轉(zhuǎn)體連續(xù)梁中跨合龍鋼殼法施工技術(shù)應(yīng)用研究

田小路

（中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 101400）

為了不影響鐵路既有線(xiàn)的正常運(yùn)營(yíng)，大跨度連續(xù)梁跨越既有線(xiàn)時(shí)通常采用轉(zhuǎn)體法施工。在既有線(xiàn)紅線(xiàn)外側(cè)平行于線(xiàn)路方向，連續(xù)梁T 構(gòu)采用懸灌法施工完成，隨后進(jìn)行T 構(gòu)轉(zhuǎn)體，最后在既有線(xiàn)上方中跨合龍。在既有線(xiàn)上方作業(yè)是轉(zhuǎn)體連續(xù)梁施工的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，特別是在合龍段梁底空間有限的施工條件下，施工風(fēng)險(xiǎn)更高，技術(shù)難度更大。

1 工程概況

蒙華鐵路湖南段跨京廣鐵路特大橋（40+64+40）m轉(zhuǎn)體連續(xù)梁，上跨中國(guó)鐵路運(yùn)輸最為繁忙的主要干線(xiàn)——京廣鐵路，是國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)運(yùn)煤專(zhuān)線(xiàn)蒙華鐵路重點(diǎn)控制性工程之一，線(xiàn)路與既有線(xiàn)夾角為57°。連續(xù)梁截面采用變高度直腹板單箱單室形式，梁底線(xiàn)型按照二次拋物線(xiàn)變化。單個(gè)T 構(gòu)有7 節(jié)懸澆段，每節(jié)段長(zhǎng)度為3.00～4.25 m 不等，支架現(xiàn)澆段長(zhǎng)7.75 m，合龍段長(zhǎng)2.0 m。中跨合龍段在既有線(xiàn)上方，梁底垂直距離接觸網(wǎng)立柱最近1.336 m。

該橋的施工方案：在墩頂預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)盤(pán)，先平行于既有線(xiàn)方向懸臂澆筑，再通過(guò)連續(xù)千斤頂牽引裝置順時(shí)針?biāo)睫D(zhuǎn)體57°到達(dá)設(shè)計(jì)位置，最后進(jìn)行邊跨、中跨合龍。T 構(gòu)最長(zhǎng)62 m，最大轉(zhuǎn)體質(zhì)量2 336 t。蒙華鐵路跨京廣鐵路特大橋（40+64+40）m 轉(zhuǎn)體連續(xù)梁與京廣鐵路的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)體連續(xù)梁與京廣鐵路的位置關(guān)系

2 方案比選

合龍梁段施工可采用支架、懸臂掛籃或另設(shè)施工吊架作為施工作業(yè)平臺(tái)［1］。蒙華鐵路跨京廣鐵路特大橋轉(zhuǎn)體連續(xù)梁中跨合龍段在京廣鐵路上方且梁底距離接觸網(wǎng)立柱較近，支架搭設(shè)困難，常規(guī)掛籃和吊架底模容易侵界。鋼殼是一種新型結(jié)構(gòu)，通過(guò)鋼殼面內(nèi)抗剪連接件與混凝土連接，緊貼梁體設(shè)置于梁體外部輪廓之外，最大限度地減少了侵界的風(fēng)險(xiǎn)，成功解決了梁底施工空間有限的難題。在合龍段混凝土澆筑過(guò)程中鋼殼起到模板作用，混凝土澆筑完成后不用拆除，與混凝土形成整體共同受力。

3 鋼殼構(gòu)造

鋼殼由預(yù)埋段和吊裝段2部分構(gòu)成。鋼殼面板由16 mm 厚Q355NHC 焊接耐候鋼板組焊而成，面板內(nèi)布置剪力釘與肋板，其中剪力釘規(guī)格為φ16 mm×180 mm，材質(zhì)為ML15 或ML15AL；肋板規(guī)格與材質(zhì)同鋼殼面板，肋板上開(kāi)設(shè)圓孔，并在孔內(nèi)貫通橫向鋼筋，形成了開(kāi)孔鋼板連接件（PBL剪力鍵）。

