银西高铁小边跨连续梁大节段现浇设计研究

刘先争

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710000)

0 引言

连续梁由于支点负弯矩的卸载作用，跨中正弯矩显著减少，在力学性能上优于简支梁，其具有结构刚度大、桥面变形小、动力性能好、变形曲线平顺、有利于高速行车等突出优点[1]。但边中跨比值对连续梁受力影响较大，边中跨比的选取是否合理是连续梁设计成功的关键。为了减小连续梁第一跨跨中弯矩和支座处负弯矩，以及考虑到施工、构造或减小受力等因素，连续梁边跨通常小于中跨，根据以往经验，等截面连续梁边中跨比值一般在0.5～1.0之间，变截面连续梁边中跨比值一般在0.5～0.8之间[2]。

变截面连续箱梁一般采用“T”形对称悬臂施工边、中跨主梁。悬臂施工具有施工过程不受桥下通车、通航的限制，也不受下面所跨河流、山谷地形限制，可以减少施工设备，减少所使用的模板数量且能高效利用，实现机械化和循环重复作业，施工工艺和工程质量能够得到保障等优点，因此悬臂施工在变截面连续箱梁施工中被广泛采用[3-7]。

边中跨比取0.6～0.65，有利于充分发挥悬臂施工特点，各跨受力亦比较均匀。受客观条件限制时，采用过小的边中跨比不仅影响结构受力、产生负反力，还因主梁边、中跨非对称布置，无法对称悬臂施工。不协调的边中跨比会造成悬臂施工困难、主跨下挠、应力不易控制、边跨梁端上翘及支座脱空等一系列问题。当桥梁受地形、路线、桥下构筑物等客观条件限制导致出现边中跨比不协调或结构不对称时，必须采取有效措施来克服由此带来的不利影响。

悬臂浇筑的节段分段长度一般为3 m～5 m，目的是使节段施工的重量变化均衡，有缓慢下降的趋势，不会出现陡变，而加大挂篮设计的难度[8]。但与此同时，由于悬臂浇筑长度受限，故节段数量较多，且每个节段为递进式，从而使得该工法施工周期较长，对于一些对施工工期有严格限制或者尽量缩短的项目无法满足业主要求。本文对银西高铁跨南岸河堤四线桥建立有限元模型，研究不同边中跨比和施工方法对梁受力的影响。

1 工程概况

银西高铁跨南岸河堤(51+110+51) m小边跨四线连续梁位于福银高速咸阳渭河公路桥上游85 m，以并桥方式跨越渭河，见图1。为统筹利用渭河桥位资源，2017年5月 阎机城际铁路首次提出与银西高铁并线共建渭河四线桥。渭河主河槽宽1 200 m，南河堤宽60 m，设计标准三百年一遇，北河堤宽20 m，设计标准百年一遇。为满足跨河堤、主桥墩与公路桥墩隔墩对孔布置及规避下游广播电视塔信号干扰等因素，主河槽采用17孔60 m钢管斜撑加劲四线简支梁，跨南岸河堤桥采用(51+110+51) m 小边跨四线连续梁。受桥位及桥式方案防洪评价前期论证影响，渭河四线桥2019年5月开工建设，2020年12月建成通车，线下有效施工工期仅8个月。传统的挂篮悬灌设计与施工，无法满足要求的工期，本桥采用四线分幅大节段支架现浇同步快速建造技术，有效解决了工期技术瓶颈难题。

银西高铁跨南岸河堤桥分左右两幅，银西铁路左右线位于中间，城际铁路左右线分别位于两侧，见图2。梁体采用单箱单室变高度直腹板箱形截面，箱梁顶宽11.3 m，底宽7.0 m，单侧悬臂长分别为 2.95 m和1.35 m。主墩墩顶6.0 m范围内梁高8.15 m，跨中及边跨梁高5.15 m，其余梁高按二次抛物线变化。箱梁腹板厚度由90 cm变至50 cm；底板厚由90 cm变至50 cm；顶板厚40 cm；梁体中墩顶根部加厚至80 cm(边墩顶根部加厚至125 cm)。

箱梁设计为纵、竖向预应力体系，纵向按全预应力构件设计，仅在中隔墙设置横向预应力钢束。箱梁纵向钢束：腹板束采用15Φ15.2 mm钢绞线，内径φ90 mm波纹管成孔；顶板T束均采用19Φ15.2 mm钢绞线，内径φ100 mm波纹管成孔；其余钢束均采用17Φ15.2 mm钢绞线，内径φ100 mm波纹管成孔。箱梁横隔墙钢束：采用4Φ15.2 mm钢绞线，配用BM15-4及BM15P-4型扁锚，采用内径70 mm×19 mm波纹管成孔。箱梁竖向预应力钢筋：采用PSB830直径32 mm精轧螺纹钢筋和JLM-32精轧螺纹锚，内径φ50 mm铁皮管成孔。箱梁每道腹板设置一根竖向预应力钢筋，顺桥向间距50 cm，见图3。

