跨鐵路轉(zhuǎn)體鋼箱梁支點(diǎn)橫梁及預(yù)拱度的設(shè)置

李前名

(中鐵武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引 言

近年來(lái)，為了適應(yīng)城市發(fā)展的需要，各大、中城市均對(duì)城市主干道進(jìn)行了快速化改造，新建大量的高架橋。鋼箱梁因?yàn)槭┕た焖?，?duì)既有交通影響較小，得到了大量的應(yīng)用。相對(duì)于混凝土梁，鋼箱梁自重較輕，當(dāng)橋面寬度較大，而橋墩尺寸受中央綠化帶寬度限制時(shí)，其抗傾覆穩(wěn)定問(wèn)題需要引起重視?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算方法對(duì)于橫向設(shè)置2個(gè)支座的簡(jiǎn)支梁比較簡(jiǎn)單，但對(duì)于多跨連續(xù)梁，特別是橫向設(shè)置多個(gè)支座時(shí)，就相對(duì)較為復(fù)雜。國(guó)內(nèi)學(xué)者做了部分研究[1-2]，認(rèn)為采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算是最有效的方法。以往學(xué)術(shù)界對(duì)傾覆穩(wěn)定系數(shù)的取值不甚統(tǒng)一，一般在1.5～2.5之間，《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)定為2.5。

橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)在公路、市政橋梁跨越鐵路時(shí)被普遍采用，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響最小。轉(zhuǎn)體橋在轉(zhuǎn)體完成前是大懸臂狀態(tài)，主梁為鋼箱梁時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的下?lián)?。預(yù)拱的設(shè)置方式直接影響工廠制造方案及成橋后的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)[3-5]。

本文結(jié)合工程實(shí)例，采用有限元方法對(duì)多跨、橫向多支點(diǎn)、寬橋面鋼箱梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行分析與計(jì)算，驗(yàn)證設(shè)置挑臂橫梁的必要性[6-9]。 同時(shí)，分析在轉(zhuǎn)體梁端施加上頂力對(duì)廠制預(yù)拱度及成橋內(nèi)力的影響。

1 項(xiàng)目概況

為了改善城市交通狀況，武漢雄楚大街采用“將現(xiàn)有道路改造為地面輔道，同時(shí)新建主線高架橋”的方式進(jìn)行快速化改造?，F(xiàn)有雄楚大街與鐵路交叉處鐵路路基形式為路塹，道路采用(16+50+16)m梁式橋上跨鐵路，橋面寬40.0 m，橋下共有國(guó)鐵Ⅰ級(jí)正線鐵路2股道、城際鐵路2股道、專用線1股道，共5股道。快速化改造工程實(shí)施后，既有跨鐵路立交橋作為地面輔道的組成部分，高架層需另建橋梁跨越既有橋及5股鐵路。地鐵2號(hào)線南延長(zhǎng)線與本工程交叉，該段地鐵線路與鐵路并行，在既有立交橋臺(tái)后穿越道路。

如圖1所示，受施工場(chǎng)地限制，新建跨鐵路高架橋采用(28+68.5+63.5) m連續(xù)鋼箱梁，橋?qū)?9.2 m，設(shè)雙向六車道，采用轉(zhuǎn)體加頂推方式施工。轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度為2×60.5 m，轉(zhuǎn)體段就位后，從西側(cè)往東側(cè)頂推36 m鋼箱梁完成合龍。

既有地面橋?yàn)殡p幅分離式立交橋，兩幅中間水平凈距為2.5 m，邊跨為16 m簡(jiǎn)支空心板梁，中跨為50 m簡(jiǎn)支T梁。新建高架在既有橋邊跨內(nèi)設(shè)置T2、T3墩(圖2)，其中T3為轉(zhuǎn)體墩。

圖1 橋立面

圖2 T2墩橫斷面

圖3 新建跨鐵路高架橋橫斷面

2 總體設(shè)計(jì)情況

上跨鐵路160 m范圍主線高架橋平面位于R=3 500 m的曲線上，縱坡1.83%。主線高架橫斷面標(biāo)準(zhǔn)布置如圖3所示，設(shè)雙向六車道，橋面總寬29.2 m。

