轉體施工鋼-混混合連續梁橋的應用研究

張 軍

(中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300142)

新建橋梁跨越既有鐵路、公路時，因既有交通運輸繁忙，常規結構及施工工藝無法滿足跨越能力要求，需對上跨鐵路、公路的橋梁從結構形式、施工工藝及經濟性等方面綜合考慮。目前，鋼-混組合梁越來越多地應用在橋梁結構中，高強輕質的鋼材顯著提高了橋梁的跨越能力，轉體施工可最大限度地減小了施工對既有交通運輸造成的影響，經濟效益和社會效益均十分顯著。本文以延崇高速上跨大秦鐵路橋跨越大秦鐵路和京新高速孔跨布置為(52+140+49) m的鋼-混混合連續梁結構為例，分析總結鋼-混混合梁的選用及設計要點。

1 結構總體構造

延崇高速上跨大秦鐵路橋中跨跨越京新高速、P1匝道及大秦鐵路，為滿足公路及鐵路限界需求，中跨跨徑為140 m；大樁號側邊跨受互通匝道的影響，長度僅為49 m；因結構邊中跨比較小，且中跨跨度大，因此在中跨選用混合梁結構形式；小樁號側限制條件較少，為實現結構合理受力、避免負反力的出現，可適當增大跨度，故小樁號側選取52 m。故橋梁的孔跨形式選取(52+140+49) m三跨連續梁。

為增加中跨的跨越能力，降低主梁梁高，在中跨跨中采用60 m長的鋼箱梁，其余部分梁體采用預應力混凝土箱梁。混凝土部分按照全預應力混凝土構件設計，采用變高梁，鋼箱梁部分采用等高梁，鋼混結合段長2.0 m，中跨合龍段為鋼箱梁段。混凝土箱梁頂板厚30 cm，底板厚30～85 cm，邊跨腹板厚75 cm，中跨腹板厚65～75 cm；鋼箱梁梁高4.0 m，頂板、底板及腹板厚度均為16 mm，箱梁標準段橫隔板與橫肋板間隔布置，間距均為2 m。邊跨現澆段長度為4 m，中跨合龍段長度為3.5 m；小樁號側轉體長度為48 m(邊跨)+70.25 m(中跨)，大樁號側轉體長度為45 m(邊跨)+66.25 m(中跨)。通過增加邊腹板厚度、邊跨設置 3 m后壓重橫梁、邊跨梁端底板設置永久壓重等措施減小轉體施工過程中的不平衡彎矩，保證成橋狀態邊支座存在500 kN壓力。

2 混合梁選用及關鍵設計要點

鋼-混結合段需要實現混合梁的整體受力及變形協調，是混合梁橋的關鍵技術。混合梁中鋼箱梁與混凝土梁的剛度差異較大，結合段作為混凝土梁與鋼箱梁的連接部位，應選取合理的構造形式實現剛度的平穩過渡。鋼-混結合段的構造形式主要分為有格室和無格室兩種。

2.1 鋼-混結合段位置選取

結合段作為混合梁結構的關鍵節點，其位置的選取決定著結構的安全性、耐久性及經濟性。結合段一般位于主梁彎矩和剪力均較小的位置，使結構具有較好的抗疲勞性及耐久性；因采用先支架現澆后轉體的施工方案，且轉體重量較大，需嚴格控制轉體過程中的不平衡彎矩，不平衡彎矩也同樣決定了鋼混結合段位置的選取。

在方案設計階段對鋼箱梁的長度進行了比選，研究發現，當鋼箱梁長度為60 m時，結合段所處位置的彎矩及剪力較小，且轉體過程中的自重不平衡彎矩值較小。

2.2 鋼-混結合段構造特點

本橋鋼混結合段采用部分截面連接承壓傳剪式。主要依靠承壓鋼板以承壓的方式傳遞梁的軸力。僅在鋼梁側由鋼梁的頂板、底板、腹板形成雙壁板，在雙壁板內部設PBL剪力鍵，形成鋼隔室，鋼隔室內填充混凝土。豎向剪力由混凝土斷面和連接于承壓鋼板的PBL剪力鍵傳遞。

頂板采用變高剛度過渡“T”型加勁板肋縱向加勁，由結合面至剛度過渡板終端，底板亦采用變高剛度過渡“T”型加勁板肋縱向加勁，實現剛度的平穩過渡。

圖1 鋼混結合段立面示意圖(mm)

