







摘要:【目的】為探究復(fù)雜工況下鐵路槽形梁的合理建設(shè)方案,針對梁橋改擴(kuò)建工程展開研究?!痉椒ā恳钥缭侥掣咚俟返蔫F路槽形梁橋改擴(kuò)建工程為研究對象,在面臨改擴(kuò)建前后主梁空間位置重合、保通等復(fù)雜工況下,從主梁結(jié)構(gòu)受力、施工技術(shù)及交通導(dǎo)改3個方面,對原址高位現(xiàn)澆后落梁和異位預(yù)制頂推2種方案進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析與研究?!窘Y(jié)果】研究結(jié)果表明:主梁的各項(xiàng)安全系數(shù)及應(yīng)力驗(yàn)算指標(biāo)均低于相應(yīng)限值,滿足規(guī)范要求,其中,異位預(yù)制頂推方案的應(yīng)力儲備相對較高。原址高位現(xiàn)澆后落梁方案存在落梁高度大、施工技術(shù)要求高的問題,而異位預(yù)制頂推方案則具有施工風(fēng)險低、對橋下交通影響小的優(yōu)勢。在頂推過程中可充分利用既有框架邊墻作為臨時墩,實(shí)現(xiàn)對既有結(jié)構(gòu)的最大化利用。在施工過程中,2 種方案均需采取交通導(dǎo)改措施,但理論上不用中斷橋下交通。【結(jié)論】2種方案均能滿足保通要求,但異位預(yù)制頂推方案在應(yīng)力儲備、安全系數(shù)及施工風(fēng)險方面相較于原址高位現(xiàn)澆后落梁方案表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞:鐵路槽形梁橋;改擴(kuò)建工程;保通;頂推法;高位落梁
中圖分類號:U448 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
本文引用格式:薛飛. 公鐵立交鐵路槽形梁橋改擴(kuò)建方案研究[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2024,41(6):43-49.
【研究意義】槽形梁作為下承式橋梁,具有建筑高度低、截面空間利用率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。在橋下凈空受限的情況下,槽形梁仍能滿足鐵路和環(huán)境的綜合要求,具有較強(qiáng)的競爭力,并在既有鐵路橋梁的改擴(kuò)建工程中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[1-3]。然而,槽形梁的結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,建設(shè)技術(shù)要求高,在實(shí)際改擴(kuò)建工程中常面臨保通、原址施工條件受限等復(fù)雜工況,槽形梁的改擴(kuò)建方案研究具有重要意義。
【研究進(jìn)展】目前學(xué)界主要采用有限元法分析槽形梁的空間力學(xué)特性[4]。田楊等[5-6]利用ANSYS等軟件建立三維實(shí)體模型分析槽形梁空間力學(xué)行為,結(jié)果表明,三維實(shí)體有限元模型可準(zhǔn)確反映槽形梁的縱、橫向應(yīng)力分布,但計(jì)算量大且建模復(fù)雜。魏亮道等[7-9]采用Midas Civil、BSAS 等軟件建立桿系模型對槽形梁進(jìn)行分析,結(jié)果表明,采用桿系模型在橫向分析方面存在不足。在保通、改建前后主梁空間位置重合等復(fù)雜工況下,槽形梁橋的施工工藝同樣備受關(guān)注,傳統(tǒng)施工方案有原址支架現(xiàn)澆法[10-11]、架橋機(jī)法[12]。原址支架現(xiàn)澆法的模板會侵占道路凈空,而架橋機(jī)法需要架梁(槽)機(jī)等大型設(shè)備,導(dǎo)致橋下安全壓力大,不利于保通。曹虹等[13]提出了大跨連續(xù)槽形梁的單T構(gòu)懸臂工藝,在施工過程中確保了橋下軌道交通的正常運(yùn)營。梁月勝[14]提出了簡支槽形梁原址高位現(xiàn)澆后落梁工藝,通過頂升系統(tǒng)將主梁模板頂起至高于設(shè)計(jì)標(biāo)高位置現(xiàn)澆,再利用頂升系統(tǒng)將主梁逐級落梁至原位,此法可滿足橋下保通、限高要求,但高位落梁施工技術(shù)要求較高,安全壓力大。頂推施工屬于無支架施工技術(shù)[15-18],在臺后預(yù)制場地澆筑梁體,再利用步履式千斤頂、滑道等頂推設(shè)備將梁體頂推就位,頂推過程對于橋下線路影響小,在跨線槽形梁橋改擴(kuò)建中具有廣闊的應(yīng)用前景。
