大跨徑鋼箱梁轉體T構撓度與受力研究

2019-03-06 07:57:36田山坡

城市道橋與防洪 2019年2期

田山坡

（中國鐵路設計集團有限公司，天津市 300251）

0 引言

隨著我國交通基礎設施建設的快速發展，公路及市政道路跨越鐵路橋梁日益增多，轉體剛構橋承載能力高、結構剛度大，施工操控性好，且最大限度的減小了對橋下鐵路交通運輸的影響，故而應用前景廣泛，日益成為跨越既有繁忙鐵路干線尤其是高速鐵路的首選方案。

但城市高架橋跨越鐵路段橋梁常位于曲線上且受平面線型影響橋梁跨度往往較大，該類結構空間效應明顯，結構受力性能復雜，受條件影響只能采用轉體法施工，國內相關橋梁的設計及研究尚無可借鑒的先例。因此本文以太原市臥虎山路改建工程跨石太客專及石太線立交橋為例，針對大跨徑曲線轉體橋的是否帶塔（轉體段主梁設置臨時索塔及拉索）、預拱度設置、成橋彎矩、墩頂截面應力、支座壓力控制等關鍵技術及受力性能進行研究，以期為此類結構的設計提供參考[1-6]。

1 工程概況

臥虎山路是城市快速路系統的一部分，是建設路快速路的北延，是北部片區東側的快速路東環線，它的建成將有利于進一步推動城市北部片區建設的進程，對于充分發揮政府職能，加快當地經濟社會文化事業的發展，促進全市經濟和社會的健康協調發展，具有十分重要的意義。

臥虎山路改建工程位于中心城區東北部，起點現狀臥虎山路，向南跨過北澗河后轉向西南，經太原動物園，上跨石太高鐵后高架落地，與北中環澗河路立交銜接。臥虎山路改建工程采用高架線路，路段全長3 480 m，橫斷面采用整幅雙向六車道，標準橋寬28.5 m。

橋梁沿道路線位走向，自北向南需依次跨越石太鐵路上行、石太客專下行、石太客專上行、石太鐵路下行等多條高鐵或電氣化鐵路。上跨鐵路橋位于R=150 m的圓曲線、緩和曲線和直線上，且為滿足鐵路限界要求橋梁孔跨較大，因此梁部采用鋼箱梁。根據以往橋梁建設經驗以及所跨越鐵路鐵路運營繁忙的特點，考慮橋跨在經濟合理的條件下盡可能做到對鐵路影響最小，本次跨鐵路處主橋設計為2孔100 m鋼箱梁轉體T構。

轉體墩位于既有鐵路北側。上部結構為100 m+100 m變高度鋼結構箱梁轉體T構，梁全長200 m，一次轉體就位，不再預留后拼段。橋梁為整幅設橋，橋面寬28.5～31.409 m。橋梁的布設以整個轉體施工過程結構與接觸網帶電部分的高度不小于0.7 m，并且不侵入現狀鐵路允許限界為基本原則，同時考慮預留足夠的安全距離。橋型布置見圖1。

主橋上部結構箱梁采用單箱五室截面，T構中間支點處梁高7.5 m，邊支點梁高3.5 m，梁底線形按1.8次拋物線變化。采用直腹板；箱梁頂板厚16～40 mm；底板厚度為16～36 mm；中、邊腹板厚度為16～24 mm。端支點橫向各設三個支座，中支點墩梁固結。鋼箱梁立面及平面見圖2，鋼箱梁斷面見圖3。

圖1 橋型布置圖（示例）（單位：mm）

圖2 鋼箱梁一般構造圖（單位：mm）

圖3 鋼箱梁斷面圖（單位：mm）

2 工況分析

結合具體實施情況選取以下工況進行對比分析，工況一，帶塔、梁端不加頂升；工況二，帶塔、梁端加頂升；工況三，不帶塔、梁端不加頂升；工況四，不帶塔、梁端加頂升。以四種工況為例對梁部預拱度設置、成橋階段墩頂彎矩、墩頂附近施工階段截面應力、成橋及運營階段支座壓力進行詳細分析研究。為便于結果比較，四種工況對應同一種計算模型進行相應處理。

為避免轉體過程中出現較大的撓度轉體時，帶塔轉體，帶塔具體布置見圖4。轉體前在主墩對應主梁橋面上設置臨時索塔，索塔由8根直徑1 200 mm的鋼管柱與型鋼焊接而成，高度為橋面以上29 m。順橋梁向設置5組Φ5×91平行鋼絲拉索，一端錨固在臨時索塔上，一端與梁體連接，通過拉索對轉體前梁體施加拉力，確保轉體過程中梁體不產生較大的撓度，轉體完成，支座安裝就位后，將索塔及斜拉索拆除。

