輕軌高架短線節(jié)段法橋梁整體受力性能分析

別永紅，焦　烽，王文敬，梁　斌（.中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海00070；.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南洛陽 4703）

輕軌高架短線節(jié)段法橋梁整體受力性能分析

別永紅1，焦烽2，王文敬2，梁斌2
（1.中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海200070；2.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南洛陽 471023）

摘要：以澳門輕軌C370標(biāo)段項(xiàng)目為背景，開展了一聯(lián)5×60m混凝土節(jié)段預(yù)制等高度變截面連續(xù)箱梁橋有限元計(jì)算，以研究該類箱梁在正常使用階段和施工狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)行為，不同工況組合下梁體應(yīng)力狀況與預(yù)應(yīng)力變化等結(jié)構(gòu)靜力性能。研究結(jié)果表明：在承載能力極限狀態(tài)，梁體內(nèi)力滿足規(guī)定，整體性較好；體內(nèi)外預(yù)應(yīng)力增量隨跨中彎矩基本呈線性變化，靜力增量及預(yù)應(yīng)力損失值相對較小；在施工階段，梁體下緣壓應(yīng)力儲備充足，滿足運(yùn)梁安全性要求。

關(guān)鍵詞：短線節(jié)段法；輕軌；逐跨拼裝；設(shè)計(jì)；施工

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.018

引言

隨著城市的發(fā)展，人口、車輛的增加，對容量有限的道路交通系統(tǒng)帶來了課題，國內(nèi)外為了解決城市交通問題，紛紛采用城市軌道交通系統(tǒng)。但針對施工場地狹窄的軌道項(xiàng)目設(shè)計(jì)，對施工質(zhì)量、速度以及環(huán)境保護(hù)提出了更高的要求。節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土橋呈現(xiàn)分段標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化預(yù)制并利用現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備現(xiàn)場拼裝的鮮明特點(diǎn)，較好地滿足了上述要求［1］。

國外對節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的研究開展較早，歐洲首先出現(xiàn)了現(xiàn)今被稱作逐段預(yù)制的混凝土箱梁，節(jié)段預(yù)制拼裝造橋技術(shù)持續(xù)發(fā)展，并從歐洲逐步推廣到全世界，成為建造橋梁主要技術(shù)之一［2］。Jean Muller在20世紀(jì)80年代末編制了分析預(yù)制節(jié)段、干接縫、體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的有限元程序。隨著我國橋梁技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)90年代始節(jié)段預(yù)制拼裝造橋技術(shù)得到較廣泛應(yīng)用和發(fā)展，上海滬閔二期高架橋梁首次使用短線法預(yù)制節(jié)段梁［3］，上海新瀏河大橋采用專用造橋機(jī)逐跨拼裝，蘇通大橋的引橋也采用了預(yù)制節(jié)段逐跨整體吊裝的施工方法和預(yù)制節(jié)段懸臂拼裝的施工方法［3］，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件生產(chǎn)的工廠化及現(xiàn)場施工的裝配化，走環(huán)境負(fù)荷低、科技含量高、生態(tài)良性循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展之路［4］。雖然較大規(guī)模地采用節(jié)段預(yù)制法，但就整體而言，相對于我國每年建造的橋梁總量，采用該技術(shù)的橋梁所占比例極少，其應(yīng)用范圍與其技術(shù)優(yōu)勢不匹配［5］。且節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁的抗彎、抗剪性能受體內(nèi)外預(yù)應(yīng)力的配置比例、配筋率、接縫的類型和位置等因素的影響，與整體式橋梁相比存在較大的差異［6-7］。且分段施工中的結(jié)構(gòu)分析必須在正確反映整個施工過程中的荷載作用以及真實(shí)反映不同結(jié)構(gòu)體系中的受力性能前提下，確保各個施工階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)對實(shí)際結(jié)構(gòu)體系在最不利條件下滿足穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度要求［8-10］。因此對分段預(yù)制裝配橋梁需結(jié)合具體施工方法及施工階段進(jìn)行橋梁整體受力分析。