【創(chuàng)新特色】公鐵立交鐵路槽形梁橋改擴(kuò)建工程建設(shè)條件復(fù)雜,直接拆除既有橋梁獲得原址施工條件較為困難,而異位施工方案在橋梁改擴(kuò)建工程中具有較強(qiáng)競爭力。本文提出了原址高位現(xiàn)澆后落梁和異位預(yù)制頂推方案,并從受力、施工技術(shù)等角度研究異位施工方案在橋梁改擴(kuò)建工程中應(yīng)用的可行性。【關(guān)鍵問題】本文以某上跨高速公路的鐵路槽形梁改擴(kuò)建工程為研究對象,在保通、改擴(kuò)建前后主梁空間位置重合等工況下,對比分析原址高位現(xiàn)澆后落梁和異位預(yù)制頂推2 種方案的主梁受力性能、施工特點(diǎn),以及交通導(dǎo)改措施,旨在得出合理的橋梁改擴(kuò)建方案,以期為國內(nèi)類似工程提供借鑒和參考。
1 工程背景
1.1 工程概況
某高速公路為雙向4 車道,采用2×14.2 m框架橋下穿礦業(yè)專用鐵路。改擴(kuò)建后,高速公路為雙向8 車道,路基寬度達(dá)到41 m,原框架橋孔寬度無法滿足擴(kuò)建要求,需拆除框架橋,并在原址新建1 孔鐵路槽形梁橋。如圖1 所示,新建鐵路橋?yàn)? 孔56 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支等高槽形梁,梁高4.8 m,支點(diǎn)處道床板局部加厚梁高5.6 m,橋?qū)挾?.5 m,腹板內(nèi)側(cè)凈寬7.7 m,橋下最小凈空5.7 m,下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋臺,鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。本項(xiàng)目征得鐵路管理部門許可,臨時拆除、移運(yùn)既有橋上及兩側(cè)部分鐵路,待橋梁改擴(kuò)建完成后恢復(fù)鐵路。
從圖1(a)中可知,新建槽形梁道床板與原框架頂板空間位置重合,不存在原址現(xiàn)澆施工條件。為滿足充分利用既有結(jié)構(gòu)、保證橋下交通要求,提出原址高位現(xiàn)澆后落梁和異位預(yù)制頂推2 種主梁建造方案。
1.2 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
礦業(yè)專用線為內(nèi)燃機(jī)車牽引鐵路,單線、有砟軌道,設(shè)計(jì)通行速度80 km/h,鐵路槽形梁設(shè)計(jì)使用年限為100 a。主梁跨徑L 為56 m,采用C60 混凝土,其抗壓極限強(qiáng)度fc 和抗拉極限強(qiáng)度fct 分別為40,3.5 MPa,梁體自重按實(shí)際斷面計(jì),梁體容重26 kN/m3,橋上二期恒載按87 kN/m 計(jì)算。列車豎向靜活載采用客貨共線鐵路列車荷載圖式(ZKH,Z為中國,K為客運(yùn)列車,H為貨運(yùn)列車),活載動力系數(shù)為1.118。混凝土溫差應(yīng)力按《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10092—2017)計(jì)算,縱向溫度荷載按道床板升溫5 ℃考慮,整體按升降溫25 ℃考慮。
2 原址高位現(xiàn)澆后落梁方案
2.1 原址高位現(xiàn)澆后落梁方案設(shè)計(jì)
本方案通過落梁支架、頂升裝置、臨時支撐等將槽形梁現(xiàn)澆模板位置抬升,使得槽形梁在設(shè)計(jì)標(biāo)高上方、高于框架頂板的位置完成澆筑。待主梁澆筑完成后,再逐孔拆除既有框架橋,之后利用頂升裝置將主梁逐級落架至設(shè)計(jì)位置,施工過程示意見圖2。