圖4 帶塔布置圖（單位：mm）

3 分析結果

3.1 梁部預拱度設置對比

（1）工況二，帶塔、梁端加頂升預拱度設置見圖5。從結果可知，帶塔后拆除臨時支墩后梁端下撓16.9 cm，梁端加頂升把這16.9 cm撓度頂平后跨中撓度回縮了3.5 cm；帶塔轉體時梁端撓度值已不是很大，通過設預拱度可滿足設計需要；既帶塔再加梁端頂升的意義不是很大，此種情況下轉體后梁端頂升可以不加，完全靠設置預拱度來滿足設計需要。

圖5 工況二預拱度設置圖（單位：mm）

（2）工況四，不帶塔、梁端加頂升預拱度設置見圖6。從結果可知，不帶塔、拆除臨時支墩后梁端下撓79.9 cm，梁端加頂升把這79.9 cm撓度頂回54.4 cm后梁端還剩25.5 cm；不帶塔轉體時梁端撓度值很大，通過梁端頂升消除一部分位移后再設預拱度可滿足設計需要，設置預拱度的幅度明顯減小，梁端加頂升的意義顯現，如果梁端不加頂升只靠設預拱度來滿足設計需要這樣給鋼箱梁加工及成橋線形控制帶來很大困難。

3.2 中墩頂附近截面未安裝支座時應力對比

（1）帶塔，不加頂升及加頂升后至臨時塔拆除階段應力見圖7、圖8；梁端頂升位移為16.9 cm，梁端頂平為止。墩頂截面，主梁上緣拉應力由29.8MPa變化為20.4 MPa，主梁下緣壓應力由-51.6 MPa變化為-38.4 MPa，變化幅度分別為9.4 MPa和13.2 MPa。跨中截面，主梁上緣由拉應力1.89 MPa變化為壓應力-17.1 MPa，主梁下緣由壓應力-26.2 MPa變化為拉應力0.94 MPa，變化幅度分別為18.99 MPa和27.14 MPa。從變化結果看，帶塔情況下轉體后梁端再施加頂升來調整截面應力已經意義不大。

圖6 工況四預拱度設置圖（單位：mm）

（2）不帶塔，不加頂升及加頂升應力見圖9、圖10：梁端頂升位移為54.4 cm，剩余梁端位移量通過設置預拱度來解決。墩頂截面，加頂升后主梁上緣拉應力由94.4 MPa變化為56.8 MPa，主梁下緣壓應力由-115.7 MPa變化為-69.6 MPa，變化幅度分別為37.6 MPa和46.1 MPa，變化幅度均較大。跨中截面，加頂升后主梁上緣拉應力由74.6 MPa變化為12.1 MPa，主梁下緣壓應力由-96 MPa變化為-15.8 MPa，變化幅度分別為62.5 MPa和80.2 MPa。由此可知，不帶塔情況下轉體后通過梁端施加頂升力來調整截面應力效果較為顯著。

圖8 帶塔、拆除臨時支墩及梁端頂升、去除塔后工況主梁下緣應力對比圖

圖9 不帶塔不加頂升拆除臨時支墩及不帶塔梁端加頂升工況主梁上緣應力對比圖

圖10 不帶塔不加頂升拆除臨時支墩及不帶塔梁端加頂升工況主梁下緣應力對比圖

3.3 墩頂截面成橋彎矩對比

4種工況下，墩頂成橋彎矩數值見圖11、圖12；帶塔轉體后梁端不加頂升成橋階段墩頂主梁彎矩為-837 950 kN·m，帶塔轉體后梁端加頂升成橋階段墩頂主梁彎矩為-706 554 kN·m，減小15.7%。不帶塔轉體后梁端不加頂升成橋階段墩頂主梁彎矩為-1 353 308 kN·m，不帶塔轉體后梁端加頂升成橋階段墩頂主梁彎矩為-909 532 kN·m，減小32.8%。從變化幅度看，不帶塔情況下轉體后梁端再施加頂升來調整墩頂截面彎矩效果明顯。

圖11 帶塔梁端不加頂升及帶塔梁端加頂升工況主梁成橋階段彎矩對比圖

圖12 不帶塔梁端不加頂升及不帶塔梁端加頂升工況主梁成橋階段彎矩對比圖

3.4 成橋及運營時支座反力對比

四種工況，轉體后頂升及不頂升的成橋及運營時支座反力見表1～表4（單位：kN）。從工況一及工況二結果看，帶塔轉體后梁端頂升與否運營時支座反力均滿足設計需要。工況三（不帶塔、梁端不加頂升），運營時72號墩右側支座出現較大拉力，不滿足設計需要。工況四（不帶塔、梁端加頂升），運營時支座均有較大壓力儲備，滿足設計需要。