轉(zhuǎn)體連續(xù)梁橋鋼殼合龍技術(shù)研究

劉顯暉，張浩陽，梁 歡，李建強(qiáng)，楊 帆

（1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.柳州泰姆預(yù)應(yīng)力有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

到目前為止，我國使用轉(zhuǎn)體技術(shù)建設(shè)成的橋梁數(shù)量已達(dá)到世界第一，橋梁轉(zhuǎn)體的施工技術(shù)和工藝也達(dá)到世界領(lǐng)先水平[1]。傳統(tǒng)的跨線合龍施工工藝，在跨線施工時，不可避免的會影響既有線路，鋼殼合龍技術(shù)能夠有效避免對既有線路的影響，可以保證既有線安全運(yùn)營，并能保障現(xiàn)場施工安全。鋼殼合龍技術(shù)的運(yùn)用能大幅增加轉(zhuǎn)體法施工的可行性，為這一施工方法的普及帶來了巨大的前景，有效地推動了既有線路的橋梁建設(shè)[2-3]。鋼殼合龍技術(shù)在我國應(yīng)用于轉(zhuǎn)體合龍施工方面已經(jīng)相當(dāng)廣泛，目前已經(jīng)在集包鐵路跨線橋、北汝河特大橋跨孟寶鐵路、京石客專等多個項(xiàng)目的合龍施工中實(shí)踐。不過對于鋼殼合龍技術(shù)受力分析研究相對較少，田小路[4]、劉正飛[5]等運(yùn)用有限元軟件分析了合龍段鋼殼的受力情況。本文通過介紹合龍段鋼殼的構(gòu)成、加工以及安裝，闡述其與傳統(tǒng)的合龍技術(shù)對比的優(yōu)勢，再利用ansys有限元軟件建立新建福廈鐵路漳州下行聯(lián)絡(luò)線特大橋的有限元模型，分析在混凝土建筑過程中合龍段鋼殼的受力情況，對合龍段鋼殼受力情況進(jìn)行模擬分析，為指導(dǎo)合龍段混凝土施工以及橋梁順利合龍?zhí)峁┮罁?jù)，也為類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況及合龍段鋼殼構(gòu)成

1.1 工程概況

作為國家“一帶一路”建設(shè)重點(diǎn)工程，新建福廈鐵路設(shè)計時速350 km，新建線路長277.42 km，連接福州、莆田、泉州、廈門、漳州等城市，對促進(jìn)沿線城市快速發(fā)展具有重要意義。福廈鐵路漳州下行聯(lián)絡(luò)線特大橋主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，截面采用直腹板整孔箱梁形式，主跨長100 m，橋面跨度7.1 m，33#、34#號墩采用雙幅同步轉(zhuǎn)體，雙幅橋體總重11 000 t，轉(zhuǎn)體施工就位后，由于轉(zhuǎn)體橋下端距電氣化接觸網(wǎng)只有4.89 m，傳統(tǒng)的支架搭設(shè)十分困難，常規(guī)掛籃和吊架底模容易侵界，出于安全以及施工可行性考慮，中跨合龍段采用鋼殼合龍技術(shù)進(jìn)行合龍。

1.2 合龍段鋼殼構(gòu)成

合龍段鋼殼主要由3 部分構(gòu)成：預(yù)埋段鋼殼，嵌補(bǔ)段鋼殼，吊掛系統(tǒng)。鋼殼縱斷面如圖1 所示，橫斷面如圖2 所示。

圖1 鋼殼縱斷面圖（單位：mm）

圖2 鋼殼橫斷面圖（單位：mm）

預(yù)埋段鋼殼、吊裝段鋼殼均采用16 mm 厚不銹鋼復(fù)合鋼板組焊而成，鋼殼外形尺寸同梁體外輪廓尺寸一致，緊貼梁體設(shè)置于外輪廓之上，并設(shè)置鋼殼橫隔板、加勁肋同箱梁最后段進(jìn)行錨固。預(yù)埋段鋼殼長度為2 000 mm，采用對稱設(shè)計，嵌入連續(xù)梁最后懸澆段末端1 500 mm，外伸500 mm，預(yù)埋于梁段末端。嵌補(bǔ)段長度為1 440 mm，在轉(zhuǎn)體到位后進(jìn)行施工安裝，安裝時與預(yù)埋段搭接壓緊后與預(yù)埋段進(jìn)行焊接，保證鋼殼的密封性，確保澆筑時無漏漿現(xiàn)象發(fā)生。吊掛系統(tǒng)由精軋螺紋鋼吊桿、連接螺母、錨固扁擔(dān)梁組成，如圖3 所示。連接螺母通過電弧焊焊接于預(yù)埋段鋼殼及合龍段鋼殼之上，螺母與吊桿通過栓接連接，吊桿上部錨固于扁擔(dān)梁[6]。