預(yù)埋段鋼殼的內(nèi)部輪廓同梁體外部輪廓尺寸一致。根據(jù)錨固受力、合龍段長(zhǎng)度及轉(zhuǎn)體空間需求［2］，確定預(yù)埋段鋼殼須嵌入連續(xù)梁第7 節(jié)懸澆段末端140 cm，外伸50 cm，預(yù)埋段鋼殼共長(zhǎng)190 cm。預(yù)埋段鋼殼在第7 節(jié)懸澆段施工時(shí)預(yù)埋于懸澆段末端，并設(shè)置肋板與懸澆段鋼筋連接，剪力釘錨固在懸澆段混凝土中。預(yù)埋中跨合龍段鋼殼如圖2所示。

圖2 預(yù)埋中跨合龍段鋼殼

吊裝段鋼殼的外部輪廓與預(yù)埋段鋼殼內(nèi)部輪廓尺寸一致，吊裝段鋼殼長(zhǎng)154 cm，與兩側(cè)預(yù)埋段鋼殼各搭接27 cm。轉(zhuǎn)體就位后，將吊裝段鋼殼吊裝到位。先完成預(yù)埋段與吊裝段鋼殼接縫處的焊接，再完成連接板與肋板間的焊接，最后3段鋼殼形成整體。

4 鋼混結(jié)合段受力機(jī)理

中跨合龍段腹板高度小，混凝土方量少，施工時(shí)間短，澆筑時(shí)產(chǎn)生的荷載由鋼殼傳遞至懸澆段的混凝土內(nèi)。預(yù)埋段鋼殼內(nèi)的剪力釘和PBL 鍵共同承受中跨合龍段混凝土的施工荷載，限制預(yù)埋段鋼殼與懸澆段混凝土間的相對(duì)滑移和剝離。

5 鋼混結(jié)合段有限元計(jì)算與分析

5.1 計(jì)算模型

鋼混結(jié)合段構(gòu)造復(fù)雜，運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS 無(wú)法完全模擬，因此需要對(duì)接頭做出一些簡(jiǎn)化以及假設(shè)。依據(jù)圣維南原理，鋼混結(jié)合段的局部應(yīng)力與離它較遠(yuǎn)區(qū)域的應(yīng)力聯(lián)系很小，只與相近梁的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)［3］。忽略較遠(yuǎn)區(qū)域?qū)︿摶旖Y(jié)合段的影響，本模型總長(zhǎng)取10 m，其中單側(cè)混凝土箱梁長(zhǎng)400 cm，預(yù)埋段鋼殼長(zhǎng)190 cm，二者結(jié)合部分長(zhǎng)140 cm。吊裝段鋼殼長(zhǎng)154 cm，與兩側(cè)預(yù)埋段鋼殼搭接，每側(cè)搭接長(zhǎng)度為27 cm。

在鋼混結(jié)合段有限元模型中，選用實(shí)體單元Solid95模擬箱梁及鋼混結(jié)合段中的混凝土；選用殼單元Shell 63 模擬鋼殼中的鋼板；選用非線(xiàn)性彈簧單元Combin 39 模擬剪力釘；選用桿單元Link 180 模擬鋼筋。忽略鋼板與混凝土的相互黏結(jié)和摩擦作用。嚴(yán)格按照實(shí)際尺寸建模，z軸沿橋梁縱軸向，y軸豎直向上，x軸沿橫橋向［4］。鋼混結(jié)合段計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 鋼混結(jié)合段計(jì)算模型

鑒于鋼混結(jié)合段是沿橋梁縱軸線(xiàn)完全左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，只建立了半寬模型進(jìn)行研究，但必須在對(duì)稱(chēng)面的節(jié)點(diǎn)上施加對(duì)稱(chēng)約束，同時(shí)將混凝土箱梁懸臂起始端所有節(jié)點(diǎn)上的自由度全部約束，之后在中跨合龍鋼殼（2 m范圍）上施加混凝土澆筑荷載。

5.2 計(jì)算結(jié)果與分析

1）鋼殼應(yīng)力分布及分析

鋼混結(jié)合段鋼殼在底板與腹板的折角處存在小范圍的應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值為207.26 MPa。總體來(lái)說(shuō)，鋼殼絕大部分應(yīng)力值都在文獻(xiàn)［5］容許值（-200～200 MPa）以?xún)?nèi)，高應(yīng)力集中區(qū)域面積很小，不會(huì)對(duì)鋼殼整體受力造成影響。

