运架梁施工对既有桥梁结构影响分析

2020-10-24郑军星郝先慧李二伟徐旭升

湖南工程学院学报(自然科学版) 2020年3期

郑军星，郝先慧，李二伟，徐旭升

（中铁七局集团勘测设计研究院，郑州450000）

近些年我国铁路设施建设快速推进，预计到2020 年达到“八纵八横”客运专线，总里程达15 万公里. 随着高速铁路的快速发展，对提高施工效率和施工质量有了更高的要求，目前大多采用预制场预制架桥机架设方法［2-4］和“提、运、架”相结合的施工方法可大幅度节约工期，降低工程成本［5］.由于铁路预制梁具有体积大、重量大、运输难度高等特点，因此在运架过程中对已建桥梁的结构影响不容忽视.本文依托郑济客专项目，运架梁施工过程中对相邻跨既有简支桥梁结构承载力进行验算分析，为以后运架预制梁工程项目提供参考经验.

1 工程概况

1.1 运架梁系统

本文预制箱梁采用YL900A 型运梁车运输，运梁车自重约253 t，最大运载能力900 t，走行轮轴32个，轴纵向间距1.9 m，轮胎数量64 个，轮距5000/1130 mm，轮胎接触面长60 cm，宽50 cm.JQ900A型架桥机外形尺寸（长×宽×高）为67.1 m×17.4 m×14.6 m，自重约530 t，额定起重量900 t（不含吊具），适应32 m、24 m 双线单箱单室箱梁施工.架桥机中支腿中心距6.0 m，单个中支腿作用面积为1.6 m（纵向）×0.8 m（横向）；后支腿横向中心距8.36 m，单个轮胎接地面积为180 mm（纵向）×350 mm（横向）.

1.2 相邻跨既有简支箱梁参数

新建郑州至济南铁路，郑州至濮阳段相邻跨既有简支箱梁截面类型为单箱单室等高度箱梁，梁顶板、底板及腹板由跨中向梁端线性加厚.桥梁宽12.6 m，梁长为24.6 m，计算跨度23.5 m，单片箱梁自重679.6 t.箱梁横桥向支座中心距均为5.5 m，其轨下箱梁截面高度3.048 m.

2 计算结果及分析

2.1 荷载工况分析

JQ900A 型架桥机R1 号、R2 号、R3 号支腿移动至架梁位置，R1 号支腿位于待架梁跨前墩，R2 号支腿位于已架梁跨前端梁顶，距离已架梁跨前墩中线1 m.R3 号支腿位于已架梁上.YL900A 型轮胎式运梁车运送预制梁走行到距离梁端4.8 m 位置.运架梁工作流程如图1 所示.

图1 运架梁工作流程图

2.1.1既有梁桥纵向受力分析

图2 为运架梁过程中相邻跨24 m 简支箱梁纵向受力示意图.图中P1、P2 为运梁车单轮荷载，P2为中支腿反力，P3 为后支腿反力，L 为运梁车端与梁端距离.运梁车运输箱梁过孔且后车满载于已架设箱梁跨时为最不利工况.架桥过程分三个工况，工况一为1 号起重车取梁，工况二为2 号起重车取梁前，工况三为2 号起重车取梁.各工况下车轮荷载取值如表1 所示.

图2 相邻跨既有24 m箱梁纵向受力图

表1 各工况下车轮荷载取值表

2.1.2既有梁桥横向受力分析

（一）过孔工况

图3 为过孔工况相邻跨箱梁横向受力图.取跨中单位长度截面进行横向受力计算.偏安全考虑，运梁车单轮荷载取P1=19 t.运梁车轮胎纵向作用宽度为500 mm，则换算均布荷载为10.4 t/m，架桥机支腿纵向作用宽度为350 mm，换算均布荷载为

30.8 t/m.

