高速鐵路預頂升鋼混疊合梁橋制造誤差敏感性分析研究

鄭文龍，張靈周，李鴻博

（1.中鐵隧道局集團路橋工程有限公司，天津市300308；2.同濟大學橋梁工程系，上海市200092）

0 引 言

鋼混疊合梁能夠充分發揮鋼材和混凝土兩種材料各自的力學特點，具有良好的使用性能與經濟效益[1-2]。近年來，鋼混疊合梁逐漸應用在我國公路、城市道路橋梁的建設中[3-4]，但在鐵路尤其是高速鐵路橋梁中應用仍較少。通過預頂升施工方法為鋼混疊合梁橋墩頂負彎矩區的混凝土橋面板施加預應力，能夠有效提高鋼混疊合梁橋的承載能力[5]。

鋼混疊合梁橋的大部分構件可通過工廠進行加工、制造，構件的制造誤差無疑會對結構在后續施工階段與運營階段的性能產生影響。目前的相關研究中，孫蓓[6]就混凝土板厚度、鋼梁腹板與底板厚度等幾何設計參數對大跨鋼混組合曲線箱梁橋承載能力的影響進行了研究；熊樹章[7]依據幾何控制法的理論，探明了鋼混疊合梁斜拉橋對鋼梁、混凝土橋面板和拉索的重量、彈性模量等結構參數變化的敏感性程度；唐啟[8]采用有限元法，分析了材料彈性模量和構件重量等關鍵施工控制參數對鋼混組合梁斜拉橋變形、應力、索力等的影響。然而，對預頂升施工的高速鐵路鋼混疊合梁橋，尚未見有針對性的制造誤差敏感性分析研究。

本研究利用有限元方法，探討了高速鐵路預頂升鋼混疊合梁橋對鋼板厚度、混凝土橋面板厚度和混凝土強度制造誤差的敏感性，為施工過程中關鍵控制參數的識別提供了理論基礎。

1 工程概況

商丘—合肥—杭州鐵路（簡稱商合杭鐵路）古城特大橋采用上承式無砟軌道無預應力體系鋼混疊合連續梁跨越茨谷河，橋跨布置為5×50.7 m，自1170#墩延伸至1175#墩，起點樁號為DK145+597.75，終點樁號為DK145+851.45。鋼主梁采用單箱雙室截面；混凝土橋面板無預應力鋼筋，中部厚43 cm，懸臂端厚25 cm，全寬12.6 m。鋼箱梁梁高3.585 m，疊合梁截面中心處梁高4.015 m。

商合杭鐵路古城特大橋橋位布置圖見圖1。

圖1 商合杭鐵路古城特大橋橋位布置圖（單位：m）

商合杭鐵路鋼混疊合梁橋建造過程中，通過鋼梁的頂升、回落與橋面板的交替施工，對墩頂負彎矩區的混凝土橋面板施加預應力。首先在橋面板施工前將鋼梁次中墩、中墩分別頂升20 cm、70 cm；在中跨附近混凝土橋面板施工完成后將中墩處鋼梁下降70 cm，待剩余混凝土橋面板施工完成后再將次中墩處鋼梁下降20 cm。施工過程中，由于鋼梁的頂升與回落，在墩頂會出現較大負反力，為避免梁底出現脫空現象而采用了臨時鎖定裝置。

2 鋼板厚度誤差敏感性分析

為便于說明分析結果，建立了圖2所示的坐標系。

圖2 坐標系

在預頂升施工過程中，最大的負反力出現在次中墩、中墩處的鋼梁分別被頂升20 cm、70 cm后的次中墩墩頂。隨著鋼板厚度的變化，各墩墩頂在頂升結束后的反力情況如圖3所示。

圖3 頂升結束后的墩頂反力

由圖3可見，隨著鋼板厚度的增加，各墩墩頂的反力基本都隨之增加。當鋼板厚度較設計值增加2 mm時，次中墩墩頂的負反力增加了30 kN左右，增幅約為1.68%，這表明鋼板厚度的增加對預頂升施工過程中的安全風險控制是不利的。

