簡支結(jié)合梁無支架施工技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用

岳宗崇

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司 北京 100037)

1 結(jié)合梁發(fā)展概況

橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)中所說的結(jié)合梁是指受壓區(qū)采用混凝土、受拉區(qū)采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土構(gòu)件之間采用剪力連接件進行連接，使兩者共同受力、變形協(xié)調(diào)的一種組合結(jié)構(gòu)，鐵路系統(tǒng)稱之為結(jié)合梁。

結(jié)合梁是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)的雛形最早于1894年出現(xiàn)于北美，當(dāng)時出于防火的需要，并未考慮混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的共同受力［1］。真正具有現(xiàn)代意義的結(jié)合梁橋最早出現(xiàn)在20世紀40年代的瑞典。隨著研究的深入，對于結(jié)合梁的研究逐漸完善，20世紀50年代，美國、前聯(lián)邦德國、前蘇聯(lián)、英國、印度相繼編制行業(yè)規(guī)范［2］。到1970年前后，結(jié)合梁技術(shù)進入蓬勃發(fā)展期，其應(yīng)用更是一日千里，一躍成為繼傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之后的第五大結(jié)構(gòu)［3］。我國的結(jié)合梁系統(tǒng)研究始于20世紀80年代，尤其是近些年在公路和城市橋梁建設(shè)方面取得了舉世公認的進步［4］。1993年建成北京國貿(mào)橋，1994年建成上海南浦大橋，掀起了我國結(jié)合梁橋應(yīng)用的高潮。結(jié)合梁橋在橋梁結(jié)構(gòu)中的成功應(yīng)用實現(xiàn)了輕型大跨、預(yù)制裝配、快速施工的目的，符合我國城市立交橋建設(shè)的國情。繼國貿(mào)橋之后，僅北京又有數(shù)十座大跨立交橋的主跨采用了這種結(jié)構(gòu)形式，最大跨度已達到70 m，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益和社會效益［5］。

在軌道交通工程應(yīng)用方面，常規(guī)結(jié)合梁橋分為連續(xù)結(jié)合梁和簡支結(jié)合梁。連續(xù)結(jié)合梁在研究應(yīng)用方面比較廣泛，各種施工技術(shù)不斷涌現(xiàn)。而簡支結(jié)合梁相對研究較少、技術(shù)措施也比較單一，包括搭設(shè)臨時支架、分段吊裝拼接鋼梁、澆筑混凝土橋面板、拆除臨時支架。本文要介紹的是針對簡支結(jié)合梁的較新穎的一種技術(shù)措施，有望在一定程度上推動簡支結(jié)合梁的普及應(yīng)用。

2 結(jié)合梁的特點

按功能類型不同，結(jié)合梁的組成部分可分為3部分:上部混凝土橋面板、下部鋼梁、中間部分的剪力連接件。單從受力特點和構(gòu)造上就可以看出簡支結(jié)合梁是一種非常優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)，簡支梁的上緣受壓、下緣受拉特性與結(jié)合梁的材料特性分布使其結(jié)合得完美無缺，即受壓區(qū)(上緣)采用受壓性能優(yōu)異的混凝土板，受拉區(qū)(下緣)采用受拉性能優(yōu)異的鋼梁。結(jié)合梁充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的材料特性，使形成整體的結(jié)合梁既有足夠的剛度來控制結(jié)構(gòu)變形和降低振動、噪聲，又提供了足夠的結(jié)構(gòu)強度來降低梁高，另外還兼顧了減輕結(jié)構(gòu)自重、節(jié)省鋼材、降低工程造價的需求，再加上良好的抗震性能和施工便利性，使結(jié)合梁成為鋼梁、混凝土梁以外又一種新穎的橋梁結(jié)構(gòu)［6］。

