頂推鋼導梁與主梁新型連接方式研究

張威振，楊素娟

(1.湖南中大設計院有限公司，長沙　410075；2.湖南高速鐵路職業技術學院，湖南衡陽　421002)

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頂推鋼導梁與主梁新型連接方式研究

張威振1，楊素娟2

(1.湖南中大設計院有限公司，長沙410075；2.湖南高速鐵路職業技術學院，湖南衡陽421002)

摘要：常規頂推施工中鋼導梁與主梁多采用精軋螺紋鋼連接方式。由于某鐵路橋主梁腹板厚度較薄、導梁與主梁高度不相匹配，采用常規的連接方式難以滿足受力的需要。為解決這一難題，對常規頂推方案進行改進與創新，提出一種剪力分配梁與水平向精軋螺紋鋼相結合的新型連接方式，方便地解決了工程實際需求。實踐證明，該連接方式操作簡單、適用性強。該方案的成功運用可以作為類似跨線橋(跨鐵路、公路等)頂推施工導梁連接方案的借鑒。

關鍵詞：鐵路橋梁；精軋螺紋鋼；剪力分配梁；頂推施工；導梁連接

隨著社會的發展，人們對橋梁的要求不單為滿足交通功能，在美學上也有了更高的要求。特別是在城市建設中，有時受到諸多條件的限制(比如跨越鐵路既有線、高速公路、防洪大堤以及城市繁華街道時)，需要采用跨徑相對較大、且施工較為安全的橋型方案，頂推連續梁可以極大地滿足這類需要[1-3]。

頂推導梁常見的形式是工字型鋼結構，底部光滑平整便于頂推施工，其與主梁多采用精軋螺紋鋼進行連接。實際施工時有時會遇到現場可以直接用的導梁梁高與主梁不相匹配的情況，且受到主梁腹板厚度的限制，沒有足夠的空間布設受力所需精軋螺紋鋼，此時需對常規的連接方式進行改進以滿足施工過程中的受力需要[4-5]。

1概況

某跨鐵路橋上部結構采用(40+50+40) m預應力混凝土頂推連續箱梁，采用雙箱單室斜腹板截面，梁高380 cm；箱梁頂面外、內側懸臂板長分別為515、400 cm，箱梁底面懸臂板長397 cm，腹板厚85 cm；本橋采用的施工方案為先搭設箱梁預制頂推平臺，預制上部70 m主梁段，箱梁澆筑完畢后頂推就位。再在主梁段兩端搭設支架，然后現澆30 m邊跨箱梁。

施工單位實際采購到的鋼導梁采用鋼板梁與鋼桁架相結合的結構形式。鋼導梁總長34 m，分為4個節段，長度分別為1.1、8、13、11.9 m。每幅箱梁的鋼導梁分左右兩片，端部高度為548 mm，根部高度為2 982 mm，頂底板鋼板厚度為30 mm，腹板鋼板厚度為24 mm。兩片鋼導梁之間采用φ219 mm×8 mm橫撐及φ114 mm×8 mm斜撐進行橫向連接。鋼導梁各段之間采用螺栓及焊接連接，上翼緣、下翼緣及腹板采用拼接板并用高強螺栓連接，各段之間留有2 mm的間隙，并且對下翼緣下表面打磨光滑，確保頂推施工時下翼緣下表面通長光滑平整。

2導梁連接方式

由于受工地實際情況的制約，該橋實際采購的導梁根部高度為2 982 mm，與主梁梁高3 800 mm不匹配，且導梁與箱梁連接處腹板厚度僅為85 cm，空間狹小難以布置抗剪所需的螺栓群。

鋼導梁在頂推過程中，由于邊界條件的不斷變化，其連接部位受到的剪力與彎矩處于不斷變化的過程當中，其導梁受到向下的最大剪力由懸臂最大狀態對應的導梁重力產生，此剪力由腹板布置的精軋螺紋鋼承擔一般承載能力可以滿足要求；當連接部位處于超靜定狀態時受到的向上的剪力一般較大，由于受腹板空間及導梁與主梁高度不匹配的限制，單純依靠腹板布置的螺栓群難以滿足抗剪的需求，本工程采用在箱梁頂部設置水平剪力梁的方式來承擔向上的強大剪力。

