40 m铁路简支箱梁运架过程支承梁体安全性分析

2022-01-06姚君芳

高速铁路技术 2021年6期

姚君芳

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

为满足高速列车对线路平顺性、稳定性要求和建设质量、工期要求，我国高速铁路建设形成了标准梁工厂化预制、机械化安装的建造模式[1]。采用以32 m跨度为主的双线整体箱梁，形成了常用跨度900 t级简支箱梁建造模式[2]。采用运架设备架设整孔预制箱梁可缩短建设周期、降低施工成本、提高桥梁质量等，是高速铁路混凝土箱梁施工首选模式[3]。但随着跨越河流、沟谷的高墩桥梁以及软基沉陷地区的深基础桥梁越来越多，下部结构造价在桥梁建设费用中的比重也逐渐增大。实现跨度40 m预应力简支梁的规模化应用，并采用沿线集中预制、运梁车运梁、架桥机架设的施工模式具有重要经济意义。

40 m预制简支梁可满足更高速度、更大跨越能力以及高墩条件下高速铁路标准梁桥建造需求，且相对于32 m预制简支梁，40 m梁可减少施工作业班次、提高生产效率[4]。新建郑州至济南铁路郑州至濮阳段设计速度为350 km/h，采用40 m预制铁路简支箱梁，是我国大跨度(40 m)铁路简支箱梁建造技术在国内的首批工程化应用[5]。40 m铁路简支箱梁架设采用JQS1000型架桥机及配套YLS1000型运梁车架设，该运架设备能方便架设首末跨、曲线梁和变跨梁。其成套技术2016年5月开始研发，2018年9月在郑济线黄河特大桥实现40 m箱梁首架，2020年6月完成全线344片40 m箱梁架设，架设平均效率约为3～3.5 h/片。

40 m铁路简支箱梁梁重约 9 500 kN，运梁车自重约 4 750 kN，架桥机自重约 6 600 kN，其梁体及运架设备重量较32 m铁路简支梁均有大幅增加，因此运架过程支承梁体的安全性亟待研究。

架桥设备与桥梁结构密切相关，需对作用于桥梁结构的运架荷载进行全面检算[6]。针对架桥机施工安全问题，徐格宁[7]等通过分析架桥机架梁流程的整个工作周期，提取架桥机在整个工作周期中的两个危险工况，分别采用结构分析理论与有限元分析软件进行静态分析，得出新型运架一体式架桥机金属结构主梁的合理设计。李方柯[8]等针对昆仑号千吨级架桥机的各种工况，建立了相应的桥梁整体和局部有限元计算模型进行分析，研究架桥机对高铁简支箱梁的适应性。上述研究成果，对架桥机主梁及高速铁路简支箱梁进行了研究，尚不能判别更多种类支承梁体的安全性。

在40 m铁路简支箱梁运架过程中，运架能否安全通过(40+64+40) m混凝土连续梁，是推广应用 40 m标准梁需解决的重要问题。为确保40 m铁路简支箱梁运架过程中混凝土连续支承梁体(40+64+40) m的安全性，有必要对(40+64+40) m连续梁梁体安全性进行详细的计算分析。

1 40 m铁路简支箱梁运架过程工作原理

JQS1000型架桥机为无导梁型式，采用单跨架梁模式，小车与运梁车上的驮梁台车同步拖拉取梁，步履式走行过孔主要由前辅助支腿、前支腿、机臂、中支腿、起重小车、后支腿、电气系统、液压系统等组成，架桥机结构如图1所示，40 m箱梁架设流程如图2所示。

图1 JQS1000型架桥机结构图

图2 JQS1000型架桥机架设40 m等跨箱梁架设流程图

支承梁体(40+64+40) m连续梁(通桥(2017)2368A-Ⅲ)，梁体为单箱单室、变高度、变截面箱梁，中支点梁高6.035 m，边支点梁高3.035 m，梁底下缘按二次抛物线变化，边支座中心线至梁端0.75 m。底板、腹板、顶板局部向内侧加厚，均按直线线性变化。全联在端支点、中支点处设横隔板，横隔板设有孔洞，供检查人员通过。(40+64+40) m连续梁构造如图3所示。由于(40+64+40) m通用图设计中仅考虑了32 m及以下跨度铁路简支箱梁架设工况，并未考虑40 m铁路简支箱梁利用JQS1000型架桥机及配套YLS1000型运梁车架设工况。为确保40 m铁路简支箱梁运架过程的安全性，需对运架过程中(40+64+40) m连续梁整体和局部应力进行详细的计算分析。

图3 连续梁立面图及梁端、中支点断面图(mm)

根据40 m箱梁运架流程，40 m铁路简支箱梁运架过程中主要有以下几个控制工况：

(1)工况Ⅰ：运梁车偏载

YLS1000型运梁车驮运40 m后张法预应力混凝土双线简支箱梁荷载如图4所示。考虑到实际施工误差，运梁车横向最大偏心按500 mm考虑，如图5所示。运梁车荷载如表1所示。