3 結(jié)合梁的計算理論

結(jié)合梁的計算理論和鋼梁、混凝土梁相同，都采用彈性理論，符合平截面假定，材料服從虎克定律，因此原則上可以利用材料力學(xué)公式計算結(jié)合梁截面的應(yīng)力和變形［5］。但是材料力學(xué)公式只適用于單一的勻質(zhì)彈性體，而結(jié)合梁是由鋼材和混凝土兩種不同性質(zhì)的材料組成的組合結(jié)構(gòu)，因此計算之前應(yīng)首先進行截面換算，即將兩種材料換算為具有相同彈模的同一種材料。這樣就可以根據(jù)換算截面的幾何特征值，利用材料力學(xué)公式進行結(jié)合梁的應(yīng)力和變形計算。

與鋼梁、混凝土梁的另一個不同點就是結(jié)合梁的截面形成過程。第1階段，在混凝土橋面板澆筑時，由于鋼梁和混凝土橋面板尚未形成聯(lián)合截面，鋼梁、澆筑的混凝土橋面板重量將由鋼梁自身承擔(dān);第2階段，隨著混凝土的強度、彈性模量的上升，達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，之后增加的荷載將由聯(lián)合截面承擔(dān)，并且兩者的應(yīng)力、變形是疊加關(guān)系，表達為:

式中，σs為鋼梁應(yīng)力;M1為第1階段荷載彎矩效應(yīng);M2為第2階段荷載彎矩效應(yīng);Ws為鋼梁截面抗彎抵抗矩;W0為聯(lián)合截面抗彎抵抗矩［7］。

其中M1第1階段荷載包括:鋼梁自重、澆筑的橋面板混凝土重量、施工臨時荷載;M2第2階段荷載主要包括:橋面二期荷載，車輛、溫度等結(jié)合梁形成聯(lián)合截面之后施加的荷載。

4 無支架施工技術(shù)措施

4.1 無支架施工的技術(shù)方案

常規(guī)簡支結(jié)合梁的施工是需要搭設(shè)臨時支架來為鋼梁的拼裝創(chuàng)造條件的，本文所說的無支架是指無任何地面支架，完全不受地面條件限制的無支架施工。無支架施工的核心內(nèi)容為:鋼梁整孔預(yù)制吊裝、無支架現(xiàn)澆施工全橋橋面板。

1)鋼梁整孔預(yù)制吊裝。根據(jù)常規(guī)簡支結(jié)合梁施工，整孔預(yù)制吊裝階段主要難點在運輸環(huán)節(jié)。軌道交通橋梁寬度一般為10 m左右，跨越結(jié)構(gòu)物的需求使得結(jié)合梁跨度一般都超過30 m，這類超長、超寬的結(jié)構(gòu)物運輸對城市交通而言確實很難［8-9］。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計的特性，為解決運輸問題鋼梁可分成2片或多片制作，現(xiàn)場采用橫梁連接。

2)無支架現(xiàn)澆施工全橋橋面板。澆筑混凝土橋面板時，可以利用已經(jīng)架設(shè)完畢的鋼梁作為承重結(jié)構(gòu)，通過錨固在鋼梁腹板上的螺栓進行無支架橋面板澆筑工作［10］(見圖 1)。

圖1 結(jié)合梁懸臂支架

根據(jù)計算分析，無支架施工時鋼梁在澆筑混凝土橋面板階段受力較大，并通過應(yīng)力疊加效應(yīng)，最終使鋼梁應(yīng)力成為結(jié)構(gòu)控制應(yīng)力，難以通過計算。根據(jù)結(jié)合梁的計算理論，鋼梁在澆筑橋面板階段受力較大是因為此階段鋼梁和混凝土尚未形成聯(lián)合截面，荷載作用(自重及施工荷載)全部由鋼梁承擔(dān)。第1階段過大的鋼梁應(yīng)力直接拉高了鋼梁的使用階段應(yīng)力，極容易形成鋼梁應(yīng)力控制設(shè)計的情況。從上述分析，鋼梁應(yīng)力過大的問題應(yīng)該這樣解決:在鋼梁形成聯(lián)合截面前盡量減小荷載重量，具體來說即為先澆筑鋼梁應(yīng)力較大部分的橋面板混凝土，鋼梁應(yīng)力越大，澆筑混凝土區(qū)段長度越短，待鋼—砼形成聯(lián)合截面后澆筑下一階段混凝土。