在箱梁的兩腹板對應位置設置2排縱向的剪力分配梁，梁高為500 mm，頂、底板與5道縱向的鋼腹板組成格構箱室，鋼板均采用20 mm厚Q235B，為防止腹板的局部失穩，在布置有精軋螺紋鋼及對應焊接底座的位置、導梁連接端部設置11道由10 mm厚的Q235B鋼板組成的橫向加勁肋。分配梁尾端底板與預埋在箱梁中的鋼板焊接連接，預埋件采用20 mm厚Q235B鋼板通過φ25 mm的鋼筋與混凝土主梁錨固連接，預埋件沉入混凝土面20 mm，待主梁頂推完成后用水泥砂漿抹平。由于箱梁橫坡的存在，注意采用20 mm厚的鋼墊板進行調平。

箱梁的端面布置雙層厚20 mm、寬800 mm的Q235B鋼板，兩層鋼板的凈距為210 mm，中間布置41道由12 mm厚的Q235B鋼板組成的橫向加勁肋，形成穩定的箱室結構。此鋼板與預埋在箱梁中的鋼板焊接連接，預埋件采用20 mm厚Q235B鋼板通過φ25 mm的鋼筋與混凝土主梁錨固連接。鋼板與混凝土箱梁端面之間的空腔部分采用C55水泥漿充填。鋼導梁與分配梁之間的高差部分采用由20 mm厚Q235B鋼板焊接成的工字鋼填充C55高強混凝土封閉的連接方式，便于結構的剪力傳遞。導梁連接部位示意見圖1、圖2。為便于力的傳遞，螺紋鋼在混凝土中交錯布置，由于頂推過程中的螺栓群受力大，如果對其進行張拉會導致超過其抗拉極限強度，故對其不予張拉，按普通螺栓考慮。錨筋大樣圖3中A1、A2長度為2 800、2 500 mm，B1、B2、B3、B4長度分別為1 900、1 950、2 100、2 150 mm。拼裝完成后的實地照片如圖4所示[6-8]。

圖1　導梁連接斷面(單位:mm)

圖2　導梁連接立面 (單位:mm)

圖3　預埋錨筋大樣(單位:mm)

圖4　拼裝完成后的剪力分配梁

3模型建立與受力分析

由于梁體連接部位在施工過程中受到的彎矩正負交替變化使得結構受力復雜，為盡可能模擬實際施工的工況，采用有限元軟件Midas Civil 2013進行建模分析，由于采用平面桿系，為便于建模將兩片導梁按照特性等效的原則進行合并，縱橫向支撐作為荷載施加到鋼導梁上。主梁和鋼導梁每個單元長度均為1 m，主梁共70個單元，鋼導梁共34個單元，按頂進1 m為一個施工階段，整個頂推過程共有88個施工階段，通過支承條件的變化模擬頂推施工過程。墩用固定支座模擬，與梁用僅受壓的彈性連接，彈簧的剛度系數SDx=1.7×106kN/m，在E4墩墩頂加1個水平方向的約束，如圖5所示[9-10]。