2）剪力釘受力情況及分析

提取模型中模擬剪力釘?shù)膹椈蓡卧袅Γ渲荡蟛糠衷?00～20 000 N，總體遵循從低到高、由外及里的規(guī)律分布。剪力最大值為21 306 N，出現(xiàn)在懸澆段末端腹板下的剪力釘上。剪力釘?shù)脑O(shè)計(jì)承載強(qiáng)度為75 213.25 N，剪力最大值小于其極限承載強(qiáng)度的30%。剪力最大值處的剪力釘對(duì)應(yīng)的最大滑移值為0.021 2 mm。根據(jù)文獻(xiàn)［6］研究成果：“當(dāng)焊釘連接件承載力為其極限承載力的60%時(shí)，鋼與混凝土的相對(duì)滑移值應(yīng)在0.4 mm 以下；當(dāng)其承載力達(dá)到其極限承載力時(shí)，相對(duì)滑移值應(yīng)小于3～5 mm”。計(jì)算結(jié)果表明剪力釘整體工作性能良好。

3）混凝土箱梁應(yīng)力分布及分析

鋼混結(jié)合段混凝土在混凝土箱梁底板外折角處存在小范圍的應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值為12.27 MPa。總體來(lái)說(shuō)，箱梁混凝土絕大部分應(yīng)力值都在-30～3 MPa，有少數(shù)應(yīng)力超過(guò)文獻(xiàn)［7］容許值，但高應(yīng)力區(qū)域面積較小，對(duì)箱梁混凝土影響不大。

6 施工工藝與操作要點(diǎn)

6.1 施工工藝流程

鋼殼法施工合龍段的關(guān)鍵工序有2 個(gè)：①連續(xù)梁T構(gòu)最后一節(jié)懸澆段末端的鋼殼預(yù)埋；②T構(gòu)轉(zhuǎn)體完成后合龍段鋼殼的整體吊裝。其余工序類(lèi)似于其他方法的合龍段施工。鋼殼法施工合龍段工藝流程如圖4所示。

圖4 鋼殼法施工合龍段工藝流程

6.2 操作要點(diǎn)

6.2.1 預(yù)埋段鋼殼安裝

將預(yù)埋段鋼殼位置通過(guò)全站儀、鋼尺等引測(cè)到最后一節(jié)懸澆段的掛籃模板上，使預(yù)埋段鋼殼軸線(xiàn)與掛籃模板中心線(xiàn)精確對(duì)正，安裝過(guò)程中通過(guò)測(cè)量跟蹤校正。待測(cè)量校正完成后將鋼殼肋板與綁扎好的鋼筋焊接固定在一起，保證其不產(chǎn)生偏移。在澆筑混凝土的過(guò)程中進(jìn)行全程測(cè)量監(jiān)控，防止混凝土振搗時(shí)鋼殼移位。

6.2.2 轉(zhuǎn)體定位

1）軸線(xiàn)控制

轉(zhuǎn)體前在T 構(gòu)懸臂端做出梁體軸線(xiàn)標(biāo)記，同時(shí)在下轉(zhuǎn)盤(pán)上畫(huà)出上轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)體終點(diǎn)線(xiàn)。轉(zhuǎn)體刻度盤(pán)只能作為合龍對(duì)中的參照，并不能作為卡控標(biāo)準(zhǔn)［8］。轉(zhuǎn)體時(shí)，測(cè)量人員用全站儀對(duì)梁體軸線(xiàn)上的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，指揮人員根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)體速度，確保轉(zhuǎn)體在設(shè)計(jì)線(xiàn)路方向精確就位。

2）高程控制

分別在T 構(gòu)的懸臂端和中部梁面上設(shè)置3 個(gè)高程觀測(cè)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)體過(guò)程中進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。轉(zhuǎn)體就位后，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，采用千斤頂調(diào)整梁端高程，使其符合設(shè)計(jì)要求［9］。

