基于有限元的高速铁路连续箱梁整孔现浇施工方案设计与计算

李京跃，许家豪

（中国建筑土木建设有限公司，北京 100070）

0 引言

连续梁因其良好的适应性和灵活性，在高速铁路下穿公路、水域等构筑物时得到广泛的应用[1]。连续梁整孔现浇技术也随之迅速发展，传统的满堂支架因其地基处理工作量大，适用性窄，许多学者和工程师对其进行了优化和改进[2-4]。组合支架作为一种新的支架搭设形式，上可适应各种桥跨结构，下可适用各类地质条件，在满足通行的条件下大大提高了施工进度[5]。由于组合支架受力性能和变形区别于其他各类支架，因此充分认识其受力和变形规律具有重要意义。

通过某连续梁现浇工程中支架搭设方案比选，将支架施工的优缺点与现场实际情况相结合，确定组合支架法施工方案，采用有限元软件进行受力验算，保证强度、刚度、稳定性满足要求。

1 工程概况

郑济高速铁路某标段有座跨规划省道连续梁桥，其结构形式为60m+100m+60m无砟轨道预应力钢筋混凝土双线连续梁桥，采用单箱单室变高度斜腹板结构。箱梁顶宽为12.6m，底宽6.7m，顶板厚0.385m；腹板厚0.6~1.0m，按折线变化。底板在箱梁梁体主墩墩顶根部厚1.2m变至跨中厚0.48m。箱梁两侧腹板与顶底板相交处外侧均采用直线倒角连接过渡。连续梁梁高由主墩位置的7.835m渐变至跨中位置的4.835m，采用C40混凝土现浇施工。

2 施工方案设计

2.1 施工方案比选

现有的连续梁整孔现浇施工方案主要有以下三种：满堂支架、梁式支架和组合支架。

各方案的优缺点如表1所示。本桥梁下地基地质较差，梁体高度较高，上部结构荷载过大。满堂支架法现浇方案极易导致单根立杆荷载大，加之地基承载力低，搭设满堂支架前需大量的地基处理工作，施工周期长，且满堂支架方案因受天气影响因素较大，不适用于本工程。

表1 支架施工方案

本工程桥梁梁体底部为弧线，直接使用梁式支架不便设置底膜系统。

现浇方案虽然耗费成本较高，施工方考虑到现有的钢管柱数量较多，可重复利用，因此确定本工程现浇连续梁方案为钢管柱+贝雷梁+分配梁+碗扣支架。在进行适当的地基处理之后，浇筑条形基础作为钢管柱的基础，搭设钢管柱与贝雷梁支架体系，在分配梁上铺设碗扣式满堂支架。中跨支架搭设如图1所示。

图1 贝雷梁搭设图

贝雷梁支架下共设置9排钢管立柱，每排设置5根钢管立柱。立柱基础采用钢筋混凝土条形基础。钢管立柱跨距依次为9m，12m，12m，15m，12m，12m，12m，9m。钢管立柱直径为630mm，壁厚为10mm。钢管柱之间设I10工字钢作为平联，设[10槽钢作为斜撑形成整体，增强其稳定性。钢管立柱顶横梁采用HW458×417×30×50型钢梁。加固贝雷片为“321”型标准贝雷片，纵向共3m×34片=102米，横向以225mm，450mm，900mm三种间距布设。贝雷架上部布置I16型钢作为分配梁。分配梁上碗扣支架立杆横向腹板处间距为225mm，翼缘板处为900mm,顶底板处间距为450mm，纵向间距为0.5m。在边墩处翼缘板由两排贝雷梁悬臂端受力，顶底板及腹板由墩柱受力。

2.2 施工方法及工艺

基于现有的现浇组合式贝雷梁施工技术成果并结合现场实际情况，组合支架法现浇连续梁施工工艺流程为：施工前准备→地基处理→基础浇筑→钢管立柱安装→钢管柱横向连接系、卸荷块安装→主横梁、贝雷梁、分配梁及碗扣式满堂支架安装→模板体系安装→支架堆载预压→混凝土浇筑与养护→支架拆除。

（1）支架体系安装。安装时严格控制管桩的垂直度，尤其是法兰对接处，必须用小钢板抄垫密实，连接系、附墙随着每节管柱同步安装。管柱安装后要求单节管柱垂直度不大于H/500，且不大于10mm，全高垂直度偏差不大于20mm。钢管立柱安装后逐个复测顶面高程，根据实测高程确定砂箱抄垫高度。砂箱底面与管桩顶焊接固定，顶面必须调整水平，且同一排砂箱的顶面标高必须严格一致。贝雷梁在地面拼装成组后起吊安装。底模系统安装时需根据支架预压报告设置预拱度。

