高速铁路48 m节段胶拼简支梁桥设计

2022-07-05赵成龙

资源信息与工程 2022年3期

赵成龙

(中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000)

0 引言

节段预制拼装就是将桥梁的梁体沿纵向划分为节段，在工厂预制后运输至桥位进行桥位组拼，并施加预应力使之成为整体结构物的一种桥梁建造方法[1]。桥梁节段预制拼装施工工艺具有施工速度快、节段重量轻、厂制混凝土质量容易控制、适合体外预应力等优点，满足高速铁路对线路的平顺度高标准要求。

近年来，我国相关学者对该类型结构桥梁进行了许多应用和研究。闫泽宇使用有限元软件 ABAQUS 分析了节段预制拼装 UHPC梁胶接缝受力行为，分析结果与试验结果吻合良好[2]；杨胜等人以郑州市四环线及大河路快速化工程为实际工程背景，对箱梁在不同施工阶段的线形控制原理进行研究，得到了箱梁在预制阶段的坐标转换公式，同时对预制阶段的预制误差及线形纠偏做了说明[3]；钟永新等人结合实际桥梁节段梁预制拼装案例，建立全桥有限元模型和节段梁模型，分析节段梁在存梁期收缩、徐变的不同模拟方式并进行对比，给出实际条件下存梁对节段梁应变的影响，分析节段梁拼装期间预应力等参数的影响模式，最终提出混凝土节段梁过程控制模拟建议[4]。

由上述研究成果可知：目前对于简支梁阶段架设的研究已经取得了很好的进展，但是在胶拼简支梁的有限元分析和简支梁整体悬吊吊装施工过程中，吊杆拆除和预应力张拉工序的研究较少，对于该方向展开深入的研究具有重要的意义。本文主要运用MIDAS/Civil有限元软件对48 m预应力混凝土简支箱梁结构设计进行分析以及对预应力张拉及松吊挂匹配技术进行研究。

1 工程概况

盐通铁路通张段工程长江大桥南引桥由于紧邻长江且为空心高墩上架设，平均墩高在50 m以上，大风等恶劣天气较多，因此不具备桥下作业条件，无法采用支架施工，且墩高较高的情况下受制于架设设备和结构跨度等因素采用32 m的简支梁并不经济，故采用48 m节段预制胶接拼装简支箱梁。梁体采用单箱、单室等高度预应力混凝土简支箱梁，主梁采用C60混凝土。梁顶宽12.2 m，底宽6.2m，梁高4.0 m，轨底至梁顶高度为0.71 m。跨中截面顶板厚32 cm，底板厚35 cm，腹板厚50 cm。在支点附近根据预应力布置和计算情况对顶底板及腹板适当加厚。

2 设计分析

2.1 预制梁段划分

简支箱梁计算跨度46.9 m，梁长根据支座吨位、预应力张拉千斤顶要求的工作空间及造桥机构造要求确定为49.1 m(单侧梁缝5 cm)。箱梁预制段长度，一方面梁段重量控制在2 000 kN以内从而减少梁段的种类，另一方面每跨箱梁采用奇数分块，避免跨中需要设置接缝的情况，对称布置，因此48 m简支箱梁预制梁段长度分4.8、4.3和3.4 m三种，共11段，10个接缝。

2.2 预应力体系及钢束布置

箱梁只设置纵向预应力。箱梁腹、底板均采用15-7Φ5钢绞线，其抗拉强度标准值fpk均为1 860 MPa。48 m简支梁预应力横向布置图如图1所示。

图1 跨中/支点预应力横向布置图

2.3 箱梁结构静力分析计算

2.3.1 计算理论

48 m简支箱梁采用MIDAS/Civil有限元软件模拟分析，纵向按照全预应力理论设计。施工阶段分为梁段吊装、永久预应力张拉、二期恒载铺装、10年收缩徐变4个阶段。48 m简支梁结构以及预应力布置MIDAS/Civil有限元模型如图2所示。梁部结构采用平面梁单元模拟，图2给出了预应力钢束的布置形状。

图2 48 m简支梁及预应力钢束有限元模型

2.3.2 荷载组合

根据规范两种荷载组合进行结构验算[5]，具体如下：

主力组合：结构自重+预应力+混凝土收缩徐变+二期恒载。

主力+附加力组合：结构自重+预应力+混凝土收缩徐变+活载+温度梯度[6]。

2.3.3 主要检算结果

在主力和主力+附加力两种工况下迈达斯有限元模型分析结果如表1所示。该桥使用C60混凝土，根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)6.4.13规定，混凝土最大拉应力应小于0.7fct=0.7×3.5 MPa=2.45 MPa，最大压应力不得超过0.75fc=0.75×40 MPa=30 MPa。由表1可知，梁体应力均满足规范要求。