4.2 工程實例的計算分析和應(yīng)用

北京地鐵14號線是北京市軌道交通線網(wǎng)中一條連接?xùn)|北、西南方向的軌道交通L型骨干線，線路全長47.7 km，在線路里程 K3+079.055處上跨五環(huán)路，交角為90°。此處西五環(huán)為雙向六車道的通道橋，橋?qū)?8 m(見圖2)。

圖2 北京西五環(huán)路現(xiàn)狀

此處橋梁采用36 m雙箱簡支結(jié)合梁方案，鋼梁高1.75 m，混凝土橋面板厚0.45 m(見圖3)。施工方法:采用鋼梁整孔吊裝、橋面板分2次澆筑施工，第1次澆筑跨中15 m范圍內(nèi)的混凝土，待形成聯(lián)合截面后澆筑剩余混凝土。

圖3 結(jié)合梁橫斷面

橋梁總體縱向計算根據(jù)平面桿系理論，采用橋梁博士設(shè)計軟件進行計算。根據(jù)橋梁施工流程，結(jié)構(gòu)施工階段劃分見圖4，各個階段鋼梁應(yīng)力情況見圖5。

圖4 跨五環(huán)路結(jié)合梁施工步序

從各階段鋼梁應(yīng)力包絡(luò)圖可以看出，鋼梁控制很理想。但若不考慮橋面板混凝土的分階段澆筑，則鋼梁的控制應(yīng)力顯然高出不少(見圖6)。

圖5 各階段鋼梁應(yīng)力包絡(luò)圖 單位:MPa

北京地鐵14號線于2011年初開工，2013年5月1日通車運營。在建設(shè)過程中，跨五環(huán)路的橋梁工程方案以其良好的施工便利性和經(jīng)濟性贏得了各方人員的一致贊譽。

圖6 無分段澆筑鋼梁應(yīng)力包絡(luò)圖 單位:MPa

4.3 無支架施工的技術(shù)特點

通過14號線工程的應(yīng)用，無支架施工技術(shù)的推廣價值得到了體現(xiàn)。尤其在國內(nèi)城市化高速發(fā)展、城市建設(shè)條件越來越苛刻的前提下，無支架施工技術(shù)顯得尤為重要。例如，對于跨越連續(xù)的現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)物、不允許設(shè)置臨時支架的河流、較高的結(jié)構(gòu)物，以及對臨時支架成本過高等情況，都可以選擇無支架施工方案。相比懸澆、轉(zhuǎn)體等施工方案，無支架施工技術(shù)的優(yōu)越性是顯而易見的，不但節(jié)省了造價，更為重要的是使施工難度降低了一個層次，甚至從景觀上來說，體量更小的簡支結(jié)合梁顯然更容易融入外部環(huán)境。

根據(jù)目前的施工技術(shù)條件和前文中的計算總結(jié)分析，無支架施工技術(shù)在應(yīng)用推廣過程中應(yīng)注意兩點:

1)由于運輸、吊裝的問題，無支架施工技術(shù)向大跨度方向的發(fā)展比較困難，跨度越大困難越大。

2)無支架施工技術(shù)適用于鋼梁上緣壓應(yīng)力控制設(shè)計的開口鋼箱情況。分段澆筑對鋼梁底板的拉應(yīng)力效應(yīng)降低較少，而對上緣的壓應(yīng)力卻能產(chǎn)生質(zhì)的影響。從理論上說，只要分段足夠小，基本可以做到使鋼梁上緣忽略橋面板的存在。

5 結(jié)語

簡支結(jié)合梁無支架施工技術(shù)有效解決了橋梁無支架施工難題，是解決軌道交通橋梁跨越既有橋梁結(jié)構(gòu)、鐵路線網(wǎng)等施工條件比較惡劣的情況的一條捷徑。簡支結(jié)合梁無支架施工技術(shù)的工藝簡單、施工難度小、可操作性強、效率高，經(jīng)濟性更是和標(biāo)準(zhǔn)梁不相上下。該施工技術(shù)的應(yīng)用，可為以后解決類似問題提供實踐經(jīng)驗。

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