（2）支架预压布置。通过对支架的堆载预压，测取支架系统的非弹性变形、弹性变形，为梁体模板系统设置预拱提供依据。并起到验证支架受力性能的作用，预压过程中发现支架变形达到预警值应立即停止，查明原因并处理后方可继续施工。

3 连续梁支架结构计算

3.1 参数选取

根据既有资料，采用钢结构Q235和贝雷梁进行建模分析。钢结构的形式采用提供的钢结构型号。

（1）Q235钢：E=2.06×105MPa，σ=215MPa，σv=125MPa；

（2）挠度容许值：L/400mm。

（3）钢筋混凝土重度：γ=26kN/m；

（4）模板荷载：1kN/m2；支架体系最大荷载：1.5kN/m2；

（5）施工人员、施工机具及其它荷载：1kN/m2；

（6）振捣混凝土产生的荷载：2.0kN/m2；

（7）浇筑混凝土时产生的冲击荷载：2.0kN/m2；

（8）恒载系数取1.2，活载系数取1.4；

由于连续梁沿桥梁纵向为变截面，根据设计图中给出的截面尺寸及梁体重量，按条分法计算出0#块到14#块翼缘、腹板、顶底板处的均布荷载。

3.2 有限元模型建立

为简化计算，将碗扣式支架处的荷载以线荷载的形式按截面分别加载到分配梁上，钢管柱底部采用一般约束。用有限元软件Midas建立钢管柱与横梁、贝雷梁、分配梁的三维数值模型进行仿真分析，模型中杆件均采用梁单元模拟。其中，钢结构立柱与基础进行强连接，采用刚接形式。立柱与横梁、横梁与贝雷梁、贝雷梁与分配梁采用铰接形式。三维有限元模型计算模型见图2，模型共计16348个节点，24242个单元。

图2 三维模型图

3.3 计算结果

经有限元模型计算，最大组合应力发生在腹板下贝雷梁0号块，为226.3Mpa＜273Mpa满足要求，杆件最大位移发生在分配梁跨中位置上，为21.2mm＜允许值31.5mm，满足要求。杆件最大剪应力发生在钢管立柱上方的贝雷梁腹杆处，为99.4Mpa＜125Mpa满足要求。其余杆件计算结果如表2所示。

表3 各杆件计算结果表

由表2可知，支架体系各构件应力及变形均满足规范要求。

3.4 立柱稳定性计算

如图3所示，计算得标准组合下钢管立柱最大竖向反力为2448.0kN。

图3 立柱反力图

钢管墩采用Φ630mm、壁厚10mm螺旋管。

杆件一端固定、一端铰接，长度因数μ=0.7，杆件长度按10.0m进行计算。

竖杆计算长度，l0=μl=0.7×10.0=7.0m

钢管为焊接，根据《钢结构设计规范》附录C，钢管按b类构件考虑，查表得轴心受压构件稳定系数=0.929

由《钢规》（GB50017-2017）5.1.2条得：

3.5 立柱基础检算

如图4所示，基础尺寸为14.6m×3.65m×1.0m。通过迈达斯civil模型计算得出基本组合下钢管柱的基底反力为2448kN/m。

图4 基础平面图

如图4所示，将圆形钢管柱等效为正方形（按0.8d考虑），再使用理正结构计算软件对条形基础进行验算，计算结果总结如下：

（1）地基承载力：

（2）底板下部X向配筋：φ25@120（4091mm2/m，0.455%）≧Asx=3965mm2/m满足要求。

（3）底板下部Y向配筋：φ18@180（1414mm2/m，0.157%）≧Asy=1350mm2/m满足要求。

（4）按破坏锥体单侧计算，底板抗冲切满足。

（5）按破坏锥体整体计算，底板抗冲切满足。

4 结语

（1）本支架立柱上方与腹板处的贝雷梁节点受力较大，需进行局部加强，和立柱直接相接的贝雷梁腹杆采用两根I8进行加强，腹板处贝雷梁竖杆采用两根I8进行加强，下弦杆采用4I10a进行加强。由于边侧腹杆剪力较大，采用加强腹杆的基础上增设一根竖向支撑。

（2）通过Midas civil与理正深基坑软件验算可知，组合支架受力满足要求，条形基础承载以及下卧层承载力均满足要求，该方案在技术上可行。