高速鐵路48 m節段膠拼簡支梁橋設計

趙成龍

(中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

0 引言

節段預制拼裝就是將橋梁的梁體沿縱向劃分為節段，在工廠預制后運輸至橋位進行橋位組拼，并施加預應力使之成為整體結構物的一種橋梁建造方法[1]。橋梁節段預制拼裝施工工藝具有施工速度快、節段重量輕、廠制混凝土質量容易控制、適合體外預應力等優點，滿足高速鐵路對線路的平順度高標準要求。

近年來，我國相關學者對該類型結構橋梁進行了許多應用和研究。閆澤宇使用有限元軟件 ABAQUS 分析了節段預制拼裝 UHPC梁膠接縫受力行為，分析結果與試驗結果吻合良好[2]；楊勝等人以鄭州市四環線及大河路快速化工程為實際工程背景，對箱梁在不同施工階段的線形控制原理進行研究，得到了箱梁在預制階段的坐標轉換公式，同時對預制階段的預制誤差及線形糾偏做了說明[3]；鐘永新等人結合實際橋梁節段梁預制拼裝案例，建立全橋有限元模型和節段梁模型，分析節段梁在存梁期收縮、徐變的不同模擬方式并進行對比，給出實際條件下存梁對節段梁應變的影響，分析節段梁拼裝期間預應力等參數的影響模式，最終提出混凝土節段梁過程控制模擬建議[4]。

由上述研究成果可知：目前對于簡支梁階段架設的研究已經取得了很好的進展，但是在膠拼簡支梁的有限元分析和簡支梁整體懸吊吊裝施工過程中，吊桿拆除和預應力張拉工序的研究較少，對于該方向展開深入的研究具有重要的意義。本文主要運用MIDAS/Civil有限元軟件對48 m預應力混凝土簡支箱梁結構設計進行分析以及對預應力張拉及松吊掛匹配技術進行研究。

1 工程概況

鹽通鐵路通張段工程長江大橋南引橋由于緊鄰長江且為空心高墩上架設，平均墩高在50 m以上，大風等惡劣天氣較多，因此不具備橋下作業條件，無法采用支架施工，且墩高較高的情況下受制于架設設備和結構跨度等因素采用32 m的簡支梁并不經濟，故采用48 m節段預制膠接拼裝簡支箱梁。梁體采用單箱、單室等高度預應力混凝土簡支箱梁，主梁采用C60混凝土。梁頂寬12.2 m，底寬6.2m，梁高4.0 m，軌底至梁頂高度為0.71 m。跨中截面頂板厚32 cm，底板厚35 cm，腹板厚50 cm。在支點附近根據預應力布置和計算情況對頂底板及腹板適當加厚。

2 設計分析

2.1 預制梁段劃分

簡支箱梁計算跨度46.9 m，梁長根據支座噸位、預應力張拉千斤頂要求的工作空間及造橋機構造要求確定為49.1 m(單側梁縫5 cm)。箱梁預制段長度，一方面梁段重量控制在2 000 kN以內從而減少梁段的種類，另一方面每跨箱梁采用奇數分塊，避免跨中需要設置接縫的情況，對稱布置，因此48 m簡支箱梁預制梁段長度分4.8、4.3和3.4 m三種，共11段，10個接縫。

2.2 預應力體系及鋼束布置

箱梁只設置縱向預應力。箱梁腹、底板均采用15-7Φ5鋼絞線，其抗拉強度標準值fpk均為1 860 MPa。48 m簡支梁預應力橫向布置圖如圖1所示。

圖1 跨中/支點預應力橫向布置圖

2.3 箱梁結構靜力分析計算

2.3.1 計算理論

48 m簡支箱梁采用MIDAS/Civil有限元軟件模擬分析，縱向按照全預應力理論設計。施工階段分為梁段吊裝、永久預應力張拉、二期恒載鋪裝、10年收縮徐變4個階段。48 m簡支梁結構以及預應力布置MIDAS/Civil有限元模型如圖2所示。梁部結構采用平面梁單元模擬，圖2給出了預應力鋼束的布置形狀。

圖2 48 m簡支梁及預應力鋼束有限元模型

2.3.2 荷載組合

根據規范兩種荷載組合進行結構驗算[5]，具體如下：

主力組合：結構自重+預應力+混凝土收縮徐變+二期恒載。

主力+附加力組合：結構自重+預應力+混凝土收縮徐變+活載+溫度梯度[6]。

2.3.3 主要檢算結果

在主力和主力+附加力兩種工況下邁達斯有限元模型分析結果如表1所示。該橋使用C60混凝土，根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)6.4.13規定，混凝土最大拉應力應小于0.7fct=0.7×3.5 MPa=2.45 MPa，最大壓應力不得超過0.75fc=0.75×40 MPa=30 MPa。由表1可知，梁體應力均滿足規范要求。

表1 48 m節段拼裝簡支梁兩種荷載工況應力匯總表 單位：MPa

3 永久預應力張拉及松吊掛匹配技術研究

3.1 研究概況

節段預制拼裝橋梁施工過程中，拆除吊桿前若張拉預應力過少，拆除吊桿后會產生安全事故；若張拉預應力過多，由于架橋機剛度相對于梁較小，張拉梁體預應力后梁體上拱量較架橋機小，導致張拉預應力后吊桿力不能全部卸載，可能造成梁體上緣開裂，對橋梁的后期正常使用和耐久性造成影響；懸吊過程中吊桿和預應力共同作用，使得梁體受力復雜，吊桿的拆除時機以及預應力張拉的工序對于橋梁整體受力和成橋線形影響很大，因此針對48 m節段拼裝簡支梁永久預應力張拉量及松吊掛匹配技術進行了研究，提出了如下兩個控制準則[7]：

