跨铁路转体钢箱梁支点横梁及预拱度的设置

李前名

(中铁武汉勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430071)

0 引 言

近年来，为了适应城市发展的需要，各大、中城市均对城市主干道进行了快速化改造，新建大量的高架桥。钢箱梁因为施工快速，对既有交通影响较小，得到了大量的应用。相对于混凝土梁，钢箱梁自重较轻，当桥面宽度较大，而桥墩尺寸受中央绿化带宽度限制时，其抗倾覆稳定问题需要引起重视。抗倾覆稳定系数的计算方法对于横向设置2个支座的简支梁比较简单，但对于多跨连续梁，特别是横向设置多个支座时，就相对较为复杂。国内学者做了部分研究[1-2]，认为采用有限元软件进行计算是最有效的方法。以往学术界对倾覆稳定系数的取值不甚统一，一般在1.5～2.5之间，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)定为2.5。

桥梁转体施工技术在公路、市政桥梁跨越铁路时被普遍采用，优点是对铁路运营的影响最小。转体桥在转体完成前是大悬臂状态，主梁为钢箱梁时，会产生较大的下挠。预拱的设置方式直接影响工厂制造方案及成桥后的结构受力状态[3-5]。

本文结合工程实例，采用有限元方法对多跨、横向多支点、宽桥面钢箱梁的抗倾覆稳定系数进行分析与计算，验证设置挑臂横梁的必要性[6-9]。 同时，分析在转体梁端施加上顶力对厂制预拱度及成桥内力的影响。

1 项目概况

为了改善城市交通状况，武汉雄楚大街采用“将现有道路改造为地面辅道，同时新建主线高架桥”的方式进行快速化改造。现有雄楚大街与铁路交叉处铁路路基形式为路堑，道路采用(16+50+16)m梁式桥上跨铁路，桥面宽40.0 m，桥下共有国铁Ⅰ级正线铁路2股道、城际铁路2股道、专用线1股道，共5股道。快速化改造工程实施后，既有跨铁路立交桥作为地面辅道的组成部分，高架层需另建桥梁跨越既有桥及5股铁路。地铁2号线南延长线与本工程交叉，该段地铁线路与铁路并行，在既有立交桥台后穿越道路。

如图1所示，受施工场地限制，新建跨铁路高架桥采用(28+68.5+63.5) m连续钢箱梁，桥宽29.2 m，设双向六车道，采用转体加顶推方式施工。转体长度为2×60.5 m，转体段就位后，从西侧往东侧顶推36 m钢箱梁完成合龙。

既有地面桥为双幅分离式立交桥，两幅中间水平净距为2.5 m，边跨为16 m简支空心板梁，中跨为50 m简支T梁。新建高架在既有桥边跨内设置T2、T3墩(图2)，其中T3为转体墩。

图1 桥立面

图2 T2墩横断面

图3 新建跨铁路高架桥横断面

2 总体设计情况

上跨铁路160 m范围主线高架桥平面位于R=3 500 m的曲线上，纵坡1.83%。主线高架横断面标准布置如图3所示，设双向六车道，桥面总宽29.2 m。

2.1 主要技术标准

(1)道路等级:主线为城市快速路，地面辅道为城市主干道。

(2)设计车速:主线60 km·h-1，地面辅道40 km·h-1。

(3)桥面横坡为1.5%。

(4)桥梁环境类别为Ⅰ类。

(5)桥梁设计安全等级为一级，结构重要性系数γo=1.1。

(6)桥梁结构设计使用年限为100年。

2.2 钢箱梁

主梁标准段顶面宽度为29.2 m，底面宽度为21.1 m，等高段梁高2.1 m，变高段梁高2.1～4.0 m。钢箱梁采用Q345qC材质，附属结构采用Q235C钢材。

图4 设置双侧外挑横梁时的支座布置

2.3 桥梁附属结构

桥面铺装采用7 cm厚浇注式沥青混凝土。外侧护栏采用双层超SS级墙式钢护栏。中央分隔带护栏采用90 cm高SAm级钢防撞护栏，护栏之间种植绿化带。桥梁支座采用球形钢支座，吨位为15 000～25 000 kN。

3 中支点横梁的设置方式

T2及T3中墩支座横向间距为4.2 m，相对29.2 m桥宽的钢箱梁来说，支座间距较小，抗倾覆较为不利。考虑到下层既有桥的存在，如果增加支座，就需要设置外挑横梁，并在既有桥外侧铁路范围内增设边墩。对T2、T3墩横梁的设置方式进行了对比分析，判断设置外挑横梁及边墩的必要性。