圖5　頂推施工模型

由上述整體計算模型可得導梁與主梁連接部位的彎矩、剪力步驟時程曲線如圖6、圖7所示。

圖6　彎矩步驟時程曲線

圖7　剪力步驟時程曲線

圖6、圖7中的內力值為兩片導梁對應的合計值，對圖中各個步驟時程對應的剪力、彎矩值進行分析比較，得到單片導梁連接部位的控制剪力、彎矩設計值如表1所示。

表1　導梁連接部位內力設計值

4承載力驗算

根據彎矩由水平向的精軋螺紋鋼承擔，向上的負剪力由剪力梁承擔，向下的正剪力由水平向的精軋螺紋鋼承擔的原則進行承載能力驗算。

單根PSB785、直徑為32 mm的精軋螺紋鋼能承受的最大抗拉力為

最大抗剪承載力為

圖8　水平螺栓群受力示意

按普通螺栓連接的計算方法驗算水平向精軋螺紋鋼的抗彎承載力。最大彎矩為正，因此取頂緣為螺栓群軸線，受力圖示如圖8所示，則在彎矩作用下，可得單根螺栓受最大拉力為

圖9　剪力梁及豎向螺栓群受力示意

剪力梁承擔全部向上的最大剪力，取剪力梁尾部為支點，受力圖示如圖9所示，可得豎向精軋螺紋鋼中單根承受最大拉力為

對于向下的剪力及對應的負彎矩(受力圖示與圖8類似，但彎矩作用方向相反)可全部由水平向精軋螺紋鋼承擔，取底緣為螺栓群軸線，可得單根螺栓承受最大拉力為

單根螺栓承受最大剪力為

在彎矩與剪力共同作用下

安全儲備足夠。

由上述計算可知，精軋螺紋鋼的承載力均能滿足規范要求，此方案安全、可靠。

5結論

在實際的工程中有時會遇到導梁高度與主梁梁高不匹配、導梁與箱梁連接處腹板厚度較薄的情況，此時由于空間狹小，難以按照常規的設計思路布置抗剪所需的螺栓群。針對上述情況，提出了一種剪力分配梁與水平向精軋螺紋鋼相結合的新型導梁連接方式，利用水平向的精軋螺紋鋼承擔正負彎矩，剪力分配梁承擔向上的剪力，水平向的精軋螺紋鋼承擔向下的剪力，科學有效地解決了施工實際問題。

該橋梁設計采用頂推施工方案，由于施工方案及施工組織設計合理，施工期間鐵路運輸保持暢通，無一例安全事故發生。實踐證明，當主梁腹板空間受限及導梁與主梁梁高不匹配的情況下，采用剪力分配梁與水平向精軋螺紋鋼相結合的方式可以保證施工期間的安全，該方式可以作為類似跨線橋(跨鐵路、公路等)頂推施工導梁連接方案的借鑒[11-12]。

參考文獻：

[1]王慧東，李亞林.PC連續梁頂推技術中幾個問題的探討[J].鐵道標準設計，2001(3):11-12.

[2]蘇國明.跨既有線頂推施工預應力混凝土箱梁設計及施工需要注意的問題[J].鐵道標準設計，2012(2):31-33.

[3]蘇國明.跨武廣客運專線頂推施工48 m曲線預應力混凝土簡支箱梁設計[J].鐵道標準設計，2010(6):31-33.

[4]金邵龍.大噸位箱梁單點頂推技術探討[J].鐵道建筑技術，2013(11):12-14.

[5]苗蘭弟，任慶國.淺談箱梁頂推施工工藝[J].甘肅科技，2009，25(20):142-143.

[6]呂京暉.橋梁箱梁頂推施工原理、方法及關鍵技術[J].中國新技術新產品，22010(9):85-85.

[7]徐升橋，劉永鋒.京新上地斜拉橋的技術創新[J].鐵道標準設計，2013(3):29-34.

[8]劉向華，李濤.頂推施工中臨時墩安全性分析[J].公路交通科技：應用技術版，2014(3):174-176.

[9]楊德區.北江大橋箱梁頂推施工方案[J].市政技術，1997(3):17-23.

[10]付永樂.通惠河橋鋼箱梁頂推施工技術[J].鐵道建筑，2007(3):8-10.

[11]張謙，楊曉，李貴峰.上跨既有線路箱梁頂推施工技術及安全控制[J].安徽建筑，2012，19(4):117-118.

[12]陳茂生.新型頂推支座在頂推法施工的使用[J].山西建筑，2007，33(10):197-198.

Research on New Type of Connection between Launching Nose and Main Girder

ZHANG Wei-zhen1， YANG Su-juan2

(1.Hu’nan Zhongda Design Institute Co.， Ltd.， Changsha 410075， China; 2.Hu’nan Technical College of Railway High-speed， Hengyang 421002， China)

Abstract：The screw-thread steel bar is often used for the connection between launching nose and main girder in typical incremental launching process. Because the thickness of the web plate is thin and the launching nose is not matched with the height of the girder， it is difficult to meet the needs of incremental launching construction by using conventional screw-thread steel bar connection method. To solve this problem， this paper presents a new method of connection by combining shear force distribution beam with horizontal screw-thread steel bars. The practice proves that the connection is simple and applicable. The successful application provides good and meaningful references for the launching nose connection of other similar flyovers (crossing over railway and highway).

Key words：Railway bridge; Screw-thread steel bar; Shear force distribution beam; Incremental launching; Launching nose connection

文章編號：1004-2954(2016)05-0037-05

收稿日期：2015-10-12； 修回日期：2015-10-16

作者簡介：張威振(1979—)，男，高級工程師，2004年畢業于中南大學防災減災工程及防護工程專業，碩士研究生，E-mail：linquanzhang@yeah.net。

中圖分類號：U445.462

文獻標識碼：B

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.009