非對稱混合梁轉(zhuǎn)體橋設(shè)計研究

金 明

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

橋梁轉(zhuǎn)體施工是一種將橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計橋位施工（現(xiàn)澆或節(jié)段拼裝）成形后，再通過轉(zhuǎn)體系統(tǒng)牽引至設(shè)計橋位的施工方法。轉(zhuǎn)體施工可以將在障礙上方的施工作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)樵谡系K旁邊的地面或近地面施工作業(yè)。由于轉(zhuǎn)體施工具有縮短施工工期，降低施工風險，且不影響橋下行車的特點，因此在跨越既有鐵路線工程中有著非常廣泛的應(yīng)用。

混合梁斜拉橋的主梁由鋼梁和混凝土梁結(jié)合而成，主跨鋼梁自重較輕，可以提升主跨的跨越能力，邊跨混凝土梁自重較大，可以起到壓重的作用，同時增大橋梁的整體剛度。因此與一般的斜拉橋相比，混合梁斜拉橋主跨與邊跨的跨徑比和主跨的跨越能力均要大。

文章依托四平市紫氣大路立交橋，該橋位于四平市中心城區(qū)，主跨需跨越四平編組站和京哈鐵路共15 條鐵路線，若采用鋼箱梁斜拉橋或混凝土梁斜拉橋方案，則邊跨的跨度均較大，周邊場地無法滿足支架施工和轉(zhuǎn)體過程中的占地要求。為減小邊跨的跨度，該橋采用了國內(nèi)并不常見的非對稱混合梁轉(zhuǎn)體橋方案。

1 工程概況

紫氣橋為非對稱混合梁轉(zhuǎn)體斜拉橋，獨塔單索面結(jié)構(gòu)，塔-梁-墩全固結(jié)體系，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)置于上下承臺之間。紫氣橋跨徑布置為165 m（主跨）+90 m（邊跨），其中主跨鋼箱梁長153.5 m，主跨和邊跨混凝土梁長101.5 m。鋼-混結(jié)合段設(shè)置于主跨側(cè)距主塔中心11.5 m 處。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)主梁長為145 m（主跨側(cè)）+ 78 m（邊跨側(cè)），轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)總重23500t。橋梁結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)布置立面圖

紫氣橋鋼-混結(jié)合段采用后承壓板有格室結(jié)構(gòu)，結(jié)合段由3 m 長鋼箱梁過渡加強段和2.25 m 長鋼-混剪力連接段組成。為保證傳力連續(xù)性，鋼箱梁過渡加強段采用變高度T 型加勁肋加焊在U 型加勁肋上的方式進行剛度過渡。鋼- 混剪力連接段除在頂?shù)卒摪?、后承壓板、格室鋼板上布置焊釘連接件外，還在格室鋼板上設(shè)置了PBL 開孔板連接件。混凝土梁部分縱向預(yù)應(yīng)力鋼束錨固在后承壓板上，后承壓板厚40 mm。

2 全橋有限元模型的建立

全橋桿系模型采用Midas Civil 通用空間有限元軟件建立，紫氣橋主梁為閉口箱型截面，抗扭剛度較大，因此主梁采用單梁法進行模擬，把主梁平動質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和截面豎向和橫向抗彎剛度、扭轉(zhuǎn)剛度都集中在位于梁中間的節(jié)點上。全橋桿系有限元模型如圖2 所示。

圖2 全橋桿系有限元模型

3 全橋設(shè)計分析

為便于內(nèi)力及應(yīng)力的統(tǒng)計分析，選取鋼-混結(jié)合的鋼梁側(cè)截面（距后承壓板6 m 位置），后承壓板位置截面以及混凝土梁側(cè)截面（距后承壓板5 m 位置）為代表性截面。這3 個截面在轉(zhuǎn)體階段、成橋階段、成橋十年階段截面的內(nèi)力及應(yīng)力分別如表1、表2、表3 所示。

表1 轉(zhuǎn)體階段鋼-混結(jié)合段關(guān)鍵截面內(nèi)力及應(yīng)力

表2 成橋階段鋼-混結(jié)合段關(guān)鍵截面內(nèi)力及應(yīng)力

表3 成橋十年階段鋼-混結(jié)合段關(guān)鍵截面內(nèi)力及應(yīng)力

由于后承壓板位置處錨固有大量混凝土梁預(yù)應(yīng)力鋼束，在鋼束預(yù)應(yīng)力的作用下，在后承壓板位置處主梁軸力、彎矩均有明顯突變。轉(zhuǎn)體階段斜拉水平分力作用產(chǎn)生的軸力占承壓板處截面總軸力的45.3%，鋼束預(yù)應(yīng)力作用產(chǎn)生的軸力占截面總軸力的54.7%。