2 小边跨与常规边跨受力对比分析

连续梁主要承受恒载、活载、附加力和特殊荷载等作用，合理的边中跨比既要满足受力性能好，又要满足施工等的要求。中交二公院杨兴和武电坤以3跨等截面连续梁简化模型为基础，以边中跨比m为变量，建立方程，分析边中跨比对截面弯矩、支座反力的影响。得出以下结论：当主跨径不变时，在梁自重的作用下，随着边中跨比m增大，跨中弯矩M中先增大，当m=0.45时达到峰值，随后减小，墩顶弯矩M顶先减小，当m=0.45时达到低谷，随后增大，此时M中与M顶差值最小；边支点反力F边随着m增大而增大，当m>0.35时不出现负反力；中支点反力F中随着m增大先减小，当m=0.4时达到低谷，随后增大。变截面连续梁由于自重沿桥纵向变化，若以边中跨比m为变量，建立方程，分析边中跨比对截面弯矩、支座反力的影响，涉及变量较多，分析比较困难。

连续梁合理成桥状态优化方法较少[9-13]，斜拉桥合理成桥状态的优化方法发展比较成熟，可以参考借鉴，例如有零位移法、应力平衡法、刚性支承连续梁法、弯曲能量最小法、弯矩平方和最小法、影响矩阵法、用索量最小法、一阶分析法、序列二次规划法、凝聚函数法等[14]。湖南大学刘勇等在相关合理成桥状态优化方法的基础上，选取最小单位弯曲变形能力作为边跨与中跨跨径比优化的目标函数，当边跨与中跨跨径比在0.5～0.6时，随着边跨的增加，中墩支点产生较大的负弯矩，使中跨跨中弯矩降低，从而使整个桥梁弯矩分配均匀，趋于最优；而当边跨与中跨跨径比在0.6～0.7时，随着边跨的增加，中跨的弯矩减小不足以抵消支点负弯矩和边跨正弯矩的增加，最终导致平均弯曲变形能的迅速增加，因此以最小弯曲变形能作为优化指标的最优边跨与中跨跨径比为0.6。从施工和经济方面考虑，提出边跨与中跨跨径比变化范围为0.55～0.65[15]。

铁路桥梁与公路桥梁相比，具有对变形和刚度要求严苛，活载大等特点，综合考虑铁路桥梁受力、施工、经济等各方面的因素，通过大量的理论分析和工程试验，铁路桥梁三跨连续梁边中跨比一般为0.6～0.7，例如铁路连续梁标准图：(32+48+32)m连续梁边中跨比m=0.67,(40+64+40)m连续梁边中跨比m=0.625,(48+80+48)m连续梁边中跨比m=0.6,(60+100+60) m连续梁边中跨比m=0.6。

银西高铁跨南岸河堤桥，受地形等各方面的因素制约，孔跨组合为(51+110+51) m，边中跨比0.46。以本桥为背景，保持截面高度、恒载、活载等不变，采用Midas civil软件，对孔跨组合为(51+110+51) m连续梁(边中跨比为0.46)与孔跨组合为(66+110+66) m连续梁(边中跨比为0.6)建立模型，对比分析两种孔跨组合下的受力特点。

弯矩对比分析：为对比结构的弯矩情况，考虑恒载、恒载+活载作用下结构的内力。现选取边跨L/2、中支点及中跨L/2处截面为控制截面，对上述两种孔跨组合作弯矩对比分析，在恒载、恒载+活载作用下弯矩值见表1。两种跨度组合，结构弯矩对比如图4～图6所示。

表1 控制截面弯矩对比表 kN·m

从图表对比结果可知，(66+110+66) m连续梁中墩支点产生较大的负弯矩，中跨跨中正弯矩降低。(66+110+66) m连续梁与(51+110+51) m连续梁单位弯曲能之比为：恒载作用下为0.92，恒载+活载作用下(最大值)为0.97，恒载+活载作用下(最小值)为0.88。边中跨比为0.6 的(66+110+66) m连续梁，弯矩曲线与桥梁纵轴线所围面积更小，弯矩分配更均匀，受力更合理。