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí):主線為城市快速路，地面輔道為城市主干道。

(2)設(shè)計(jì)車速:主線60 km·h-1，地面輔道40 km·h-1。

(3)橋面橫坡為1.5%。

(4)橋梁環(huán)境類別為Ⅰ類。

(5)橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γo=1.1。

(6)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年。

2.2 鋼箱梁

主梁標(biāo)準(zhǔn)段頂面寬度為29.2 m，底面寬度為21.1 m，等高段梁高2.1 m，變高段梁高2.1～4.0 m。鋼箱梁采用Q345qC材質(zhì)，附屬結(jié)構(gòu)采用Q235C鋼材。

圖4 設(shè)置雙側(cè)外挑橫梁時(shí)的支座布置

2.3 橋梁附屬結(jié)構(gòu)

橋面鋪裝采用7 cm厚澆注式瀝青混凝土。外側(cè)護(hù)欄采用雙層超SS級(jí)墻式鋼護(hù)欄。中央分隔帶護(hù)欄采用90 cm高SAm級(jí)鋼防撞護(hù)欄，護(hù)欄之間種植綠化帶。橋梁支座采用球形鋼支座，噸位為15 000～25 000 kN。

3 中支點(diǎn)橫梁的設(shè)置方式

T2及T3中墩支座橫向間距為4.2 m，相對(duì)29.2 m橋?qū)挼匿撓淞簛?lái)說(shuō)，支座間距較小，抗傾覆較為不利。考慮到下層既有橋的存在，如果增加支座，就需要設(shè)置外挑橫梁，并在既有橋外側(cè)鐵路范圍內(nèi)增設(shè)邊墩。對(duì)T2、T3墩橫梁的設(shè)置方式進(jìn)行了對(duì)比分析，判斷設(shè)置外挑橫梁及邊墩的必要性。

采用midas Civil 軟件建立空間板殼單元模型，分2種情況進(jìn)行模擬計(jì)算:T2、T3不設(shè)外挑橫梁，模型中取消圖4所示T1～4Z、T1-4Y支座及圖5所示的外挑橫梁部分單元；T2、T3雙側(cè)設(shè)置外挑橫梁。需要注意的是:外挑橫梁只能采用空間板殼模型或梁格模型進(jìn)行模擬，如采用單梁模型，則因無(wú)法模擬橫向變形，導(dǎo)致橫梁在活載作用下的支反力為0。外挑橫梁均在轉(zhuǎn)體完成后再安裝，對(duì)計(jì)算結(jié)果重點(diǎn)對(duì)比支反力、抗傾覆穩(wěn)定性及箱梁支點(diǎn)處的應(yīng)力分布情況。

根據(jù)JTG 3362—2018，按式(1)進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算。活載加載方式為在單側(cè)3個(gè)車道內(nèi)布置車道荷載；同時(shí)，因護(hù)欄高度較大，考慮風(fēng)荷載參與組合。

(1)

通過(guò)軟件自帶的并發(fā)反力計(jì)算功能，分別讀取各支座出現(xiàn)最大負(fù)反力時(shí)其他支座對(duì)應(yīng)的反力，按照表1分別計(jì)算特征狀態(tài)1和特征狀態(tài)2下的抗傾覆穩(wěn)定性?？梢?jiàn)，不設(shè)挑臂橫梁時(shí)，偏載引起的負(fù)反力較大，最小穩(wěn)定系數(shù)為1.8，不滿足要求。

表1 不設(shè)挑臂橫梁時(shí)全橋抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

圖5 帶挑臂橫梁的midas Civil模型

設(shè)置挑臂橫梁時(shí)，在單側(cè)偏載作用下，各支點(diǎn)的反力如表2所示，可以看出活載反力分布較為均勻，T2最大支座負(fù)反力減小了70%，T3最大支座負(fù)反力減小了96%，最小抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到5.97。另外，如表3所示，六車道加載時(shí)，設(shè)置挑臂橫梁使得T2、T3中墩在汽車活載作用下最大支反力分別減小了29%和51%，底板等效應(yīng)力分別減小26%和53%。

表2 設(shè)置挑臂橫梁時(shí)單側(cè)活載支反力

4 轉(zhuǎn)體段預(yù)拱度的設(shè)置方式

鋼箱梁截面剛度較小，各階段荷載撓度較大，為保證成橋線形，需要在工廠制造及支架拼裝時(shí)設(shè)置預(yù)拱。本橋存在體系轉(zhuǎn)換，故需進(jìn)行施工階段分析，再將各階段撓度進(jìn)行疊加，求得預(yù)拱值。