圖3 吊掛系統(tǒng)示意圖

1.3 合龍段鋼殼加工以及安裝

將合龍段鋼殼在工廠中分為4 塊制作，其中底板和翼板各2 塊，在轉(zhuǎn)體施工前,預(yù)先將合龍段鋼殼底板放置于箱梁內(nèi)部，翼緣板放置于箱梁頂面，并做好相關(guān)固定防護(hù)。

轉(zhuǎn)體施工完成并精調(diào)就位后，吊裝嵌補(bǔ)段鋼殼，及時完成中跨合龍段作業(yè)面封閉。吊裝過程中按照先底板、再腹板、最后翼緣板的順序吊裝。安裝過程中及時安裝預(yù)應(yīng)力孔道，并保證預(yù)應(yīng)力孔道位置定位準(zhǔn)確。

2 鋼殼合龍技術(shù)的優(yōu)勢

鋼殼合龍工藝是采用與梁體的外形完全一致的高強(qiáng)度鋼殼作為外模，它既能承受合龍段的自重與施工時產(chǎn)生的荷載，又與混凝土結(jié)合成一個整體共同參與結(jié)構(gòu)受力[7]。與傳統(tǒng)合龍工藝相比，鋼殼合龍技術(shù)具有以下的優(yōu)勢：

（1）鋼殼施工能有效解決梁底施工空間有限的難題。

（2）鋼殼合龍施工技術(shù)是一種新型施工技術(shù)，轉(zhuǎn)體之前進(jìn)行鋼殼預(yù)埋段的施工，轉(zhuǎn)體之后進(jìn)行鋼殼合龍段的施工，形成封閉施工空間，所有操作均在封閉空間內(nèi)完成，幾乎不影響下跨線路的正常通行，減小既有線施工安全風(fēng)險[8]。

（3）在合龍段施工過程中，鋼殼既起到了合龍段模板的作用，又作為混凝土一部分，與混凝土一起參與受力，施工完畢后不用拆除，操作簡潔，施工速度塊，大大節(jié)約上跨既有線施工時間成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 合龍段有限元模型的建立

3.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

合龍段為鋼-混結(jié)合段，構(gòu)造相對復(fù)雜，運(yùn)用大型有限元軟件Ansys 無法精確模擬，因此需要做出一些簡化以及假設(shè)。依據(jù)圣維南原理，鋼-混結(jié)合段的局部應(yīng)力與離它較遠(yuǎn)區(qū)域的應(yīng)力聯(lián)系很小，只與相近梁的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，所以本文采用已澆筑箱梁段,選取6 m 建模，選用solid65 模擬箱梁混凝土，shell63 模擬鋼殼，鋼殼按照實(shí)際尺寸建模，未考慮吊掛系統(tǒng)的影響，忽略鋼殼與混凝土的相互黏結(jié)和摩擦作用，采用約束方程生成剛性區(qū)域?qū)⒒炷亮憾闻c預(yù)埋段鋼殼擬合共同受力。嚴(yán)格按照實(shí)際尺寸建模，x 軸沿橋梁縱軸向，y 軸豎直向上，z 軸沿橫橋向，有限元模型如圖4。

3.2 邊界條件及荷載施加

為準(zhǔn)確模擬真實(shí)情況，兩側(cè)預(yù)埋段按固結(jié)考慮邊界條件,后吊裝段與預(yù)埋段按整體剛性連接考慮，所有荷載均按照面荷載加載于對應(yīng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上[9]。根據(jù)鋼殼受力情況可以分為豎向荷載、水平荷載以及側(cè)壓力。