結合面處承壓板在混凝土箱梁側立面布設圓柱頭抗剪焊釘，抗剪焊釘規格采用φ22×150 mm。結合面往混凝土側采用鋼隔室鋼混組合結構，鋼隔室腹板上和腹板剪力板上開有60 mm圓孔并穿過直徑20 mm的HRB400鋼筋，與進入該圓孔的混凝土包裹在一起形成PBL剪力鍵。頂板和底板的鋼隔室頂層均開設混凝土灌注孔，鋼隔室內腔內均填充高性能自密實鋼纖維混凝土。由于結構受力的需要，在鋼混結合段設置了局部預應力索，預應力鋼束在承壓板上錨固，錨墊板與承壓板磨光頂緊后焊接，如圖1所示。

2.3 鋼-混結合段受力分析

順橋向選取箱梁鋼混結合段位置21.7 m范圍梁段作為計算對象[1-2]，計算采用ANSYS有限元軟件建立模型進行分析計算。混凝土采用SOLID65單元模擬，鋼板采用SHELL63單元，預應力鋼束采用LINK180單元，剪力釘及PBL鍵采用COMBINE39單元模擬，忽略鋼板和混凝土之間的粘結滑移，作為結構的安全儲備，混凝土與鋼板通過PBL剪力鍵和剪力釘連接受力[3-4]。

鋼材的屈服準則均采用VonMises準則，等效應力SEQV定義如下：

其中，σ1，σ2，σ3分別為材料三個方向的主應力。當SEQV≤fy時，鋼材處于彈性狀態；當SEQV>fy時，鋼材屈服。計算結果如表1所示。應力圖示如圖2、圖3所示。

表1 鋼混結合段鋼板計算結果表

圖2 混凝土箱梁第一主應力圖

圖3 混凝土箱梁第三主應力圖

混凝土箱梁順橋向拉應力均普遍小于1.2 MPa，混凝土箱梁橫橋向壓應力最大值為11.9 MPa，剔除應力集中點外其余均在安全范圍內。

PBL剪力鍵的最大剪力為51.57 kN，小于其抗剪承載力；剪力釘的最大剪力為68.20 kN，小于其抗剪承載力。

2.4 鋼-混結合段施工關鍵技術

鋼-混結合段結構復雜、鋼筋及預應力束較多、施工難度較大，是全橋施工的重點環節之一，施工工藝流程，如圖4所示。

圖4 鋼-混結合段施工流程圖

鋼-混結合段鋼梁部分采用整體吊裝到位，應對鋼梁位置進行監測調整，確保鋼梁線形準確到位，對支承結合段連接施工的臨時支架，進行專門設計，支架的強度、剛度和穩定性應滿足使用的要求，并充分考慮變形、地基的不均勻沉降和日照溫差等因素對支架系統的不利影響[5]；由于鋼混結合段PBL鍵較多且鋼筋不能截斷，應優先施工PBL鍵，然后進行模板安裝和鋼筋及預應力鋼束的安裝；應在一天當中溫度較低且平穩的時段進行混凝土的澆筑[6]，應采用微膨脹低收縮混凝土，澆筑時分層布料，鋼格室內的混凝土通過澆筑孔下料，相隔倉面混凝土高差控制在30 cm左右，使剪力鍵內混凝土氣泡順利排出，澆筑時應仔細振搗，避免振搗時對剪力鍵、預應力元件的損傷，確保該部分混凝土質量。澆筑完成后，必要時從預留壓漿孔向各個鋼格室內灌注水泥漿，填充混凝土與鋼箱梁未緊密結合處。混凝土經養護達到足夠的強度后方可進行預應力張拉。

2.5 轉體系統設計

轉體結構由轉體下轉盤、球鉸、上轉盤、轉動牽引系統組成[7]。

下轉盤作為支承轉體結構全部重量的基礎，轉體完成后，與上轉盤共同形成基礎，下轉盤為八邊形結構，下轉盤長38.2 m，寬21.2 m，高5 m。轉體球鉸選用直徑 5 200 mm，高度903 mm的鋼球鉸。上轉盤為八邊形構造，長25.35 m，寬17.1 m，高4.0 m，布設縱、橫、豎三向預應力筋，縱橫向采用18-7φ5高強低松弛預應力鋼絞線，豎向采用直徑為32 mm的精軋螺紋鋼。上轉盤內預埋轉體牽引索，每根索埋入轉盤長度均大于4.5 m，每對索的出口點對稱于轉盤中心，牽引索選取25-7φ5的鋼絞線。平面關系如圖5所示，轉體系統立面如圖6所示。

圖5 平面關系示意圖

圖6 轉體系統立面示意圖(mm)

