简支结合梁无支架施工技术在轨道交通中的应用

2015-06-19岳宗崇

都市快轨交通 2015年2期

岳宗崇

(北京城建设计发展集团股份有限公司北京 100037)

1 结合梁发展概况

桥梁结构专业中所说的结合梁是指受压区采用混凝土、受拉区采用钢结构，钢结构与混凝土构件之间采用剪力连接件进行连接，使两者共同受力、变形协调的一种组合结构，铁路系统称之为结合梁。

结合梁是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。组合结构的雏形最早于1894年出现于北美，当时出于防火的需要，并未考虑混凝土与钢结构的共同受力［1］。真正具有现代意义的结合梁桥最早出现在20世纪40年代的瑞典。随着研究的深入，对于结合梁的研究逐渐完善，20世纪50年代，美国、前联邦德国、前苏联、英国、印度相继编制行业规范［2］。到1970年前后，结合梁技术进入蓬勃发展期，其应用更是一日千里，一跃成为继传统的木结构、砌体结构、钢结构和钢筋混凝土结构之后的第五大结构［3］。我国的结合梁系统研究始于20世纪80年代，尤其是近些年在公路和城市桥梁建设方面取得了举世公认的进步［4］。1993年建成北京国贸桥，1994年建成上海南浦大桥，掀起了我国结合梁桥应用的高潮。结合梁桥在桥梁结构中的成功应用实现了轻型大跨、预制装配、快速施工的目的，符合我国城市立交桥建设的国情。继国贸桥之后，仅北京又有数十座大跨立交桥的主跨采用了这种结构形式，最大跨度已达到70 m，取得了显著的技术经济效益和社会效益［5］。

在轨道交通工程应用方面，常规结合梁桥分为连续结合梁和简支结合梁。连续结合梁在研究应用方面比较广泛，各种施工技术不断涌现。而简支结合梁相对研究较少、技术措施也比较单一，包括搭设临时支架、分段吊装拼接钢梁、浇筑混凝土桥面板、拆除临时支架。本文要介绍的是针对简支结合梁的较新颖的一种技术措施，有望在一定程度上推动简支结合梁的普及应用。

2 结合梁的特点

按功能类型不同，结合梁的组成部分可分为3部分:上部混凝土桥面板、下部钢梁、中间部分的剪力连接件。单从受力特点和构造上就可以看出简支结合梁是一种非常优秀的结构，简支梁的上缘受压、下缘受拉特性与结合梁的材料特性分布使其结合得完美无缺，即受压区(上缘)采用受压性能优异的混凝土板，受拉区(下缘)采用受拉性能优异的钢梁。结合梁充分发挥了钢材和混凝土的材料特性，使形成整体的结合梁既有足够的刚度来控制结构变形和降低振动、噪声，又提供了足够的结构强度来降低梁高，另外还兼顾了减轻结构自重、节省钢材、降低工程造价的需求，再加上良好的抗震性能和施工便利性，使结合梁成为钢梁、混凝土梁以外又一种新颖的桥梁结构［6］。

3 结合梁的计算理论

结合梁的计算理论和钢梁、混凝土梁相同，都采用弹性理论，符合平截面假定，材料服从虎克定律，因此原则上可以利用材料力学公式计算结合梁截面的应力和变形［5］。但是材料力学公式只适用于单一的匀质弹性体，而结合梁是由钢材和混凝土两种不同性质的材料组成的组合结构，因此计算之前应首先进行截面换算，即将两种材料换算为具有相同弹模的同一种材料。这样就可以根据换算截面的几何特征值，利用材料力学公式进行结合梁的应力和变形计算。

与钢梁、混凝土梁的另一个不同点就是结合梁的截面形成过程。第1阶段，在混凝土桥面板浇筑时，由于钢梁和混凝土桥面板尚未形成联合截面，钢梁、浇筑的混凝土桥面板重量将由钢梁自身承担;第2阶段，随着混凝土的强度、弹性模量的上升，达到设计标准，之后增加的荷载将由联合截面承担，并且两者的应力、变形是叠加关系，表达为:

式中，σs为钢梁应力;M1为第1阶段荷载弯矩效应;M2为第2阶段荷载弯矩效应;Ws为钢梁截面抗弯抵抗矩;W0为联合截面抗弯抵抗矩［7］。

其中M1第1阶段荷载包括:钢梁自重、浇筑的桥面板混凝土重量、施工临时荷载;M2第2阶段荷载主要包括:桥面二期荷载，车辆、温度等结合梁形成联合截面之后施加的荷载。

4 无支架施工技术措施

4.1 无支架施工的技术方案

常规简支结合梁的施工是需要搭设临时支架来为钢梁的拼装创造条件的，本文所说的无支架是指无任何地面支架，完全不受地面条件限制的无支架施工。无支架施工的核心内容为:钢梁整孔预制吊装、无支架现浇施工全桥桥面板。