豎向荷載主要包括鋼殼自重、底板處混凝土自重、合龍段箱梁的頂板、翼緣板、腹板等模板的自重等。

水平荷載主要包括傾倒混凝土產(chǎn)生的水平?jīng)_擊荷載和混凝土對鋼殼的側(cè)壓力。

側(cè)壓力可按下列公式計算，并取其中的較小值[10]，其余荷載按照相應(yīng)規(guī)定施加。

式中：F 為新澆筑混凝土對模板的最大側(cè)壓力，kN/m2；γc為混凝土的重力密度，kN/m3；V 為混凝土的澆筑速度，m/h；t0為新澆混凝土的初凝時間，h，可按試驗(yàn)確定，當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時，可采用t0=200/（T+15）t0（T 為混凝土的溫度，℃）；β1為外加劑影響修正系數(shù)。不摻外加劑時取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑時取1.2，這里取1.0；β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，當(dāng)坍落度小于30 mm 時，取0.85，坍落度為50～90 mm 時，取1.0，坍落度為110～150 mm時，取1.15，這里取1.0；H 為混凝土側(cè)壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度，m，混凝土側(cè)壓力的計算分布圖形如圖5 所示；h 為有效壓頭高度h=F/γc=1.9 m。

圖5 側(cè)壓力分布圖

4 結(jié)果分析

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，在混凝土澆筑時，由于混凝土的沖擊荷載，鋼殼在局部可能產(chǎn)生較大的應(yīng)力以及變形，在此分析澆筑混凝土?xí)r對鋼殼的影響。

4.1 應(yīng)力分析

通過有限元分析得到鋼殼的應(yīng)力圖，如圖6 所示。可以看出，最大的mises 應(yīng)力為82.99 MPa，Ux方向的最大應(yīng)力為40.69 MPa，Uy 方向最大應(yīng)力值為37.3 MPa。鋼殼鋼板表面的應(yīng)力分布較為均勻，應(yīng)力主要集中在鋼殼與混凝土接觸的邊緣段以及鋼殼底板中間位置。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[10]，Q345 鋼板（≤16 mm）最大的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度為215 MPa，滿足施工要求。

圖6 應(yīng)力圖

4.2 變形分析

本文主要分析鋼殼在混凝土澆筑時，鋼殼的豎向變形以及橫橋向變形，鋼殼的豎向變形主要發(fā)生在鋼殼底板以及加勁肋板處，最大變形量為0.86 mm；橫橋向鋼殼的變形沿縱向中心線對稱，主要發(fā)生在鋼殼兩側(cè)腹板位置，最大的變形量為0.75 mm。根據(jù)相關(guān)規(guī)范中關(guān)于最大變形值的規(guī)定，對結(jié)構(gòu)表面外露的模板，最大變形值為模板構(gòu)件計算跨經(jīng)的1/325。通過分析計算可知鋼殼最大變形量符合施工技術(shù)要求。

通過有限元軟件分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論：合龍段鋼殼的底面和側(cè)面產(chǎn)生的應(yīng)力以及應(yīng)變均處于規(guī)范的容許范圍，高應(yīng)力集中區(qū)域面積很小，不會對鋼殼整體受力造成影響，鋼殼能夠承受來自混凝土澆筑時的沖擊荷載，保證混凝土澆筑時鋼殼的正常工作。

5 結(jié)語

本文以新建福廈鐵路漳州下行聯(lián)絡(luò)線特大橋轉(zhuǎn)體中跨合龍段為研究背景，對鋼殼合龍技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并闡述了鋼殼合龍技術(shù)的優(yōu)勢，對合龍段鋼殼在混凝土澆筑時進(jìn)行了有限元分析，得出了以下的結(jié)論：

（1）與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)體合龍工藝對比，合龍段鋼殼在連接后形成的封閉體系，大大減少了外界的干擾，能夠保證后續(xù)鋼筋及混凝土的施工安全，消除了施工雜物掉落到既有線上的安全隱患。

（2）鋼殼作為一種新型的合龍技術(shù)，由于時間有限，本文僅研究了施工過程中對鋼殼的影響，對于后續(xù)橋梁使用過程中未進(jìn)行進(jìn)一步的分析，需要更加深入的探索。

隨著轉(zhuǎn)體橋梁應(yīng)用的增多，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)體橋合龍工藝存在著較大的安全隱患，鋼殼這種集模板、結(jié)構(gòu)于一體的新型施工方法應(yīng)用前景將會愈發(fā)廣闊，在橋梁建設(shè)中將會發(fā)揮越來越大的作用。