對(duì)轉(zhuǎn)體施工鋼箱梁來(lái)說(shuō)，預(yù)拱的設(shè)置方式有2種:轉(zhuǎn)體段在工廠預(yù)設(shè)上拱，上拱值為各階段撓度疊加值，工廠預(yù)拱值較大；轉(zhuǎn)體完成后，微調(diào)即可與合龍段對(duì)接；轉(zhuǎn)體完成后在梁端施加上頂力，再合龍，此時(shí)結(jié)構(gòu)一期恒載內(nèi)力重分配，能有效減小轉(zhuǎn)體墩的恒載支反力及墩頂梁體負(fù)彎矩，預(yù)拱值為在前一種設(shè)置方式的基礎(chǔ)上減去上頂力產(chǎn)生的上拱值。

表3 最大活載支反力及底板應(yīng)力

4.1 不施加上頂力的預(yù)拱值

如圖6所示，不施加上頂力時(shí)，轉(zhuǎn)體段的預(yù)拱值為轉(zhuǎn)體階段下?lián)现?、成橋階段二期恒載下?lián)现?、運(yùn)營(yíng)階段1/2靜活載下?lián)现抵汀?/p>

圖6 各階段撓度及轉(zhuǎn)體預(yù)拱度

由圖6可以看出，轉(zhuǎn)體段最大預(yù)拱值為383 mm，僅通過(guò)調(diào)整支架高度的方式無(wú)法保證線形，且焊縫質(zhì)量難以達(dá)到要求，必須在工廠制造時(shí)考慮預(yù)拱問(wèn)題。

4.2 施加上頂力的預(yù)拱值

轉(zhuǎn)體完成后，在轉(zhuǎn)體段梁端的腹板上施加上頂力，大小通過(guò)計(jì)算確定，目標(biāo)是使轉(zhuǎn)體段梁端的撓度為0，可以和合龍段順利對(duì)接。但上頂力產(chǎn)生的上撓曲線與自重產(chǎn)生的下?lián)锨€并不重合，而且存在二恒及活載撓度，故制造及現(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí)仍需設(shè)置預(yù)拱。預(yù)拱值為成橋后恒載下?lián)现蹬c1/2靜活載下?lián)现抵汀?/p>

圖7 施加上頂力模型

如圖7所示，本橋在轉(zhuǎn)體完成后，在梁端6道腹板位置各施加660 kN的上頂力，待左右側(cè)合龍后再撤去。成橋后鋼箱梁撓度曲線(恒載與1/2靜活載之和)如圖8所示，最大撓度為59 mm，各節(jié)段按圖8設(shè)置預(yù)拱。

表4為施加上頂力和不加上頂力2種工況下各支座恒載支反力及鋼箱梁底板應(yīng)力情況對(duì)比?？梢钥闯?施加上頂力時(shí)，成橋后恒載作用下T3墩的支反力降低了22%，底板應(yīng)力減小了25%。

對(duì)于本橋來(lái)說(shuō)，左側(cè)合龍段在既有橋上，考慮到既有橋的承載能力，最終綜合上述2種方法，在梁端每個(gè)腹板各施加100 kN的上頂力，轉(zhuǎn)體段梁端設(shè)置310 mm廠制上拱度，順利合龍。

5 結(jié) 語(yǔ)

跨鐵路鋼箱梁橋的抗傾覆是需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，特別是中墩尺寸受限、支座橫向間距較小時(shí)，尤其要重視抗傾覆穩(wěn)定性的驗(yàn)算。外挑橫梁可以在轉(zhuǎn)體完成后再安裝，其對(duì)改善主梁正常狀態(tài)下的整體受力狀況作用不大，卻能顯著改善偏載作用下支座反力集中及脫空效應(yīng)，提高整體抗傾覆穩(wěn)定性。

表4 成橋狀態(tài)恒載支反力及底板應(yīng)力

在條件允許的前提下，可考慮對(duì)轉(zhuǎn)體施工橋梁的梁體施加上頂力進(jìn)行合龍，該項(xiàng)措施能改善一期恒載的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，并減小預(yù)設(shè)上拱值。本文主要研究的是鋼箱梁，混凝土梁剛度較大，施加上頂力對(duì)預(yù)拱的影響較小，卻能明顯改善整體受力，防止梁端支座脫空，減小截面高度，并節(jié)省工程投資，值得進(jìn)一步深入研究。