转体连续梁中跨合龙钢壳法施工技术应用研究

2019-12-05田小路

铁道建筑 2019年11期

田小路

（中铁十六局集团第四工程有限公司，北京 101400）

为了不影响铁路既有线的正常运营，大跨度连续梁跨越既有线时通常采用转体法施工。在既有线红线外侧平行于线路方向，连续梁T 构采用悬灌法施工完成，随后进行T 构转体，最后在既有线上方中跨合龙。在既有线上方作业是转体连续梁施工的关键技术环节，特别是在合龙段梁底空间有限的施工条件下，施工风险更高，技术难度更大。

1 工程概况

蒙华铁路湖南段跨京广铁路特大桥（40+64+40）m转体连续梁，上跨中国铁路运输最为繁忙的主要干线——京广铁路，是国内最长运煤专线蒙华铁路重点控制性工程之一，线路与既有线夹角为57°。连续梁截面采用变高度直腹板单箱单室形式，梁底线型按照二次抛物线变化。单个T 构有7 节悬浇段，每节段长度为3.00～4.25 m 不等，支架现浇段长7.75 m，合龙段长2.0 m。中跨合龙段在既有线上方，梁底垂直距离接触网立柱最近1.336 m。

该桥的施工方案：在墩顶预设转盘，先平行于既有线方向悬臂浇筑，再通过连续千斤顶牵引装置顺时针水平转体57°到达设计位置，最后进行边跨、中跨合龙。T 构最长62 m，最大转体质量2 336 t。蒙华铁路跨京广铁路特大桥（40+64+40）m 转体连续梁与京广铁路的位置关系如图1所示。

图1 转体连续梁与京广铁路的位置关系

2 方案比选

合龙梁段施工可采用支架、悬臂挂篮或另设施工吊架作为施工作业平台［1］。蒙华铁路跨京广铁路特大桥转体连续梁中跨合龙段在京广铁路上方且梁底距离接触网立柱较近，支架搭设困难，常规挂篮和吊架底模容易侵界。钢壳是一种新型结构，通过钢壳面内抗剪连接件与混凝土连接，紧贴梁体设置于梁体外部轮廓之外，最大限度地减少了侵界的风险，成功解决了梁底施工空间有限的难题。在合龙段混凝土浇筑过程中钢壳起到模板作用，混凝土浇筑完成后不用拆除，与混凝土形成整体共同受力。

3 钢壳构造

钢壳由预埋段和吊装段2部分构成。钢壳面板由16 mm 厚Q355NHC 焊接耐候钢板组焊而成，面板内布置剪力钉与肋板，其中剪力钉规格为φ16 mm×180 mm，材质为ML15 或ML15AL；肋板规格与材质同钢壳面板，肋板上开设圆孔，并在孔内贯通横向钢筋，形成了开孔钢板连接件（PBL剪力键）。

预埋段钢壳的内部轮廓同梁体外部轮廓尺寸一致。根据锚固受力、合龙段长度及转体空间需求［2］，确定预埋段钢壳须嵌入连续梁第7 节悬浇段末端140 cm，外伸50 cm，预埋段钢壳共长190 cm。预埋段钢壳在第7 节悬浇段施工时预埋于悬浇段末端，并设置肋板与悬浇段钢筋连接，剪力钉锚固在悬浇段混凝土中。预埋中跨合龙段钢壳如图2所示。

图2 预埋中跨合龙段钢壳

吊装段钢壳的外部轮廓与预埋段钢壳内部轮廓尺寸一致，吊装段钢壳长154 cm，与两侧预埋段钢壳各搭接27 cm。转体就位后，将吊装段钢壳吊装到位。先完成预埋段与吊装段钢壳接缝处的焊接，再完成连接板与肋板间的焊接，最后3段钢壳形成整体。

4 钢混结合段受力机理

中跨合龙段腹板高度小，混凝土方量少，施工时间短，浇筑时产生的荷载由钢壳传递至悬浇段的混凝土内。预埋段钢壳内的剪力钉和PBL 键共同承受中跨合龙段混凝土的施工荷载，限制预埋段钢壳与悬浇段混凝土间的相对滑移和剥离。

5 钢混结合段有限元计算与分析

5.1 计算模型

钢混结合段构造复杂，运用大型有限元软件ANSYS 无法完全模拟，因此需要对接头做出一些简化以及假设。依据圣维南原理，钢混结合段的局部应力与离它较远区域的应力联系很小，只与相近梁的应力状态有关［3］。忽略较远区域对钢混结合段的影响，本模型总长取10 m，其中单侧混凝土箱梁长400 cm，预埋段钢壳长190 cm，二者结合部分长140 cm。吊装段钢壳长154 cm，与两侧预埋段钢壳搭接，每侧搭接长度为27 cm。