图3 为过孔工况已建箱梁横向受力图

（二）架桥工况

对架梁过程中各工况箱梁横桥向受力分析可知，工况三架桥机中支腿作用处的梁端截面横向受力最不利，取单位长度截面进行横向受力计算.图4为单位长度已建箱梁横向受力图.中支腿荷载P3=455 t.中支腿横向作用宽度为800 mm，由于端部腹板厚度1072 mm，故此处荷载按集中力加载.车轮作用在板支撑处附近，由公路混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范可知纵向作用宽度为：

式中：a1为车轮着地尺寸，取1.6 m；h 为铺装层厚度，取0；t 为端部顶板厚度，取0.67 m.

图4 工况三已建箱梁横向受力图

2.2 整体安全性验算

2.2.1 计算模型

采用计算软件Midas Civil 建立简支梁单元模型如图5 所示，对相邻跨简支梁进行纵向整体受力分析.

（1）定义材料

①C50 混凝土，弹性模量取3.55×104MPa，泊松比0.2，容许应力13.4 MPa.

②预应力钢绞线，1860钢绞线，弹模1.9×105MPa，泊松比0.3，控制拉力1395 MPa.

（2）定义截面

利用SPC 截面计算器计算梁端、跨中截面参数，导入Midas Civil 生成截面特性值.

（3）建立节点、梁单元，依据预应力钢束竖弯、平弯大样图输入模型中.

（4）建立边界条件.支座采用一般弹性支承约束，支座与桥梁连接采用线性弹簧连接.

（5）施加荷载.施加自重、架桥机静力荷载，运梁车移动荷载采用车道加载方式施加.

（6）建立施工阶段，进行PSC 后处理设计.

图5 简支梁桥计算模型

2.2.2上下翼缘正应力验算

利用Midas Civil 建模计算，表2 为各工况上下翼缘最大应力，从表中可以看出各工况上下翼缘最大正应力小于规范要求C50 混凝土抗压设计值，运架梁车施工不会对已建桥梁结构安全产生影响.

表2 各工况上下翼缘最大应力（MPa）

图6 为各工况下梁桥下翼缘正应力图.从图中可以看出各工况截面受拉边缘正应力由端部向中部逐渐变大，跨中达到应力最大值.在各施工工况中，过孔状态边缘正应力最大，跨中截面受拉边缘正应力达到7.9 MPa；架桥状态一工况下截面受拉边缘正应力最小，应力达到4.3 MPa.

图6 梁桥下翼缘受拉边缘正应力图（MPa）

2.2.3正截面抗裂、强度验算

依据《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB10092-2017）［6］规定，对于受弯构件计算抗裂安全系数：

式中：Kf为抗裂安全系数，设计要求不低于1.1；σc为扣除预压应力损失后的预压应力；σ 为截面受拉边缘产生的正应力；fct为混凝土抗拉极限强度；γ 混凝土塑性修正系数.

对于翼缘位于受压区的T 形受弯构件正截面强度计算公式：

当截面受压区高度大于等于2a'且不大于0.4hp

正截面强度计算公式：

式中：K 为强度系数，设计要求不低于1.8；fp、fs为预应力钢筋与非预应力钢筋抗拉计算强度；ap、as为预应力钢筋与非预应力钢筋抗拉面积；bf'、hf'为翼缘受压区宽度和高度；Mn为混凝土设计值；M 为混凝土计算值.

图7 为各工况下梁桥抗裂安全系数图.从图中可以看出各工况截面抗裂安全系数由端部向中部逐渐变小，跨中截面最危险.在各施工工况中，过孔状态下跨中截面处抗裂安全系数最小达到1.88，高于设计允许值1.1，梁桥在各工况下抗裂满足要求.