本文以澳門輕軌C370標(biāo)段為工程背景，研究材料性能、構(gòu)件尺寸、施工荷載等計(jì)算參數(shù)對分段施工實(shí)際結(jié)構(gòu)的影響因素規(guī)律。

1工程概況

澳門輕軌C370一期氹仔口岸段建造工程由高架橋和高架車站組成，共設(shè)3座高架車站，4段高架區(qū)間及2條車廠連接線；區(qū)間高架橋節(jié)段梁430片，其中匝道梁181片。區(qū)間段節(jié)段梁長一般為2.5米，標(biāo)準(zhǔn)梁高為2.1米，標(biāo)準(zhǔn)梁寬為9.54米，重約30噸，非標(biāo)準(zhǔn)段最大塊體重約45噸。車廠連接段節(jié)段梁長一般為2.5米，標(biāo)準(zhǔn)梁高為2.16米，標(biāo)準(zhǔn)梁寬為5.61米，重約20噸。采用短線預(yù)制法施工，短線法是一側(cè)采用端模，另一側(cè)利用已澆筑成的相鄰節(jié)段作為端模（也可采用兩側(cè)均設(shè)置端模）來進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)預(yù)制的節(jié)段預(yù)制方法。高架區(qū)間節(jié)段梁在預(yù)制場進(jìn)行預(yù)制，運(yùn)輸至現(xiàn)場后，車廠通道箱梁和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)跨度箱梁采用架橋機(jī)整跨拼裝工藝進(jìn)行拼裝，在橋面寬度變化或半徑很少的區(qū)域采用鋼管支架工藝進(jìn)行安裝。施工總體平面圖如圖1所示。

本文選擇其中一聯(lián)5×60m混凝土節(jié)段預(yù)制等高度變截面連續(xù)箱梁，箱梁截面如圖2所示。箱梁節(jié)段采用短線匹配法預(yù)制、架橋機(jī)逐孔拼裝工法進(jìn)行施工，梁段長2.4米，接縫采用環(huán)氧樹脂密復(fù)式剪力鍵，每跨設(shè)置15厘米濕接縫。

圖1　施工總體平面圖

圖2　道斷面

箱梁簡支狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力全部由體內(nèi)預(yù)應(yīng)力提供，以抵抗一期恒載和施工臨時荷載；箱梁在連續(xù)狀態(tài)下張拉的體外預(yù)應(yīng)力用于抵抗二期恒載和活載。體外預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)造詳圖如圖3所示。

圖3　體外預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)造

2整體受力計(jì)算模型

2.1計(jì)算模型

澳門輕軌C370連續(xù)梁橋采用簡支變連續(xù)的施工過程，用上行式架橋機(jī)進(jìn)行逐跨節(jié)段拼裝，高架區(qū)間上部結(jié)構(gòu)由混凝土縱梁組成，車廠通道箱梁和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)跨度箱梁采用架橋機(jī)整跨拼裝工法進(jìn)行拼裝；在橋面寬度變化或半徑很少的區(qū)域采用鋼管支架進(jìn)行安裝。橋身與橋墩整合，于伸縮縫處配以分離式橋墩。高架區(qū)間共分為20個單元；橋墩跨徑為13.88米至35米。區(qū)間段節(jié)段梁長一般為2.5米，標(biāo)準(zhǔn)梁高為2.1米，標(biāo)準(zhǔn)梁寬為9.54米，重約30噸，最大塊體重35噸。車廠連接段節(jié)段梁長一般為2.5米，標(biāo)準(zhǔn)梁高為2.16米，標(biāo)準(zhǔn)梁寬為5.61米，重約20噸。

計(jì)算模型采用MIDAS/Civil 6.7軟件進(jìn)行施工全工程模擬。上部預(yù)制拼裝箱梁和下部橋墩結(jié)構(gòu)均采用梁單元模擬，全橋共離散為84個單元。橋墩底部采用固結(jié)，不考慮樁土作用。計(jì)算模型如圖4所示。