表1 48 m节段拼装简支梁两种荷载工况应力汇总表单位：MPa

3 永久预应力张拉及松吊挂匹配技术研究

3.1 研究概况

节段预制拼装桥梁施工过程中，拆除吊杆前若张拉预应力过少，拆除吊杆后会产生安全事故；若张拉预应力过多，由于架桥机刚度相对于梁较小，张拉梁体预应力后梁体上拱量较架桥机小，导致张拉预应力后吊杆力不能全部卸载，可能造成梁体上缘开裂，对桥梁的后期正常使用和耐久性造成影响；悬吊过程中吊杆和预应力共同作用，使得梁体受力复杂，吊杆的拆除时机以及预应力张拉的工序对于桥梁整体受力和成桥线形影响很大，因此针对48 m节段拼装简支梁永久预应力张拉量及松吊挂匹配技术进行了研究，提出了如下两个控制准则[7]：

准则一：未拆吊杆情况下梁体截面上缘应力控制原则。考虑自重完全由吊杆承担，不考虑张拉预应力时梁体上拱引起的架桥机卸载部分自重由预应力承担的影响。此工况下，只考虑预应力对梁体引起的应力，根据预应力束的张拉顺序依次逐束张拉，只在预应力钢绞线作用下简支梁上缘拉应力满足上述规范要求的原则确定预应力钢束的张拉量。在考虑梁体上拱引起部分自重由梁体预应力承担后上缘拉应力不会超过不考虑自重的应力，结构上缘处于安全范围内。此准则用于确定拆除吊杆前的最大预应力束张拉量。

准则二：拆除吊杆后结构安全性原则。根据预应力的张拉顺序依次张拉，不考虑吊杆的支撑作用，简支梁在自重和预应力共同作用下截面强度满足规范要求且下缘不出现拉应力。此准则用于确定拆除吊杆前的最小预应力束张拉量。

3.2 简化计算分析方法

3.2.1 有效预应力计算分析

根据规范扣除预应力损失后可以分析仅考虑预应力的情况下，每束预应力引起的简支梁上缘应力σ上和下缘应力σ下。

3.2.2 自重作用下上下缘应力分析[8]

将简支梁自重除以桥梁跨径近似换算为跨度上的均布荷载，48 m简支梁自重均布荷载g=321.26 kN/m，则梁体自重产生的跨中弯矩M自重=92 522.01 kN·m。

根据材料力学正应力计算公式，由自重产生的上下缘应力分别为σ上=6 072.979 kPa、σ下=-9 568.95 kPa(“-”代表下缘受拉)。

3.2.3 准则一自重效应分析

由于在张拉预应力过程中，桥梁的自重是由架桥机吊杆和张拉预应力钢绞线共同承担，因此在估算准则一中预应力对跨中截面产生的上下缘应力时，还需要考虑在张拉预应力时，简支梁上拱产生的自重效应。通过张拉预应力时桥梁跨中上拱量与架桥机的挠度的比值，来考虑简支梁自重的一部分由预应力承担，按照公式(1)计算[8]：

(1)

式中：ξ为梁体上拱引起的预应力钢束承担的自重百分比；y1为自重引起的架桥机跨中竖向挠度，mm；y2为拆除吊杆前张拉的预应力束引起的简支梁跨中上拱量，mm。

3.2.4 预应力引起的简支梁跨中上拱量y2计算方法

为计算预应力引起的梁体上拱量y2，可将预应力作用等效为简支梁上均布荷载qy，预应力等效均布荷载按照(2)式计算：

(2)

式中：qy为预应力的等效均布荷载，kN/m；Nk为预应力控制轴力，kN；f为预应力钢束在简支梁跨中的垂度，m；l为简支梁跨径，m。

预应力引起的简支梁跨中上拱量y2由式(3)计算：

(3)

式中：EI为简支梁的刚度，N/m。

3.2.5 梁体上拱引起的预应力钢束承担的自重百分比分析

在全部梁体自重作用下架桥机跨中挠度y1由有限元软件分析得到，架桥机在吊装节段过程中跨中挠度为y1=92.79 mm(↓)，计算简支梁张拉N4～N6’每根预应力过程中累计上挠度y1=26.86 mm(↑)，计算出张拉预应力简支梁上拱后预应力承担自重的百分比为ξ=28%。也可以计算出每一束预应力引起的梁体上拱值，按照上述计算过程计算需要考虑的自重百分比。

3.2.6 理论计算结果分析

根据计算结果，选用累计张拉到N8、N8′，N5、N5′，N6、N6′三种预应力张拉方案均满足规范要求。因为累计张拉到N6、N6’预应力可以刚好完全张拉完简支梁所有的腹板预应力，施工简单方便，故简化计算分析中三种预应力张拉方案选用累计张拉到N6、N6′预应力拆除吊杆最合适。

3.2.7 有限元验证

通过建立有限元对简化的计算方法进行验证，有限元模型包含1 071个节点，2 490个单元。整体有限元模型如图3所示。