剪力对比分析：同样选取上述截面为控制截面，考虑恒载、恒载+活载作用下剪力值见表2。两种跨度组合，结构剪力对比如图7～图9所示。

表2 控制截面剪力对比表 kN

从图表对比结果可知，中支点和中跨L/2处剪力基本相同，边中跨L/2处剪力略有不同，由边跨长度不同导致。由于边中跨比的变化，对剪力变化影响较小。

支座反力对比分析：考虑恒载、恒载+活载作用下，上述两种孔跨组合的边支座和中支座反力值见表3。

表3 支座反力对比表 kN

中支座反力变化较小，(66+110+66) m连续梁边支座反力更大。在恒载+活载MIN作用下，(51+110+51) m连续梁边支座支反力较小，安全储备较少，为克服小边中跨比带来的不利影响，增加边支座安全储备，银西高铁跨南岸河堤桥在边跨选用素混凝土施加配重。

3 挂篮悬灌施工与大节段支架现浇受力对比分析

银西高铁跨南岸河堤 (51+110+51) m连续梁有效施工工期仅有8个月，原挂篮悬灌设计施工方法不能满足工期要求，由挂篮悬灌施工改为大节段支架现浇施工。箱梁节段长度变化：

原挂篮悬灌方案：中支点0号梁段长12 m，边支点支架现浇梁段长4.75 m，边、中跨合拢梁段长2 m。边跨挂篮悬灌施工共10个梁段，长度为(8×4+2×3.5)m；1/2中跨挂篮悬灌施工共12个梁段，长度为2×3.5 m+8×4 m+2×4.5 m，见图10。

大节段支架现浇方案：大节段支架现浇方案箱梁高度、腹板厚度、顶底板厚度等与挂篮悬灌方案相同。中支点支架现浇0号梁段长17 m，边支点支架现浇梁段长6.75 m，边跨合拢梁段长12 m、中跨合拢梁段长2 m。边跨另外2个支架现浇梁段长度分别为12 m，11.5 m，1/2中跨另外4个支架现浇梁段长度分别为11.5 m，12 m，12 m，9 m，见图11。

采用西南交大李乔教授编制的《桥梁结构分析系统》(BSAS)程序对箱梁进行施工阶段和运营阶段的纵向平面内力分析计算，计算分析了主梁在主力、主力+附加力作用下的正应力和主应力。

挂篮悬灌方案：主力作用下：强度安全系数2.37，抗裂安全系数1.49，上缘最大压应力11.27 MPa，上缘最小压应力1.47 MPa，下缘最大压应力11.12 MPa，下缘最小压应力2.18 MPa，混凝土最大剪应力3.48 MPa，混凝土主拉应力2.20 MPa，混凝土主压应力12.05 MPa。主力+附加力作用下：强度安全系数2.32，抗裂安全系数1.41，上缘最大压应力13.14 MPa，上缘最小压应力1.26 MPa，下缘最大压应力11.82 MPa，下缘最小压应力1.95 MPa，混凝土最大剪应力3.48 MPa，混凝土主拉应力2.92 MPa，混凝土主压应力12.48 MPa。

大节段支架现浇方案：主力作用下：强度安全系数2.34，抗裂安全系数1.46，上缘最大压应力15.52 MPa， 上缘最小压应力1.86 MPa， 下缘最大压应力10.63 MPa， 下缘最小压应力1.95 MPa，混凝土最大剪应力3.26 MPa，混凝土主拉应力1.65 MPa，混凝土主压应力12.61 MPa。主力+附加力作用下：强度安全系数2.23，抗裂安全系数1.36，上缘最大压应力14.87 MPa，上缘最小压应力0.80 MPa，下缘最大压应力11.58 MPa，下缘最小压应力1.88 MPa，混凝土最大剪应力3.26 MPa，混凝土主拉应力1.70 MPa，混凝土主压应力12.76 MPa。

两种施工方案均满足TB 10092—2017铁路桥涵混凝土结构设计规范[15]，挂篮悬灌方案与大节段支架现浇方案相比，梁体节段较多，腹板束锚固位置更加灵活，有利于降低荷载的影响，节省钢束，安全系数更大。

4 结论

1)小边中跨比对连续梁受力产生不利影响，造成单位弯曲能更大，边支座易脱空等系列问题。

2)挂篮悬臂施工节段数量较多，每个节段递进式施工，工期较长，无法满足对于一些对施工工期有严格限制或者尽量缩短的项目，大节段支架现浇施工能有效节省工期。

3)挂篮悬臂施工改为大节段支架现浇施工，通过改变预应力钢束配置，结构各项应力指标均能满足规范要求，保证结构安全。