非对称混合梁转体桥设计研究
2022-03-01金明
金 明
(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)
桥梁转体施工是一种将桥梁结构在非设计桥位施工(现浇或节段拼装)成形后,再通过转体系统牵引至设计桥位的施工方法。转体施工可以将在障碍上方的施工作业转变为在障碍旁边的地面或近地面施工作业。由于转体施工具有缩短施工工期,降低施工风险,且不影响桥下行车的特点,因此在跨越既有铁路线工程中有着非常广泛的应用。
混合梁斜拉桥的主梁由钢梁和混凝土梁结合而成,主跨钢梁自重较轻,可以提升主跨的跨越能力,边跨混凝土梁自重较大,可以起到压重的作用,同时增大桥梁的整体刚度。因此与一般的斜拉桥相比,混合梁斜拉桥主跨与边跨的跨径比和主跨的跨越能力均要大。
文章依托四平市紫气大路立交桥,该桥位于四平市中心城区,主跨需跨越四平编组站和京哈铁路共15 条铁路线,若采用钢箱梁斜拉桥或混凝土梁斜拉桥方案,则边跨的跨度均较大,周边场地无法满足支架施工和转体过程中的占地要求。为减小边跨的跨度,该桥采用了国内并不常见的非对称混合梁转体桥方案。
1 工程概况
紫气桥为非对称混合梁转体斜拉桥,独塔单索面结构,塔-梁-墩全固结体系,转体系统设置于上下承台之间。紫气桥跨径布置为165 m(主跨)+90 m(边跨),其中主跨钢箱梁长153.5 m,主跨和边跨混凝土梁长101.5 m。钢-混结合段设置于主跨侧距主塔中心11.5 m 处。转体结构主梁长为145 m(主跨侧)+ 78 m(边跨侧),转体结构总重23500t。桥梁结构布置如图1 所示。
图1 桥梁结构布置立面图
紫气桥钢-混结合段采用后承压板有格室结构,结合段由3 m 长钢箱梁过渡加强段和2.25 m 长钢-混剪力连接段组成。为保证传力连续性,钢箱梁过渡加强段采用变高度T 型加劲肋加焊在U 型加劲肋上的方式进行刚度过渡。钢- 混剪力连接段除在顶底钢板、后承压板、格室钢板上布置焊钉连接件外,还在格室钢板上设置了PBL 开孔板连接件。混凝土梁部分纵向预应力钢束锚固在后承压板上,后承压板厚40 mm。
2 全桥有限元模型的建立
全桥杆系模型采用Midas Civil 通用空间有限元软件建立,紫气桥主梁为闭口箱型截面,抗扭刚度较大,因此主梁采用单梁法进行模拟,把主梁平动质量、转动惯量和截面竖向和横向抗弯刚度、扭转刚度都集中在位于梁中间的节点上。全桥杆系有限元模型如图2 所示。
图2 全桥杆系有限元模型
3 全桥设计分析
为便于内力及应力的统计分析,选取钢-混结合的钢梁侧截面(距后承压板6 m 位置),后承压板位置截面以及混凝土梁侧截面(距后承压板5 m 位置)为代表性截面。这3 个截面在转体阶段、成桥阶段、成桥十年阶段截面的内力及应力分别如表1、表2、表3 所示。
表1 转体阶段钢-混结合段关键截面内力及应力
表2 成桥阶段钢-混结合段关键截面内力及应力
表3 成桥十年阶段钢-混结合段关键截面内力及应力
由于后承压板位置处锚固有大量混凝土梁预应力钢束,在钢束预应力的作用下,在后承压板位置处主梁轴力、弯矩均有明显突变。转体阶段斜拉水平分力作用产生的轴力占承压板处截面总轴力的45.3%,钢束预应力作用产生的轴力占截面总轴力的54.7%。