1)钢梁整孔预制吊装。根据常规简支结合梁施工，整孔预制吊装阶段主要难点在运输环节。轨道交通桥梁宽度一般为10 m左右，跨越结构物的需求使得结合梁跨度一般都超过30 m，这类超长、超宽的结构物运输对城市交通而言确实很难［8-9］。根据上部结构设计的特性，为解决运输问题钢梁可分成2片或多片制作，现场采用横梁连接。

2)无支架现浇施工全桥桥面板。浇筑混凝土桥面板时，可以利用已经架设完毕的钢梁作为承重结构，通过锚固在钢梁腹板上的螺栓进行无支架桥面板浇筑工作［10］(见图 1)。

图1 结合梁悬臂支架

根据计算分析，无支架施工时钢梁在浇筑混凝土桥面板阶段受力较大，并通过应力叠加效应，最终使钢梁应力成为结构控制应力，难以通过计算。根据结合梁的计算理论，钢梁在浇筑桥面板阶段受力较大是因为此阶段钢梁和混凝土尚未形成联合截面，荷载作用(自重及施工荷载)全部由钢梁承担。第1阶段过大的钢梁应力直接拉高了钢梁的使用阶段应力，极容易形成钢梁应力控制设计的情况。从上述分析，钢梁应力过大的问题应该这样解决:在钢梁形成联合截面前尽量减小荷载重量，具体来说即为先浇筑钢梁应力较大部分的桥面板混凝土，钢梁应力越大，浇筑混凝土区段长度越短，待钢—砼形成联合截面后浇筑下一阶段混凝土。

4.2 工程实例的计算分析和应用

北京地铁14号线是北京市轨道交通线网中一条连接东北、西南方向的轨道交通L型骨干线，线路全长47.7 km，在线路里程 K3+079.055处上跨五环路，交角为90°。此处西五环为双向六车道的通道桥，桥宽28 m(见图2)。

图2 北京西五环路现状

此处桥梁采用36 m双箱简支结合梁方案，钢梁高1.75 m，混凝土桥面板厚0.45 m(见图3)。施工方法:采用钢梁整孔吊装、桥面板分2次浇筑施工，第1次浇筑跨中15 m范围内的混凝土，待形成联合截面后浇筑剩余混凝土。

图3 结合梁横断面

桥梁总体纵向计算根据平面杆系理论，采用桥梁博士设计软件进行计算。根据桥梁施工流程，结构施工阶段划分见图4，各个阶段钢梁应力情况见图5。

图4 跨五环路结合梁施工步序

从各阶段钢梁应力包络图可以看出，钢梁控制很理想。但若不考虑桥面板混凝土的分阶段浇筑，则钢梁的控制应力显然高出不少(见图6)。

图5 各阶段钢梁应力包络图单位:MPa

北京地铁14号线于2011年初开工，2013年5月1日通车运营。在建设过程中，跨五环路的桥梁工程方案以其良好的施工便利性和经济性赢得了各方人员的一致赞誉。

图6 无分段浇筑钢梁应力包络图单位:MPa

4.3 无支架施工的技术特点

通过14号线工程的应用，无支架施工技术的推广价值得到了体现。尤其在国内城市化高速发展、城市建设条件越来越苛刻的前提下，无支架施工技术显得尤为重要。例如，对于跨越连续的现状结构物、不允许设置临时支架的河流、较高的结构物，以及对临时支架成本过高等情况，都可以选择无支架施工方案。相比悬浇、转体等施工方案，无支架施工技术的优越性是显而易见的，不但节省了造价，更为重要的是使施工难度降低了一个层次，甚至从景观上来说，体量更小的简支结合梁显然更容易融入外部环境。

根据目前的施工技术条件和前文中的计算总结分析，无支架施工技术在应用推广过程中应注意两点:

1)由于运输、吊装的问题，无支架施工技术向大跨度方向的发展比较困难，跨度越大困难越大。

2)无支架施工技术适用于钢梁上缘压应力控制设计的开口钢箱情况。分段浇筑对钢梁底板的拉应力效应降低较少，而对上缘的压应力却能产生质的影响。从理论上说，只要分段足够小，基本可以做到使钢梁上缘忽略桥面板的存在。