在钢混结合段有限元模型中，选用实体单元Solid95模拟箱梁及钢混结合段中的混凝土；选用壳单元Shell 63 模拟钢壳中的钢板；选用非线性弹簧单元Combin 39 模拟剪力钉；选用杆单元Link 180 模拟钢筋。忽略钢板与混凝土的相互黏结和摩擦作用。严格按照实际尺寸建模，z轴沿桥梁纵轴向，y轴竖直向上，x轴沿横桥向［4］。钢混结合段计算模型如图3所示。

图3 钢混结合段计算模型

鉴于钢混结合段是沿桥梁纵轴线完全左右对称结构，为了简化起见，只建立了半宽模型进行研究，但必须在对称面的节点上施加对称约束，同时将混凝土箱梁悬臂起始端所有节点上的自由度全部约束，之后在中跨合龙钢壳（2 m范围）上施加混凝土浇筑荷载。

5.2 计算结果与分析

1）钢壳应力分布及分析

钢混结合段钢壳在底板与腹板的折角处存在小范围的应力集中，应力最大值为207.26 MPa。总体来说，钢壳绝大部分应力值都在文献［5］容许值（-200～200 MPa）以内，高应力集中区域面积很小，不会对钢壳整体受力造成影响。

2）剪力钉受力情况及分析

提取模型中模拟剪力钉的弹簧单元剪力，其值大部分在400～20 000 N，总体遵循从低到高、由外及里的规律分布。剪力最大值为21 306 N，出现在悬浇段末端腹板下的剪力钉上。剪力钉的设计承载强度为75 213.25 N，剪力最大值小于其极限承载强度的30%。剪力最大值处的剪力钉对应的最大滑移值为0.021 2 mm。根据文献［6］研究成果：“当焊钉连接件承载力为其极限承载力的60%时，钢与混凝土的相对滑移值应在0.4 mm 以下；当其承载力达到其极限承载力时，相对滑移值应小于3～5 mm”。计算结果表明剪力钉整体工作性能良好。

3）混凝土箱梁应力分布及分析

钢混结合段混凝土在混凝土箱梁底板外折角处存在小范围的应力集中，应力最大值为12.27 MPa。总体来说，箱梁混凝土绝大部分应力值都在-30～3 MPa，有少数应力超过文献［7］容许值，但高应力区域面积较小，对箱梁混凝土影响不大。

6 施工工艺与操作要点

6.1 施工工艺流程

钢壳法施工合龙段的关键工序有2 个：①连续梁T构最后一节悬浇段末端的钢壳预埋；②T构转体完成后合龙段钢壳的整体吊装。其余工序类似于其他方法的合龙段施工。钢壳法施工合龙段工艺流程如图4所示。

图4 钢壳法施工合龙段工艺流程

6.2 操作要点

6.2.1 预埋段钢壳安装

将预埋段钢壳位置通过全站仪、钢尺等引测到最后一节悬浇段的挂篮模板上，使预埋段钢壳轴线与挂篮模板中心线精确对正，安装过程中通过测量跟踪校正。待测量校正完成后将钢壳肋板与绑扎好的钢筋焊接固定在一起，保证其不产生偏移。在浇筑混凝土的过程中进行全程测量监控，防止混凝土振捣时钢壳移位。

6.2.2 转体定位

1）轴线控制

转体前在T 构悬臂端做出梁体轴线标记，同时在下转盘上画出上转盘转体终点线。转体刻度盘只能作为合龙对中的参照，并不能作为卡控标准［8］。转体时，测量人员用全站仪对梁体轴线上的观测点进行连续观测，指挥人员根据观测数据及时调整转体速度，确保转体在设计线路方向精确就位。

2）高程控制

分别在T 构的悬臂端和中部梁面上设置3 个高程观测点，在转体过程中进行连续监控。转体就位后，根据测量结果，采用千斤顶调整梁端高程，使其符合设计要求［9］。

6.2.3 吊装段钢壳安装

1）安装演练

吊装段钢壳体积大，质量接近5 t，采用线外大半径吊装作业对吊装机械要求非常高，并且只能在有限的天窗时段内安装完成，存在很多安全隐患。应用BIM 技术结合施工方案进行吊装段钢壳的安装预演（如图5所示），并进行三维碰撞检查，能够非常直观地了解整个安装工序，并清晰把握在安装过程中的难点和要点，从而有助于吊装机械的选型、吊点的优化以及施工场地的布置，极大地提高了施工效率和施工方案的安全性。