成橋階段和考慮10 a的收縮徐變后，鋼板厚度對混凝土橋面板上緣壓應力的影響如圖4、圖5所示。

圖4 成橋階段橋面板上緣壓應力

圖5 考慮10 a收縮徐變后橋面板上緣壓應力

由圖4可見，在成橋階段，隨著鋼板厚度的增加，混凝土橋面板的預壓應力也隨之增加。當鋼板厚度減少2 mm時，中跨跨中處的橋面板上緣壓應力減少了約0.3 MPa，次中墩和中墩墩頂處的橋面板上緣壓應力減少了0.29～0.42 MPa；當鋼板厚度增加2 mm時，中跨跨中處的橋面板上緣壓應力增加了約0.17 MPa，次中墩和中墩墩頂處的橋面板上緣壓應力則增加了0.13～0.25 MPa。顯然，鋼板厚度減少對橋面板預壓應力的影響較明顯一些。然而，由圖5可見，在考慮10 a的收縮徐變后，鋼板厚度制造誤差對預頂升方法施加的預壓應力影響基本消失。

3 混凝土橋面板厚度誤差敏感性分析

成橋階段和考慮10 a的收縮徐變后，混凝土橋面板厚度對混凝土橋面板上緣壓應力的影響如圖6、圖7所示。

圖6 成橋階段橋面板上緣壓應力

圖7 考慮10 a收縮徐變后橋面板上緣壓應力

由圖6可見，在成橋階段，隨著混凝土橋面板厚度的增加，其預壓應力的變化非常小。當橋面板厚度減少10 mm時，中跨跨中處的橋面板上緣壓應力僅增加了約0.07 MPa；而當橋面板厚度增加10 mm時，中跨跨中處的橋面板上緣壓應力減小了約0.07 MPa；次中墩和中墩墩頂處的橋面板上緣壓應力則基本未受到橋面板厚度變化的影響。同時，由圖7可見，在考慮10 a的收縮徐變后，混凝土橋面板上緣壓應力的變化情況與成橋階段相似，基本未受到混凝土橋面板厚度變化的影響。

4 混凝土強度誤差敏感性分析

成橋階段與考慮10 a的收縮徐變后，混凝土強度變化對混凝土橋面板上緣壓應力的影響如圖8、圖9所示。

圖8 成橋階段橋面板上緣壓應力

圖9 考慮10 a收縮徐變后橋面板上緣壓應力

由圖8可見，在成橋階段，隨著混凝土強度的增加，混凝土橋面板的預壓應力也隨之增加。當采用C50混凝土時，中跨跨中處的橋面板上緣壓應力減少了約0.24 MPa，次中墩和中墩墩頂處的橋面板上緣壓應力減少了0.19～0.21 MPa；當采用C60混凝土時，中跨跨中處的橋面板上緣壓應力增加了約0.22 MPa，次中墩和中墩墩頂的橋面板上緣壓應力則增加了0.18～0.19 MPa。

在經過了10 a的收縮徐變后，混凝土強度對混凝土橋面板應力造成的影響并未消失。由圖9可見，當采用C50混凝土時，中跨跨中處的橋面板上緣壓應力減少了約0.3 MPa，次中墩和中墩墩頂處的橋面板上緣壓應力減少了0.25～0.28 MPa；而當采用C60混凝土時，中跨跨中處的橋面板上緣壓應力增加了約0.29 MPa，次中墩和中墩墩頂的橋面板上緣壓應力增加了0.25～0.28 MPa。可見，收縮徐變會略微增大混凝土強度對混凝土橋面板預壓應力的影響。

5 結 語

（1）隨著鋼板厚度的增加，鋼梁頂升過程中的最大負反力也基本隨之增加，混凝土橋面板在成橋階段的上緣預壓應力隨之增加，但在考慮10 a的收縮徐變后，混凝土橋面板上緣壓應力受到的影響基本消失。

（2）混凝土橋面板厚度誤差對成橋階段和考慮10 a收縮徐變后的混凝土橋面板上緣壓應力基本不產生影響。

（3）隨著混凝土強度的增加，混凝土橋面板在成橋階段的上緣預壓應力隨之增加，且在考慮10 a的收縮徐變后，混凝土橋面板上緣壓應力受到的影響略有增強。