2.6 轉體系統受力分析

采用ANSYS對轉體系統進行分析，按照設計球鉸實際參數建立球鉸節點接觸模型：建立模型并劃分網格→識別接觸對→指定接觸面和目標面→定義剛性目標面→定義柔體的接觸面并生成單元→定義實常數和單元 KEYOPT 接觸行為→剛性目標面運動控制→定義邊界條件并施加荷載→定義求解選項并求解。混凝土采用SOLID45單元進行模擬，預應力鋼束及精軋螺紋鋼采用link8單元進行模擬，球鉸上、下球鉸體之間接觸部位，下球鉸作為目標面，運用到的單元型號是Targe170[8]；上球鉸被指定為接觸面，其運用到的單元型號是Conta173，如圖7所示。

圖7 轉體系統有限元模型圖

結構轉體施工過程為平衡轉體。模型采用非線性分析，未考慮材料非線性及結構的幾何非線性，僅考慮接觸非線性分析。應力圖示如圖8～圖10所示。

圖8 上轉盤主拉應力圖

圖9 上轉盤主壓應力圖

圖10 球鉸壓應力圖

剔除預應力錨固處所引起的應力集中，上轉盤拉應力小于1.6 Pa，壓應力小于11.7 Pa，球鉸處壓應力小于16.2 Pa。可知拉壓應力均小于材料的容許值。

2.7 轉體施工控制要點

(1)轉體前上轉盤與承臺之間采取有效措施進行臨時鎖定。臨時鎖定結構從整個安裝受力到拆除，工作持續時間較長，需保證持續受壓狀態下鎖定結構保持較小的變形，需要等載與超載壓力試驗，確定臨時鎖定結構的承壓能力，確保臨時鎖定結構滿足耐久、嚴密、低應變的要求。

(2)由于主梁結構不對稱，轉體球鉸兩側在恒載作用下存在不平衡彎矩，為保證轉體施工的順利進行，在轉體之前需要進行結構稱重試驗，測試轉體部分的不平衡力矩，偏心距、摩擦力矩及摩擦系數等參數[9-10]，根據測試結果進行臨時配重，轉體不平衡距小于5 cm方能進行轉體施工，以確保施工安全。應在平轉環道處設置稱重反力架，布置稱重千斤頂及傳感器，稱重千斤頂應前后左右對稱布置，稱重反力架應能滿足局部應力的要求。整幅結構設計不平衡彎矩為 3×104kN·m，應在邊跨進行配重。

(3)嚴格控制啟動和制動，必須利用千斤頂反力座啟動，發現有偏轉應及時糾偏，啟動牽引應注意緩慢加載，并及時觀測轉體結構狀態，確保啟動時結構安全。

2.8 合龍段施工

合龍段鋼箱梁需拼裝完成后整體運至設計合龍段位置，故在大樁號側臨時墩設臨時支撐，在主梁頂面搭設軌道(軌道應在箱梁腹板寬度范圍布設，同時軌道不應偏離腹板寬度中線10 cm)，利用橋面吊機吊裝合龍段鋼箱梁并將其運輸到合龍段位置，合龍段精確就位后，同步焊接合龍段兩側焊縫。鋼箱梁合龍段吊裝重量較輕，吊裝過程中可保證梁體結構安全可靠，減小施工難度。鋼箱梁合龍段還具有精度高、施工工期短的優點。

3 結論

針對上跨鐵路橋梁跨越鐵路部分跨度大，邊跨受限跨度小的情況，可考慮采用鋼-混凝土混合梁的形式，本文對轉體鋼-混凝土混合梁連續梁橋在跨鐵路橋梁中的應用，從結構形式、施工工藝等方面展開研究，得出了以下結論。

(1)邊跨采用混凝土梁，增加了邊跨的重量和剛度，起到了壓重的作用，使邊跨支點不出現拉應力；中跨跨中采用鋼箱梁，既提高了橋梁的跨越能力，又顯著減輕中跨重量；鋼混結合段既需要處在結構內力較小的區域內，又要減小轉體施工過程中不平衡自重，對不同位置的結合段進行對比，最終確定鋼梁長度，結合段所處位置結構內力較小，且轉體過程中的不平衡彎矩值較小。

(2)鋼混結合段采用有格室后承壓板式結構，構造合理，傳力及剛度過渡平順，結構安全可靠。鋼混結合段的應力值均小于材料的容許值，承壓板錨下位置處存在應力集中現象，在模型中為模擬錨墊板及錨下承壓鋼筋，工程實際中應力集中現象會顯著減輕。

(3)轉體施工顯著減小了對既有鐵路正常運營的影響；上轉盤及球鉸作為轉體系統的主要受力構件，在轉體過程中拉壓應力均小于材料的容許值。進行轉體前應對結構進行稱重及臨時配重，使結構的轉體不平衡距小于5 cm，確保轉體施工的順利進行。

(4)合龍段鋼梁需從大樁號側主梁運至合龍段位置，采用鋼箱梁可顯著減小結構重量，減小施工難度。