图4 YLS1000运梁车运40 m梁荷载图(mm)

图5 运梁车横向偏载500 mm断面图(mm)

表1 运梁车荷载表(kN)

(2)工况Ⅱ：首孔中支腿荷载最大

架桥机后起重小车取梁,运梁车返回梁场，荷载工况如图6所示，架桥机荷载如表2所示。

表2 架桥机荷载表

图6 首孔中支腿荷载最大工况图(mm)

(3)工况Ⅲ：末孔梁前辅助支腿荷载最大

前辅助、中、后支腿支撑，前支腿纵移40.7 m站位墩台，荷载工况如图7所示，架桥机荷载如表3所示。

图7 末孔梁前辅助支腿荷载最大工况图

表3 架桥机荷载表

(4)工况Ⅳ：后支腿荷载最大

后支腿下翻，支撑在钢轨上。前支腿拉杆和梁片吊孔锚固，起重小车运行到架桥机尾部，前辅助支腿后退4.6 m(插靠前位置的孔)并离地，中支腿离地，准备整机纵移，荷载工况如图8所示，架桥机荷载如表4所示。

图8 后支腿荷载最大工况图(mm)

表4 架桥机荷载表

2 整体计算分析

整体计算采用钢筋混凝土及预应力混凝土桥程序PRBP。(40+60+40) m连续梁全桥离散为84个单元，85个节点，如图9所示。

图9 (40+60+40) m连续梁PRBP单元划分图

在整体计算中，运梁阶段和架梁阶段的荷载动力系数取1.0；运架梁须在相当于20 kN/m的压重荷载下进行。假定运架梁时实际发生的支座不均匀沉降小于10 mm，施工荷载的检算按先架后铺的方式，按梁体终张拉完成后检算，抗裂安全系数大于1.1，强度安全系数大于1.8。整体计算结果如表5所示。

表5 (40+60+40) m连续梁整体计算结果表

从表5可以看出，4种主要工况下，主梁检算的各项指标均满足TB 10092-2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》的规定。

3 局部计算分析

局部计算采用MIDAS FEA建立实体模型，如图10所示。

图10 局部模型单元划分图

(1)工况Ⅰ：运梁车偏载

考虑运梁车横桥向偏载500 mm。梁自重和运梁车作用下顶板顶最大主拉应力1.76 MPa，顶板底最大主拉应力约为 2.10 MPa，小于容许值2.79 MPa，满足规范要求。

梁自重和运梁车作用下最大主压应力-11.1 MPa，出现在集中力作用点，小于容许值-16.8 MPa，满足规范要求。

(2)工况Ⅱ：首孔中支腿荷载最大

梁端集中力最大的情况，出现于首孔中支腿荷载最大工况。jz1=5 420 kN，jz2=5 720 kN。jz1、jz2顺桥向距离梁端 1 550 mm。支垫钢板尺寸按660 mm(顺桥向)×1 000 mm(横桥向)考虑。

最大主拉应力超出了规范容许值，位于端横隔板与腹板、底板相交处及下倒角处，超限范围约为660 mm，极值为3.99 MPa，支座处混凝土最大主压应力为-23.9 MPa，规范容许值为-16.8 MPa，支座处考虑1.5倍放大系数，容许值为-25.2 MPa，满足规范要求。

如将架桥机中支腿铰点jz1、jz2中心距放大至 6 000 mm，并扩大单个支撑点面积至680 mm(顺桥向)×1 250 mm(横桥向)，超出规范容许值的应力最大值为2.813 MPa，为倒角处局部区域，范围在150 mm以内，未进入腹板、底板部位，因此认为中支腿调整中心距后可实施。

(3)工况Ⅲ：末孔梁前辅助支腿荷载最大

选取末孔梁前辅助支腿荷载最大工况进行检算，该工况中，前辅助支腿直接作用于顶板，对顶板不利。

JQS1000型架桥机及配套YLS1000型运梁车运架时，原设计前辅助支腿jqf2=1 050 kN，作用于距离梁端 6 100 mm处。支腿下方垫800 mm(纵向)×1 300 mm(横向)钢板，假定力均匀分配到钢板上，得出最大主拉应力为 4.94 MPa，位于顶板底，不满足规范要求。最大主压应力-7.15 MPa，规范容许值为 -16.8 MPa，满足规范要求。

由于主拉应力超限较多，建议在前辅助支腿下部增设下横梁，将荷载分配至至箱梁腹板上。横梁尺寸为410 mm(纵向)×6 000 mm(横向)×550 mm(竖向)。横梁设两个支点，力通过支点传至腹板，支点处钢板尺寸为800 mm(纵向)×800 mm(横向)。分配后主拉应力最大值为1.03 MPa，满足规范要求。