與轉(zhuǎn)體階段相比，成橋階段在后承壓板位置處張拉了成橋底板束和腹板束，同時掛設(shè)了合龍段斜拉索，后承壓板位置處主梁軸力明顯增大。

本橋為塔-梁-墩全固結(jié)體系，并且鋼-混結(jié)合段位置靠近主塔，因此鋼-混結(jié)合段在自重和活載作用下存在較大負彎矩，設(shè)計時需通過預(yù)應(yīng)力鋼束布置和斜拉索索力調(diào)整保證鋼-混結(jié)合段在各階段彎矩均較小。成橋階段鋼束預(yù)應(yīng)力作用產(chǎn)生的軸力占截面總軸力的73.2%，鋼束預(yù)應(yīng)力作用產(chǎn)生的軸力在鋼-混結(jié)合段軸力中占比更大，鋼束預(yù)應(yīng)力不僅讓后承壓板與結(jié)合段混凝土梁的緊密接觸，同時保證了結(jié)合段混凝土梁始終處于受壓狀態(tài)。

與成橋階段相比，成橋十年階段在后承壓板位置，混凝土梁側(cè)軸力變化值為4133 kN，彎矩變化值為-14276 kN·m；鋼梁側(cè)軸力變化值為1467 kN，彎矩變化值為-9050 kN·m?？梢婁?混結(jié)合段軸力受混凝土徐變影響較小，彎矩受混凝土徐變影響較大。由于混凝土徐變的作用，混合梁斜拉橋的內(nèi)力發(fā)生明顯重分布，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮混凝土徐變對結(jié)合段受力的影響。

4 鋼-混結(jié)合段有限元模型的建立

鋼-混結(jié)合段局部實體模型采用ABAQUS 通用有限元軟件建立，模型混凝土梁側(cè)端部采用固結(jié)約束，鋼箱梁側(cè)端部施加桿系模型中提取的成橋節(jié)段內(nèi)力。模型采用實體單元模擬結(jié)合段混凝土梁；采用殼單元模擬鋼箱梁、后承壓板、格室鋼板；采用桁架單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼束。鋼-混結(jié)合段實體模型如圖4 所示。

圖4 鋼-混結(jié)合段實體模型

5 鋼-混結(jié)合段設(shè)計研究

為便于統(tǒng)計分析，選取鋼-混結(jié)合段后承壓板位置處鋼箱梁截面和鋼-混結(jié)合段格室末端處混凝土梁截面為代表性截面，成橋階段這2 個截面縱橋向應(yīng)力計算值分別如圖5、圖6 所示。

圖5 成橋階段鋼箱梁頂?shù)装蹇v橋向應(yīng)力計算值

圖6 成橋階段混凝土梁頂?shù)装蹇v橋向應(yīng)力計算值

由圖可見，鋼箱梁頂板中部范圍的應(yīng)力要明顯大于兩側(cè)應(yīng)力，而底板應(yīng)力分布更為均勻。這是由于紫氣橋為單索面雙排索結(jié)構(gòu)，臨近鋼-混結(jié)合段在中腹板上部錨固有一對斜拉索，因此頂板應(yīng)力分布受斜拉索影響較大，而底板應(yīng)力分布受斜拉索影響較小。

由圖可見，混凝土梁應(yīng)力在腹板位置較大，在遠離腹板位置較小，這是由于后承壓板位置處錨固有大量預(yù)應(yīng)力鋼束，且在腹板位置處鋼束更為密集，剪力滯效應(yīng)明顯。

鋼-混結(jié)合段后承壓板位置處鋼箱梁截面和鋼-混結(jié)合段格室末端處混凝土梁截面應(yīng)力實體模型計算值與桿系模型計算值相差不大，說明鋼-混結(jié)合段應(yīng)力過渡良好。同時鋼箱梁頂板中部區(qū)域受斜拉索作用，混凝土梁腹板區(qū)域受鋼束作用，實體模型應(yīng)力計算值大于桿系模型計算值，因此在鋼-混結(jié)合段設(shè)計時建議建立局部實體模型進行更為深入地分析。

6 結(jié)論

本文依托某非對稱混合梁轉(zhuǎn)體斜拉橋，建立了全橋桿系模型和鋼-混結(jié)合段實體模型進行受力分析，為類似工程的設(shè)計提供參考。

（1）鋼-混結(jié)合段設(shè)計時需通過預(yù)應(yīng)力鋼束布置和斜拉索索力調(diào)整保證鋼-混結(jié)合段在各階段彎矩均較小。

（2）預(yù)應(yīng)力鋼束作用產(chǎn)生的軸力在鋼-混結(jié)合段軸力中占比更大，鋼束預(yù)應(yīng)力不僅讓后承壓板與結(jié)合段混凝土梁的緊密接觸，同時保證了結(jié)合段混凝土梁始終處于受壓狀態(tài)。

（3）鋼-混結(jié)合段軸力受混凝土徐變影響較小，彎矩受混凝土徐變影響較大，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮混凝土徐變對結(jié)合段受力的影響。

（4）斜拉索水平分力和鋼束預(yù)應(yīng)力的作用下，鋼-混結(jié)合段局部位置應(yīng)力較為集中，在采用桿系模型建模分析時應(yīng)留有更大的安全度，或建立鋼-混結(jié)合段局部實體模型進行更為深入地分析。