圖4　計(jì)算模型圖

橋墩采用C40混凝土，對于上部預(yù)制節(jié)段拼裝箱梁部分采用C55混凝土，采用抗拉極限強(qiáng)度為1860MPa的鋼絞線，混凝土根據(jù)CEB-FIP標(biāo)準(zhǔn)考慮收縮徐變作用。具體采用參數(shù)如表1所示，所用材料符合JTG D62-2004規(guī)范要求。

表1　模型材料參數(shù)表

全橋采用簡支變連續(xù)的施工方法，因此分析時將施工過程分為四個主要的施工階段：橋墩施工階段、橋跨拼裝階段（簡支狀態(tài)）、合攏階段（簡支變連續(xù)狀態(tài)）、橋面二期恒載施工階段。在橋墩施工階段，橋墩底部固結(jié)，不考慮樁土作用。橋跨拼裝階段，四跨依次拼裝預(yù)制節(jié)段，形成簡支狀態(tài)，并張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊的重量通過節(jié)點(diǎn)集中荷載模擬。此節(jié)段為使體系受力明確，只考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)受力性能，簡支狀態(tài)下橋跨結(jié)構(gòu)未與橋墩相連，施加臨時集中荷載模擬運(yùn)梁車梁上運(yùn)梁。合攏施工階段，張拉體外預(yù)應(yīng)力，取消橋跨簡支狀態(tài)下的臨時支座，完成結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，此時橋墩與上部結(jié)構(gòu)固結(jié)。橋面二期恒載施工階段，通過梁單元荷載模擬70kN/m的橋面二期恒載作用，此時橋梁結(jié)構(gòu)為成橋狀態(tài)。四個施工階段的持續(xù)時間依次為70d、7d、5d、5d。將體外預(yù)應(yīng)力的效應(yīng)簡化為作用在轉(zhuǎn)向塊和錨固出的等效荷載。

2.1荷載工況

計(jì)算模型未考慮橫向預(yù)應(yīng)力荷載，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力錨下張拉控制應(yīng)力為1395MPa，預(yù)應(yīng)力筋與管道的摩擦系數(shù)和孔道偏差系數(shù)分別取0.17和0.015；體外預(yù)應(yīng)力錨下張拉控制應(yīng)力為1209MPa，轉(zhuǎn)向塊處的摩擦系數(shù)為0.15，松弛系數(shù)0.3，錨具回縮值取0.006m；支座沉降：每個橋墩不均勻沉降按1cm考慮；系統(tǒng)溫差為升溫20℃，降溫-30℃；活載為公路Ⅰ級荷載。

荷載工況組合：根據(jù)結(jié)構(gòu)體系與施工過程，選取8種工況，即自重，預(yù)應(yīng)力，收縮徐變，支座沉降，公路級荷載，整體升溫，整體降溫。

根據(jù)不同設(shè)計(jì)狀況，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)荷載組合，對橋梁承載能力、抗裂、撓度、應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1成橋狀態(tài)內(nèi)力

按分段施工法形成橋梁結(jié)構(gòu)時，施工階段和成橋階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與施工順序密切相關(guān)，由于施工順序的變化，使得成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)彎矩會發(fā)生很大的變化。橋跨結(jié)構(gòu)各施工階段完成，橋梁達(dá)到成橋狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)如圖5、圖6所示。根據(jù)承載能力極限狀態(tài)基本組合項(xiàng)進(jìn)行荷載工況組合，橋梁上部結(jié)構(gòu)在荷載組合下的跨中最大正彎矩為8002 kN·m，墩頂最大負(fù)彎矩為13699 kN· m。均小于截面極限承載能力。

圖5　成橋階段彎矩圖

圖6　成橋階段剪力圖

3.2預(yù)應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力

采用節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆體內(nèi)預(yù)應(yīng)力橋梁相比，采用的預(yù)應(yīng)力體系和施工方法有較大的不同。節(jié)段法除了采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋之外，還采用體外預(yù)應(yīng)力筋混合配束。現(xiàn)行公路橋規(guī)僅針對體內(nèi)預(yù)應(yīng)力給出計(jì)算規(guī)定，但對體外預(yù)應(yīng)力，無計(jì)算條款。因此在進(jìn)行此類橋梁計(jì)算時，需要確定體外預(yù)應(yīng)力筋在活載作用下的內(nèi)力變化及預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。圖7給出了主梁在預(yù)應(yīng)力作用下的內(nèi)力圖。