与转体阶段相比,成桥阶段在后承压板位置处张拉了成桥底板束和腹板束,同时挂设了合龙段斜拉索,后承压板位置处主梁轴力明显增大。
本桥为塔-梁-墩全固结体系,并且钢-混结合段位置靠近主塔,因此钢-混结合段在自重和活载作用下存在较大负弯矩,设计时需通过预应力钢束布置和斜拉索索力调整保证钢-混结合段在各阶段弯矩均较小。成桥阶段钢束预应力作用产生的轴力占截面总轴力的73.2%,钢束预应力作用产生的轴力在钢-混结合段轴力中占比更大,钢束预应力不仅让后承压板与结合段混凝土梁的紧密接触,同时保证了结合段混凝土梁始终处于受压状态。
与成桥阶段相比,成桥十年阶段在后承压板位置,混凝土梁侧轴力变化值为4133 kN,弯矩变化值为-14276 kN·m;钢梁侧轴力变化值为1467 kN,弯矩变化值为-9050 kN·m。可见钢-混结合段轴力受混凝土徐变影响较小,弯矩受混凝土徐变影响较大。由于混凝土徐变的作用,混合梁斜拉桥的内力发生明显重分布,在设计时应充分考虑混凝土徐变对结合段受力的影响。
4 钢-混结合段有限元模型的建立
钢-混结合段局部实体模型采用ABAQUS 通用有限元软件建立,模型混凝土梁侧端部采用固结约束,钢箱梁侧端部施加杆系模型中提取的成桥节段内力。模型采用实体单元模拟结合段混凝土梁;采用壳单元模拟钢箱梁、后承压板、格室钢板;采用桁架单元模拟预应力钢束。钢-混结合段实体模型如图4 所示。
图4 钢-混结合段实体模型
5 钢-混结合段设计研究
为便于统计分析,选取钢-混结合段后承压板位置处钢箱梁截面和钢-混结合段格室末端处混凝土梁截面为代表性截面,成桥阶段这2 个截面纵桥向应力计算值分别如图5、图6 所示。
图5 成桥阶段钢箱梁顶底板纵桥向应力计算值
图6 成桥阶段混凝土梁顶底板纵桥向应力计算值
由图可见,钢箱梁顶板中部范围的应力要明显大于两侧应力,而底板应力分布更为均匀。这是由于紫气桥为单索面双排索结构,临近钢-混结合段在中腹板上部锚固有一对斜拉索,因此顶板应力分布受斜拉索影响较大,而底板应力分布受斜拉索影响较小。
由图可见,混凝土梁应力在腹板位置较大,在远离腹板位置较小,这是由于后承压板位置处锚固有大量预应力钢束,且在腹板位置处钢束更为密集,剪力滞效应明显。
钢-混结合段后承压板位置处钢箱梁截面和钢-混结合段格室末端处混凝土梁截面应力实体模型计算值与杆系模型计算值相差不大,说明钢-混结合段应力过渡良好。同时钢箱梁顶板中部区域受斜拉索作用,混凝土梁腹板区域受钢束作用,实体模型应力计算值大于杆系模型计算值,因此在钢-混结合段设计时建议建立局部实体模型进行更为深入地分析。
6 结论
本文依托某非对称混合梁转体斜拉桥,建立了全桥杆系模型和钢-混结合段实体模型进行受力分析,为类似工程的设计提供参考。
(1)钢-混结合段设计时需通过预应力钢束布置和斜拉索索力调整保证钢-混结合段在各阶段弯矩均较小。
(2)预应力钢束作用产生的轴力在钢-混结合段轴力中占比更大,钢束预应力不仅让后承压板与结合段混凝土梁的紧密接触,同时保证了结合段混凝土梁始终处于受压状态。
(3)钢-混结合段轴力受混凝土徐变影响较小,弯矩受混凝土徐变影响较大,在设计时应充分考虑混凝土徐变对结合段受力的影响。
(4)斜拉索水平分力和钢束预应力的作用下,钢-混结合段局部位置应力较为集中,在采用杆系模型建模分析时应留有更大的安全度,或建立钢-混结合段局部实体模型进行更为深入地分析。