槽形梁高位現(xiàn)澆過程中,既有框架橋未拆除,橋下交通維持雙向4 車道限速通行,如圖2(a)。既有框架逐孔拆除過程中需要臨時組織疏導(dǎo)交通車輛,如圖2(b)。拆除一孔框架橋時,將交通車輛導(dǎo)改至另一孔框架,由原來雙向4 車道壓縮為雙向2 車道通行,單孔框架拆除時間為24~48 h,拆除第二孔框架時,交通導(dǎo)改至框架已拆除完成的路面通行,仍為雙向2 車道,待2 孔框架拆除工作完成,即可在原位恢復(fù)雙向4 車道通行,施工過程不中斷交通。既有框架橋拆除后,通過主梁兩端的頂升裝置將槽形梁逐級落放至設(shè)計(jì)高程,再進(jìn)行槽形梁橋面及橋下路面改造等工程,如圖2(c),圖2(d)。
2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析
槽形梁縱向計(jì)算分析采用Midas Civil 有限元軟件,利用梁單元建立全橋結(jié)構(gòu)離散模型,共計(jì)34個單元,35 個節(jié)點(diǎn)。在施工階段,通過臨時約束模擬現(xiàn)澆支架,成橋后拆除。對全橋有限元模型進(jìn)行施工、運(yùn)營階段驗(yàn)算,采用主力、主力+附加力荷載組合,按最不利荷載組合進(jìn)行驗(yàn)算。運(yùn)營階段主梁截面的最小安全系數(shù)如表1 所示,主梁各項(xiàng)安全系數(shù)均符合規(guī)范要求。
最不利荷載組合下主梁各階段應(yīng)力及變形結(jié)果見表2。由表2 可知:在施工及運(yùn)營階段全截面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)要求;剪應(yīng)力、主應(yīng)力均小于各自的限值,說明主梁應(yīng)力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求;ZKH靜活載作用下主梁跨中位移和梁端轉(zhuǎn)角均小于變形限值,主梁剛度符合規(guī)范要求。
2.3 方案特點(diǎn)
在施工技術(shù)方面,本方案現(xiàn)澆施工方便,槽形梁整體性能良好,但本方案需要進(jìn)行高位落梁作業(yè)。主梁兩端共設(shè)置4 個頂升點(diǎn)及4 個轉(zhuǎn)換點(diǎn),單個頂升點(diǎn)計(jì)算理論反力值高達(dá)6 000 kN,需采用相應(yīng)噸位的千斤頂將槽形梁逐級卸落至設(shè)計(jì)高程,此過程施工難度大,整個落梁過程都應(yīng)進(jìn)行施工監(jiān)控,對超出允許偏差的部分及時采用千斤頂進(jìn)行調(diào)整。在交通導(dǎo)改方面,逐孔拆除框架橋時需進(jìn)行交通導(dǎo)改,車道數(shù)量由原雙向4 車道壓縮至2 車道,限速通行,但滿足保通要求。
3 異位預(yù)制頂推方案
3.1 異位預(yù)制頂推方案設(shè)計(jì)
在臺后設(shè)置預(yù)制場地澆筑主梁,再通過頂推法將主梁頂推就位,可最大限度降低對橋下高速公路交通車輛的影響,施工風(fēng)險低。預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁跨徑56 m,對全橋頂推存在頂推力過大、臨時設(shè)施多等問題,同時為利用既有結(jié)構(gòu),本方案沿橋縱向?qū)⒅髁悍譃轫斖贫魏秃鬂捕?,頂推段在預(yù)制場地現(xiàn)澆,張拉部分預(yù)應(yīng)力鋼筋,安裝導(dǎo)梁后進(jìn)行頂推,既有待拆框架邊墻可作為臨時墩;主梁頂推就位后,拆除導(dǎo)梁,在既有框架兩側(cè)搭設(shè)支架澆筑后澆段,待后澆段達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,將主梁支承于橋臺,再拆除現(xiàn)澆支架、逐孔拆除框架橋邊墻,最后進(jìn)行橋面施工、橋下既有路線改擴(kuò)建。
本方案施工過程大致如圖3 所示。既有框架橋分兩階段拆除,如圖3(a),圖3(d)。頂推前逐孔拆除框架橋頂板,待拆框架橋邊墻保留并作為臨時墩,該過程中可調(diào)整既有框架邊墻頂標(biāo)高,使步履式千斤頂頂面標(biāo)高接近于成橋后梁底設(shè)計(jì)標(biāo)高,從而降低落梁高度或無須落梁工序。頂推完成后再逐孔拆除框架橋邊墻,兩個階段均需要進(jìn)行交通導(dǎo)改,高速公路由雙向4 車道壓縮成雙向2 車道通行,其余施工階段高速公路為雙向4 車道通行,框架頂板、邊墻拆除持續(xù)時間約24 h。相對于原址高位落梁方案,異位預(yù)制頂推方案施工未涉及落梁工序,降低施工風(fēng)險,同時利用既有框架橋邊墻,可減少臨時結(jié)構(gòu)工程量。