图7 梁桥抗裂安全系数

图8 为各工况下梁桥弯矩图.从图中可以看出在各施工工况中，过孔状态弯矩值最大，跨中截面弯矩达到4.6e5（kN·m）；架桥工况一弯矩值最小，跨中截面弯矩为2.4e5（kN·m）；梁桥设计跨中弯矩为10.5e5（kN·m）.通过强度系数公式可得出算各工况下强度安全系数.各工况截面强度安全系数由端部向中部逐渐变小，在各施工工况中，过孔状态下跨中截面处强度安全系数最小达到2.24，高于设计允许值1.8，梁桥在各工况下强度满足要求.

图8 各工况下梁桥弯矩图

2.2.4支座承载力验算

根据Midas Civil 计算结果可得各工况下简支梁桥支座反力如表3 所示. 设计中既有简支梁桥采用PZ-4500 型双支座，从表3 中可以看出2 号吊车起吊前，最大支座反力达到5620 kN，在架桥施工过程中需要通过在架桥机中支腿作用处的梁端永久支座横桥向附近各增设1 台200 t 千斤顶进行加固处理，能够满足永久支座受力要求.

表3 各工况下简支梁桥支座反力

2.3 简支梁横桥向验算

桥面板中部截面顶、底面横向钢筋均为8D20@125，上顶板厚度为350 mm，端部截面在腹板上下缘沿横桥向配置的钢筋均为10D22@100，上顶板厚度为670 mm，混凝土净保护层厚度为35 mm，故as=a's=35 mm，外侧翼缘板上、下面均为D16@125，腹板钢筋用D18@125.对顶板下缘、顶板上缘、腹板外侧进行钢筋和裂缝检算.

2.3.1 钢筋验算

依据混凝土结构设计规范［7］，梁顶板钢筋拉应力依据正截面受弯承载力验算，计算中不考虑受压区钢筋面积.

相对受压区高度为：

则桥面板抗弯承载力：

式中：fy钢筋抗拉计算强度；AS为受拉区钢筋面积；h0截面有效高度；M 弯矩设计值；fc混凝土轴心抗压强度；b 腹板宽度.

腹板外侧钢筋验算，按压弯构件计算：

腹板抗弯承载力：

式中：N 为轴向力计算值.

2.3.2 裂缝验算

横向计算时，不考虑预应力钢筋作用，按照《铁路桥涵混凝土结构设计规范》［6］中6.2.7 条要求计算桥面板下缘最大裂缝宽度.

顶板纵向受拉钢筋应力：

腹板纵向受拉钢筋应力：

式中：N 为准永久组合轴向力计算值；Ms为准永久组合弯矩值；e 为准永久组合轴向力计算值；Ms为准永久组合弯矩值.

式中：wf为裂缝宽度；k1为钢筋形状表面影响系数，取0.72；uz受拉钢筋有效配筋率；M 为全部计算荷载下组合弯矩值；M1为活载作用下弯矩值；M2为恒载作用下弯矩值.

2.3.3桥面板局部承压计算

（1）跨中截面验算

运梁车接地尺寸为500 mm（纵向）×700 mm（横向），因为桥面板最厚为360 mm＜1000 mm，则取β=1.0.

（2）中支腿端部截面验算

中支腿接地尺寸为1600 mm（纵向）×800 mm（横向），因为桥面板最厚为670 mm＜1000 mm，则取β=1.0.

2.3.4验算结果

对运架梁过程中各工况箱梁横桥向受力分析可知，跨中截面顶板厚度最薄，仅为350 mm，跨中截面受运梁车车轮荷载作用.工况三架桥机中支腿作用处的梁端截面所受架桥机集中荷载最高，因此梁跨中与端部截面横向受力最不利.图9 过孔状态跨中截面弯矩图.图10 架桥工况三中支腿作用端部截面弯矩图.从图中可以看出梁截面最大弯矩值出现在顶板与腹板交接处，依据混凝土规范和不利工况横截面内力图得到横向受力验算结果如表4、表5 所示，从表中可以看出两种不利工况下钢筋验算与裂缝验算均满足设计要求.