6.2.3 吊裝段鋼殼安裝

1）安裝演練

吊裝段鋼殼體積大，質(zhì)量接近5 t，采用線(xiàn)外大半徑吊裝作業(yè)對(duì)吊裝機(jī)械要求非常高，并且只能在有限的天窗時(shí)段內(nèi)安裝完成，存在很多安全隱患。應(yīng)用BIM 技術(shù)結(jié)合施工方案進(jìn)行吊裝段鋼殼的安裝預(yù)演（如圖5所示），并進(jìn)行三維碰撞檢查，能夠非常直觀地了解整個(gè)安裝工序，并清晰把握在安裝過(guò)程中的難點(diǎn)和要點(diǎn)，從而有助于吊裝機(jī)械的選型、吊點(diǎn)的優(yōu)化以及施工場(chǎng)地的布置，極大地提高了施工效率和施工方案的安全性。

圖5 應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行鋼殼吊裝演練

2）吊裝段鋼殼準(zhǔn)備

在轉(zhuǎn)體施工前，預(yù)先將鋼殼放置于吊裝位置。

3）吊裝段鋼殼吊裝

在連續(xù)梁轉(zhuǎn)體就位并臨時(shí)鎖定梁體后，用200 t汽車(chē)起重機(jī)吊裝鋼殼，吊裝作業(yè)半徑為36 m，起吊高度為23 m，起吊質(zhì)量約為5 t。吊點(diǎn)采用鋼絲繩捆綁方法，通過(guò)纜風(fēng)繩慢慢調(diào)整鋼殼的空中姿態(tài)，使其與預(yù)埋段鋼殼位置吻合，放松吊點(diǎn)，緩慢下落，及時(shí)完成中跨合龍段作業(yè)面封閉。圖6為吊裝段鋼殼調(diào)整到位。

圖6 吊裝段鋼殼調(diào)整到位

4）吊裝段鋼殼焊接

吊裝段鋼殼吊裝完成且調(diào)整到位后，須與預(yù)埋段鋼殼焊接形成封閉體系。先將吊裝段鋼殼一端同預(yù)埋段鋼殼進(jìn)行橫橋向焊接，先施焊底板再施焊腹板。另一端待邊跨合龍完成后，選擇與合龍段混凝土澆筑溫度相同的時(shí)段進(jìn)行焊接［10］。

6.2.4 合龍段施工

1）鋼筋、波紋管安裝

合龍段所需鋼筋在鋼筋加工場(chǎng)集中加工，之后轉(zhuǎn)運(yùn)到鋼殼內(nèi)安裝。底板預(yù)應(yīng)力筋為全橋通長(zhǎng)，故底板波紋管安裝后，采用探絲試穿所有管道，如發(fā)現(xiàn)堵塞及時(shí)處理。其余波紋管安裝同連續(xù)梁其他節(jié)段。

2）混凝土澆筑

合龍段箱梁混凝土為一次澆筑成型［11］。為防止混凝土開(kāi)裂，澆筑時(shí)間選在凌晨4時(shí)進(jìn)行，澆筑速度控制在10 m3/h左右，歷經(jīng)3 h澆筑完成。

7 結(jié)語(yǔ)

2018年1月23日13時(shí)25分，蒙華鐵路跨京廣鐵路特大橋（40+64+40）m 連續(xù)梁T構(gòu)經(jīng)過(guò)50 min的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，成功轉(zhuǎn)體至設(shè)計(jì)線(xiàn)路方向。14時(shí)35分吊裝段鋼殼調(diào)整至設(shè)計(jì)位置，最大偏差僅4 mm，連續(xù)梁T 構(gòu)成功合龍。

鋼殼連接后形成的封閉體系減少了外界干擾，有力地保證了后續(xù)鋼筋及混凝土的施工安全，消除了重物掉落到既有線(xiàn)上的安全隱患。鋼殼這種集模板、結(jié)構(gòu)于一體的施工方法應(yīng)用前景將會(huì)愈發(fā)廣闊，對(duì)以后跨公路、鐵路、水路等線(xiàn)路的轉(zhuǎn)體梁設(shè)計(jì)和施工有很好的借鑒意義，其社會(huì)效益十分顯著。