3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析
本梁為56 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁,其中頂推段長度為35.6 m,兩側(cè)后澆段長度各為10.2 m,桁架式鋼導(dǎo)梁長度為12.6 m。頂推施工過程中,主梁沿橋縱向的空間位置不斷變化,邊界條件也相應(yīng)發(fā)生改變,通過改變支座位置來模擬主梁頂推過程。為保證槽形梁頂推段在施工期間上、下緣均處于受壓狀態(tài),在主梁上緣增設(shè)6 束臨時預(yù)應(yīng)力鋼筋,頂推完工后抽除并對管道灌漿。結(jié)構(gòu)分析時對主梁進(jìn)行施工、運(yùn)營階段的驗(yàn)算,采用主力、主力+附加力荷載組合,按最不利荷載組合進(jìn)行驗(yàn)算。槽形梁在頂推過程中,截面壓應(yīng)力極值如圖4所示。
由圖4 可知,在整個頂推過程中,槽形梁均處于受壓狀態(tài),上緣最大壓應(yīng)力值為8.5 MPa,符合要求。下緣壓應(yīng)力在頂推起始階段壓應(yīng)力為0.3 MPa,原因是在施工階段計(jì)算模擬時,僅在梁端設(shè)置了臨時支座,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏保守。實(shí)際施工時,應(yīng)根據(jù)步履式千斤頂?shù)奈恢每紤]臨時支座。運(yùn)營階段主梁截面的最小強(qiáng)度、抗裂安全系數(shù)如表3所示。
由表3 可知,各安全系數(shù)均大于控制條件,說明主梁安全系數(shù)符合規(guī)范要求。運(yùn)營階段主梁應(yīng)力及變形結(jié)果見表4。
由表4 可知,主梁全截面處受壓狀態(tài),符合全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求;剪應(yīng)力、主應(yīng)力均小于各自的控制條件,主梁抗剪、抗裂性能均滿足規(guī)范要求;在ZKH 靜活載作用下主梁跨中撓度和梁端轉(zhuǎn)角位移小于控制條件,主梁剛度符合規(guī)范要求。
3.3 方案特點(diǎn)
本方案在分階段拆除框架頂板、邊墻時需要進(jìn)行交通導(dǎo)改,橋下交通由4 車道變?yōu)? 車道通行,而主梁的頂推過程并不影響橋下交通,且施工風(fēng)險低,故本方案也不用中斷橋下交通。頂推施工過程中,梁體承受交替變化的正、負(fù)彎矩,需布置臨時預(yù)應(yīng)力筋、前導(dǎo)梁和臨時墩等臨時措施,導(dǎo)致用鋼量相對增加。但是,臨時墩可由既有待拆框架橋邊墻充當(dāng),從而減少臨時結(jié)構(gòu)工程量。
4 結(jié)論
1)在改建前后主梁空間位置重合、保通等復(fù)雜工況下,原址高位現(xiàn)澆后落梁和異位預(yù)制頂推方案都能夠有效建設(shè)槽形梁。
2)經(jīng)有限元軟件建模分析,2 種方案的槽形梁在強(qiáng)度、剛度、抗裂性能等指標(biāo)均符合規(guī)范要求。其中異位預(yù)制頂推方案主梁的應(yīng)力儲備和安全系數(shù)相對較高。
3)原址高位現(xiàn)澆后落梁方案的施工技術(shù)要求高,高位落梁作業(yè)存在難度大、風(fēng)險高的特點(diǎn),而異位預(yù)制頂推方案落梁高度小,安全性能高。
4)異位預(yù)制頂推方案可充分利用既有框架橋邊墻作為臨時墩,減少臨時結(jié)構(gòu)工程量。在異位預(yù)制頂推方案中,若在主梁頂推段兩端設(shè)置勁性骨架,則勁性骨架不僅具備導(dǎo)梁功能,同時也可作為承力結(jié)構(gòu),參與主梁后澆段、成橋及運(yùn)營階段的受力,從而避免設(shè)置落地支架、減少臨時設(shè)備,節(jié)約工期。
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通信作者:薛飛(1984—),男,研究方向?yàn)闃蛩斫Y(jié)構(gòu)與路基支擋施工控制。E-mail:33244932@qq.com。
(責(zé)任編輯:姜紅貴)