm(豎向)。橫梁設(shè)兩個(gè)支點(diǎn)，力通過(guò)支點(diǎn)傳至腹板，支點(diǎn)處鋼板尺寸為800 mm(縱向)×800 mm(橫向)。分配后主拉應(yīng)力最大值為1.03 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)論和建議

本文對(duì)運(yùn)架40 m簡(jiǎn)支箱梁通過(guò)(40+64+40) m混凝土支承梁時(shí)的安全性進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)整體計(jì)算中，4種主要工況下，主梁檢算的各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足TB 10092-2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。

(2)運(yùn)梁車(chē)走行過(guò)程中偏載500 mm時(shí)，最大主拉、主壓應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(3)首孔中支腿荷載最大時(shí)，最大主拉應(yīng)力超出規(guī)范容許值。建議將架橋機(jī)中支腿鉸點(diǎn)中心距放大至 6 000 mm，并擴(kuò)大單個(gè)支撐點(diǎn)面積。

(4)末孔梁前輔助支腿荷載最大時(shí)，由于主拉應(yīng)力超限較多，建議在前輔助支腿下部增設(shè)下橫梁，將荷載分配至箱梁腹板上。

2020年6月，鄭濟(jì)鐵路完成全線(xiàn)344片40 m箱梁架設(shè)。運(yùn)架梁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，運(yùn)架設(shè)備所經(jīng)過(guò)的(40+64+40) m連續(xù)梁均未出現(xiàn)安全問(wèn)題，進(jìn)一步驗(yàn)證本文研究結(jié)論，可為同類(lèi)鐵路橋梁工程項(xiàng)目提供參考和借鑒。