采用midas Civil 软件建立空间板壳单元模型，分2种情况进行模拟计算:T2、T3不设外挑横梁，模型中取消图4所示T1～4Z、T1-4Y支座及图5所示的外挑横梁部分单元；T2、T3双侧设置外挑横梁。需要注意的是:外挑横梁只能采用空间板壳模型或梁格模型进行模拟，如采用单梁模型，则因无法模拟横向变形，导致横梁在活载作用下的支反力为0。外挑横梁均在转体完成后再安装，对计算结果重点对比支反力、抗倾覆稳定性及箱梁支点处的应力分布情况。

根据JTG 3362—2018，按式(1)进行抗倾覆稳定性验算。活载加载方式为在单侧3个车道内布置车道荷载；同时，因护栏高度较大，考虑风荷载参与组合。

(1)

通过软件自带的并发反力计算功能，分别读取各支座出现最大负反力时其他支座对应的反力，按照表1分别计算特征状态1和特征状态2下的抗倾覆稳定性。可见，不设挑臂横梁时，偏载引起的负反力较大，最小稳定系数为1.8，不满足要求。

表1 不设挑臂横梁时全桥抗倾覆稳定性验算

图5 带挑臂横梁的midas Civil模型

设置挑臂横梁时，在单侧偏载作用下，各支点的反力如表2所示，可以看出活载反力分布较为均匀，T2最大支座负反力减小了70%，T3最大支座负反力减小了96%，最小抗倾覆稳定系数达到5.97。另外，如表3所示，六车道加载时，设置挑臂横梁使得T2、T3中墩在汽车活载作用下最大支反力分别减小了29%和51%，底板等效应力分别减小26%和53%。

表2 设置挑臂横梁时单侧活载支反力

4 转体段预拱度的设置方式

钢箱梁截面刚度较小，各阶段荷载挠度较大，为保证成桥线形，需要在工厂制造及支架拼装时设置预拱。本桥存在体系转换，故需进行施工阶段分析，再将各阶段挠度进行叠加，求得预拱值。

对转体施工钢箱梁来说，预拱的设置方式有2种:转体段在工厂预设上拱，上拱值为各阶段挠度叠加值，工厂预拱值较大；转体完成后，微调即可与合龙段对接；转体完成后在梁端施加上顶力，再合龙，此时结构一期恒载内力重分配，能有效减小转体墩的恒载支反力及墩顶梁体负弯矩，预拱值为在前一种设置方式的基础上减去上顶力产生的上拱值。

表3 最大活载支反力及底板应力

4.1 不施加上顶力的预拱值

如图6所示，不施加上顶力时，转体段的预拱值为转体阶段下挠值、成桥阶段二期恒载下挠值、运营阶段1/2静活载下挠值之和。

图6 各阶段挠度及转体预拱度

由图6可以看出，转体段最大预拱值为383 mm，仅通过调整支架高度的方式无法保证线形，且焊缝质量难以达到要求，必须在工厂制造时考虑预拱问题。

4.2 施加上顶力的预拱值

转体完成后，在转体段梁端的腹板上施加上顶力，大小通过计算确定，目标是使转体段梁端的挠度为0，可以和合龙段顺利对接。但上顶力产生的上挠曲线与自重产生的下挠曲线并不重合，而且存在二恒及活载挠度，故制造及现场拼装时仍需设置预拱。预拱值为成桥后恒载下挠值与1/2静活载下挠值之和。

图7 施加上顶力模型

如图7所示，本桥在转体完成后，在梁端6道腹板位置各施加660 kN的上顶力，待左右侧合龙后再撤去。成桥后钢箱梁挠度曲线(恒载与1/2静活载之和)如图8所示，最大挠度为59 mm，各节段按图8设置预拱。

表4为施加上顶力和不加上顶力2种工况下各支座恒载支反力及钢箱梁底板应力情况对比。可以看出:施加上顶力时，成桥后恒载作用下T3墩的支反力降低了22%，底板应力减小了25%。

对于本桥来说，左侧合龙段在既有桥上，考虑到既有桥的承载能力，最终综合上述2种方法，在梁端每个腹板各施加100 kN的上顶力，转体段梁端设置310 mm厂制上拱度，顺利合龙。

5 结 语

跨铁路钢箱梁桥的抗倾覆是需要重点关注的问题，特别是中墩尺寸受限、支座横向间距较小时，尤其要重视抗倾覆稳定性的验算。外挑横梁可以在转体完成后再安装，其对改善主梁正常状态下的整体受力状况作用不大，却能显著改善偏载作用下支座反力集中及脱空效应，提高整体抗倾覆稳定性。

表4 成桥状态恒载支反力及底板应力

在条件允许的前提下，可考虑对转体施工桥梁的梁体施加上顶力进行合龙，该项措施能改善一期恒载的结构效应，并减小预设上拱值。本文主要研究的是钢箱梁，混凝土梁刚度较大，施加上顶力对预拱的影响较小，却能明显改善整体受力，防止梁端支座脱空，减小截面高度，并节省工程投资，值得进一步深入研究。