圖7　預(yù)應(yīng)力作用下主梁彎矩圖

表2　預(yù)應(yīng)力損失

從圖中看出，預(yù)應(yīng)力作用下，主梁正負(fù)彎矩變化區(qū)段與自重作用下相反，正負(fù)彎矩最大值均出現(xiàn)在邊跨。預(yù)應(yīng)力損失會引起主梁下翼緣壓應(yīng)力儲備不足的問題，因此有必要對預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。連續(xù)梁橋施工階段每跨預(yù)應(yīng)力損失如表3所示。

表3　施工階段逐跨預(yù)應(yīng)力損失值

3.3正截面混凝土的最大壓應(yīng)力驗(yàn)算

正截面混凝土的最大壓應(yīng)力驗(yàn)算，受壓區(qū)混凝土的正截面最大壓應(yīng)力應(yīng)滿足σc≤0.5 fck= 17.75MPa。圖8和圖9分別為主梁上、下翼緣應(yīng)力值。從圖中看出，上翼緣最大壓應(yīng)力12.2MPa，下翼緣最大拉應(yīng)力13.64MPa，均滿足要求。

圖8　主梁上翼緣應(yīng)力（MPa）

圖9　主梁下翼緣應(yīng)力（MPa）

4結(jié)論

本文以澳門輕軌高架橋?yàn)楸尘?，運(yùn)用MIDAS軟件模擬其階段拼裝施工過程，研究節(jié)段預(yù)制拼裝連續(xù)梁橋整體受力特性，重點(diǎn)研究拼裝施工階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)對實(shí)際結(jié)構(gòu)體系的影響，主要結(jié)論如下：

1）采用節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁由于各節(jié)段之間存在接縫，且非預(yù)應(yīng)力鋼筋在接縫處斷開，削弱了主梁的抗彎剛度，使其在極限狀態(tài)的受力性能與整體現(xiàn)澆梁不同。所以在進(jìn)行極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)時，需對其抗彎剛度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減。

2）建立模型時，將體外預(yù)應(yīng)力的效應(yīng)簡化為作用在轉(zhuǎn)向塊和錨固出的等效荷載，降低了結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，簡化了計(jì)算，得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)果，可以在同類結(jié)構(gòu)模擬中加以采用。

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（責(zé)任編輯：郝安林）

中圖分類號：U441+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-2928（2016）04-0059-05

收稿日期：2015-10-22

作者簡介：別永紅，男，中鐵十五局集團(tuán)澳門公司高級工程師，研究方向：房屋建筑工程施工和研究。

Overall Mechanical Performance Analysis of a Light Rail which be Constructed with the Method of Short-Line Precast Segmental

BIE Yonghong1，JIAO Yufeng2，WANG Wenjing2，LIANG Bin2
（1.China Railway 15th Construction Bureau Group Corporation，Shanghai，200070，China；2.Civil Engineering School，HenanUniversity of Science and Technology，Luoyang，471023，China）

Abstract:The paper calculates a equal high degree of variable cross section continuous box girder bridge with 5x60m concrete precast segment of the light rail C370 segment program in Macao.Finite element model of this bridge is created.Studies the Structural static performance of this box girder bridge，such as the structural behavior under normal use stage and construction condition，Structural static performance the stress state and prestress change of beam under different working conditions and so on.The results indicated that torsion，the beam have a good internal force performance under the ultimate load bearing capacity.Pre-stress increments have a linear change.Static increment and the loss of pre-stress value are relatively small.Edge of the beam body reserves sufficient compressive stress，meet the security requirement.

Key words:shot-line method；light rail；span-by-span installation；design；construction