準則一：未拆吊桿情況下梁體截面上緣應力控制原則。考慮自重完全由吊桿承擔，不考慮張拉預應力時梁體上拱引起的架橋機卸載部分自重由預應力承擔的影響。此工況下，只考慮預應力對梁體引起的應力，根據預應力束的張拉順序依次逐束張拉，只在預應力鋼絞線作用下簡支梁上緣拉應力滿足上述規范要求的原則確定預應力鋼束的張拉量。在考慮梁體上拱引起部分自重由梁體預應力承擔后上緣拉應力不會超過不考慮自重的應力，結構上緣處于安全范圍內。此準則用于確定拆除吊桿前的最大預應力束張拉量。

準則二：拆除吊桿后結構安全性原則。根據預應力的張拉順序依次張拉，不考慮吊桿的支撐作用，簡支梁在自重和預應力共同作用下截面強度滿足規范要求且下緣不出現拉應力。此準則用于確定拆除吊桿前的最小預應力束張拉量。

3.2 簡化計算分析方法

3.2.1 有效預應力計算分析

根據規范扣除預應力損失后可以分析僅考慮預應力的情況下，每束預應力引起的簡支梁上緣應力σ上和下緣應力σ下。

3.2.2 自重作用下上下緣應力分析[8]

將簡支梁自重除以橋梁跨徑近似換算為跨度上的均布荷載，48 m簡支梁自重均布荷載g=321.26 kN/m，則梁體自重產生的跨中彎矩M自重=92 522.01 kN·m。

根據材料力學正應力計算公式，由自重產生的上下緣應力分別為σ上=6 072.979 kPa、σ下=-9 568.95 kPa(“-”代表下緣受拉)。

3.2.3 準則一自重效應分析

由于在張拉預應力過程中，橋梁的自重是由架橋機吊桿和張拉預應力鋼絞線共同承擔，因此在估算準則一中預應力對跨中截面產生的上下緣應力時，還需要考慮在張拉預應力時，簡支梁上拱產生的自重效應。通過張拉預應力時橋梁跨中上拱量與架橋機的撓度的比值，來考慮簡支梁自重的一部分由預應力承擔，按照公式(1)計算[8]：

(1)

式中：ξ為梁體上拱引起的預應力鋼束承擔的自重百分比；y1為自重引起的架橋機跨中豎向撓度，mm；y2為拆除吊桿前張拉的預應力束引起的簡支梁跨中上拱量，mm。

3.2.4 預應力引起的簡支梁跨中上拱量y2計算方法

為計算預應力引起的梁體上拱量y2，可將預應力作用等效為簡支梁上均布荷載qy，預應力等效均布荷載按照(2)式計算：

(2)

式中：qy為預應力的等效均布荷載，kN/m；Nk為預應力控制軸力，kN；f為預應力鋼束在簡支梁跨中的垂度，m；l為簡支梁跨徑，m。

預應力引起的簡支梁跨中上拱量y2由式(3)計算：

(3)

式中：EI為簡支梁的剛度，N/m。

3.2.5 梁體上拱引起的預應力鋼束承擔的自重百分比分析

在全部梁體自重作用下架橋機跨中撓度y1由有限元軟件分析得到，架橋機在吊裝節段過程中跨中撓度為y1=92.79 mm(↓)，計算簡支梁張拉N4～N6’每根預應力過程中累計上撓度y1=26.86 mm(↑)，計算出張拉預應力簡支梁上拱后預應力承擔自重的百分比為ξ=28%。也可以計算出每一束預應力引起的梁體上拱值，按照上述計算過程計算需要考慮的自重百分比。

3.2.6 理論計算結果分析

根據計算結果，選用累計張拉到N8、N8′，N5、N5′，N6、N6′三種預應力張拉方案均滿足規范要求。因為累計張拉到N6、N6’預應力可以剛好完全張拉完簡支梁所有的腹板預應力，施工簡單方便，故簡化計算分析中三種預應力張拉方案選用累計張拉到N6、N6′預應力拆除吊桿最合適。

3.2.7 有限元驗證

通過建立有限元對簡化的計算方法進行驗證，有限元模型包含1 071個節點，2 490個單元。整體有限元模型如圖3所示。

圖3 48 m簡支梁+架橋機整體有限元模型

3.3 結果對比分析

選用累計張拉到N8、N8′，N5、N5′，N6、N6′三種預應力張拉方案均滿足規范要求，有限元分析結果與簡化計算結果進行對比，結果如表2。

表2 計張拉預應力三種方案上下緣應力對比表 單位：MPa

根據有限元驗證和簡化計算分析結果可知：三種預應力張拉方案選用累計張拉到N6、N6’預應力拆除吊桿最合適。

4 結論

以48 m簡支梁懸吊拼裝施工為工程背景，對膠接拼裝簡支梁結構設計進行了設計和分析，得出結論如下：

(1)運用MIDAS/Civil軟件建立48 m簡支梁有限元模型，并分析其在主力和主力+附加力兩種工況下的應力，均滿足規范要求。

(2)以48 m簡支梁懸吊拼裝施工為工程背景，運用MIDAS/Civil有限元軟件建立綜合考慮架橋機及48 m簡支梁的整體模型，對拼裝時吊桿拆除時機和吊桿拆除前的預應力張拉量提出了兩個設計準則，現場施工和有限元結果表明，此兩個準則適于架橋機施工節段膠拼簡支梁。

(3)根據整體有限元模型的分析結果提出簡化的模型分析方法和預應力張拉量的確定理論計算公式并驗證了其合理性，以便后續節段拼裝施工在不做大量有限元計算的基礎上即可確定預應力張拉及吊桿拆除的施工方案，為以后簡支梁階段拼裝施工技術提供寶貴經驗。