高速铁路预顶升钢混叠合梁桥制造误差敏感性分析研究

2019-08-21郑文龙张灵周李鸿博

城市道桥与防洪 2019年8期

郑文龙，张灵周，李鸿博

（1.中铁隧道局集团路桥工程有限公司，天津市300308；2.同济大学桥梁工程系，上海市200092）

0 引言

钢混叠合梁能够充分发挥钢材和混凝土两种材料各自的力学特点，具有良好的使用性能与经济效益[1-2]。近年来，钢混叠合梁逐渐应用在我国公路、城市道路桥梁的建设中[3-4]，但在铁路尤其是高速铁路桥梁中应用仍较少。通过预顶升施工方法为钢混叠合梁桥墩顶负弯矩区的混凝土桥面板施加预应力，能够有效提高钢混叠合梁桥的承载能力[5]。

钢混叠合梁桥的大部分构件可通过工厂进行加工、制造，构件的制造误差无疑会对结构在后续施工阶段与运营阶段的性能产生影响。目前的相关研究中，孙蓓[6]就混凝土板厚度、钢梁腹板与底板厚度等几何设计参数对大跨钢混组合曲线箱梁桥承载能力的影响进行了研究；熊树章[7]依据几何控制法的理论，探明了钢混叠合梁斜拉桥对钢梁、混凝土桥面板和拉索的重量、弹性模量等结构参数变化的敏感性程度；唐启[8]采用有限元法，分析了材料弹性模量和构件重量等关键施工控制参数对钢混组合梁斜拉桥变形、应力、索力等的影响。然而，对预顶升施工的高速铁路钢混叠合梁桥，尚未见有针对性的制造误差敏感性分析研究。

本研究利用有限元方法，探讨了高速铁路预顶升钢混叠合梁桥对钢板厚度、混凝土桥面板厚度和混凝土强度制造误差的敏感性，为施工过程中关键控制参数的识别提供了理论基础。

1 工程概况

商丘—合肥—杭州铁路（简称商合杭铁路）古城特大桥采用上承式无砟轨道无预应力体系钢混叠合连续梁跨越茨谷河，桥跨布置为5×50.7 m，自1170#墩延伸至1175#墩，起点桩号为DK145+597.75，终点桩号为DK145+851.45。钢主梁采用单箱双室截面；混凝土桥面板无预应力钢筋，中部厚43 cm，悬臂端厚25 cm，全宽12.6 m。钢箱梁梁高3.585 m，叠合梁截面中心处梁高4.015 m。

商合杭铁路古城特大桥桥位布置图见图1。

图1 商合杭铁路古城特大桥桥位布置图（单位：m）

商合杭铁路钢混叠合梁桥建造过程中，通过钢梁的顶升、回落与桥面板的交替施工，对墩顶负弯矩区的混凝土桥面板施加预应力。首先在桥面板施工前将钢梁次中墩、中墩分别顶升20 cm、70 cm；在中跨附近混凝土桥面板施工完成后将中墩处钢梁下降70 cm，待剩余混凝土桥面板施工完成后再将次中墩处钢梁下降20 cm。施工过程中，由于钢梁的顶升与回落，在墩顶会出现较大负反力，为避免梁底出现脱空现象而采用了临时锁定装置。

2 钢板厚度误差敏感性分析

为便于说明分析结果，建立了图2所示的坐标系。

图2 坐标系

在预顶升施工过程中，最大的负反力出现在次中墩、中墩处的钢梁分别被顶升20 cm、70 cm后的次中墩墩顶。随着钢板厚度的变化，各墩墩顶在顶升结束后的反力情况如图3所示。

图3 顶升结束后的墩顶反力

由图3可见，随着钢板厚度的增加，各墩墩顶的反力基本都随之增加。当钢板厚度较设计值增加2 mm时，次中墩墩顶的负反力增加了30 kN左右，增幅约为1.68%，这表明钢板厚度的增加对预顶升施工过程中的安全风险控制是不利的。

成桥阶段和考虑10 a的收缩徐变后，钢板厚度对混凝土桥面板上缘压应力的影响如图4、图5所示。

图4 成桥阶段桥面板上缘压应力

图5 考虑10 a收缩徐变后桥面板上缘压应力

由图4可见，在成桥阶段，随着钢板厚度的增加，混凝土桥面板的预压应力也随之增加。当钢板厚度减少2 mm时，中跨跨中处的桥面板上缘压应力减少了约0.3 MPa，次中墩和中墩墩顶处的桥面板上缘压应力减少了0.29～0.42 MPa；当钢板厚度增加2 mm时，中跨跨中处的桥面板上缘压应力增加了约0.17 MPa，次中墩和中墩墩顶处的桥面板上缘压应力则增加了0.13～0.25 MPa。显然，钢板厚度减少对桥面板预压应力的影响较明显一些。然而，由图5可见，在考虑10 a的收缩徐变后，钢板厚度制造误差对预顶升方法施加的预压应力影响基本消失。

3 混凝土桥面板厚度误差敏感性分析

成桥阶段和考虑10 a的收缩徐变后，混凝土桥面板厚度对混凝土桥面板上缘压应力的影响如图6、图7所示。

图6 成桥阶段桥面板上缘压应力

图7 考虑10 a收缩徐变后桥面板上缘压应力

由图6可见，在成桥阶段，随着混凝土桥面板厚度的增加，其预压应力的变化非常小。当桥面板厚度减少10 mm时，中跨跨中处的桥面板上缘压应力仅增加了约0.07 MPa；而当桥面板厚度增加10 mm时，中跨跨中处的桥面板上缘压应力减小了约0.07 MPa；次中墩和中墩墩顶处的桥面板上缘压应力则基本未受到桥面板厚度变化的影响。同时，由图7可见，在考虑10 a的收缩徐变后，混凝土桥面板上缘压应力的变化情况与成桥阶段相似，基本未受到混凝土桥面板厚度变化的影响。

4 混凝土强度误差敏感性分析

成桥阶段与考虑10 a的收缩徐变后，混凝土强度变化对混凝土桥面板上缘压应力的影响如图8、图9所示。

图8 成桥阶段桥面板上缘压应力

图9 考虑10 a收缩徐变后桥面板上缘压应力

由图8可见，在成桥阶段，随着混凝土强度的增加，混凝土桥面板的预压应力也随之增加。当采用C50混凝土时，中跨跨中处的桥面板上缘压应力减少了约0.24 MPa，次中墩和中墩墩顶处的桥面板上缘压应力减少了0.19～0.21 MPa；当采用C60混凝土时，中跨跨中处的桥面板上缘压应力增加了约0.22 MPa，次中墩和中墩墩顶的桥面板上缘压应力则增加了0.18～0.19 MPa。

在经过了10 a的收缩徐变后，混凝土强度对混凝土桥面板应力造成的影响并未消失。由图9可见，当采用C50混凝土时，中跨跨中处的桥面板上缘压应力减少了约0.3 MPa，次中墩和中墩墩顶处的桥面板上缘压应力减少了0.25～0.28 MPa；而当采用C60混凝土时，中跨跨中处的桥面板上缘压应力增加了约0.29 MPa，次中墩和中墩墩顶的桥面板上缘压应力增加了0.25～0.28 MPa。可见，收缩徐变会略微增大混凝土强度对混凝土桥面板预压应力的影响。