转体T构桥梁施工过程变形分析研究
2022-09-17刘玉霖温江卫
刘玉霖 温江卫
随着国内经济和社会的快速发展，铁路建设持续加快，以车站为中心的城市框架不断拉大，不可避免地出现城市道路与铁路交叉；铁路承担国内大量货物和旅客运输，发挥了至关重要的作用，城市道路跨越铁路设计和施工时，需最大限度减少对铁路运输的影响，保证铁路设施安全，转体桥梁技术可有效解决这一问题。
一、工程概述
某城市快速路设计双向八车道，行车速度80km/h，左右分幅设计，其中西半幅与某干线铁路交叉，夹角为75.9°，桥梁按照正交设计；采用（68+68）m的T型刚构跨越，桥梁宽度20.5m，桥下净空不小于9m。
桥梁上部结构采用单箱三室斜腹板箱形截面，下部结构转体主墩与主梁固结，桥墩采用单柱矩形空心墩，桥墩高8.5m，壁厚1.5m，横桥向宽度10m，纵桥向宽度6m；主墩承台厚5m，承台下设置25根Φ1.5m钻孔灌注桩；桥面铺装采用10cm厚沥青混凝土+8cm厚混凝土铺装层，桥梁两侧设置SS混凝土防撞护栏；转体桥墩布置在铁路北侧，顺铁路方向搭设支架现浇，然后转体施工，最大悬臂长度（62.5+62.5）m，转体重量12200吨。
二、结构设计
结构自重：预应力混凝土箱梁、混凝土桥面铺装层26kN/m3，沥青混凝土桥面铺装层24kN/m3。
预加应力：松弛率0.3，锚具变形、钢束回缩取6mm，预埋波纹管μ=0.25，k=0.0015。
温度荷载：整体温度变化分别按照升温、降温25℃考虑。
箱梁采用单箱三室斜腹板，顶板宽20.5m，底板宽度随梁体高度增加而减少，端支点最宽处为13.2m，中支点最窄处为10.5m；箱梁两侧悬臂长3m，悬臂板端部厚20cm，根部厚55cm；箱梁顶板厚28cm，中墩处顶厚58cm，底板厚度32cm～90cm，腹板厚度为50cm～90cm，边支点处局部加厚到70cm，中支点局部加厚到150cm；纵向预应力钢束采用顶、腹、底板布束方式布置，锚固齿块且尽量靠近腹板布置。
三、结构计算
1. 模型建立
桥梁纵向结构分析采用MIDAS CIVI程序，进行施工阶段和成桥阶段计算，箱梁截面采用软件提供PSC截面按照设计截面参数输入，利用变截面组模拟梁高纵桥向变化，端横梁和中横梁实心截面采用与其相邻的截面特性，实心部分转化为集中荷载作用在对应节点上；梁体支架采用弹性点支撑模拟，支撑刚度近似取支架刚度k=1.0×107kN/m；施工阶段的划分按照实际施工步骤，将结构离散成不同结构组，分阶段激活和钝化相应单元模拟施工过程。
2. 施工阶段分析
转体之前梁体在支架上现浇完成，并养护至设计龄期后张拉预应力，然后进行脱模形成最不利大悬臂状态（62.5+62.5）m，梁体上下缘应力数值见表1，正值表示拉应力，负值表示压应力。
表1 最大悬臂状态梁体应力计算结果汇总
支架拆除后，T构最大悬臂状态下梁体端部向下挠43mm。
3. 成桥阶段分析
成桥设计状态下，仅考虑结构自重作用下，梁体上下缘应力数值见表2。
表2 成桥状态梁体应力计算结果汇总
成桥状态下，桥梁最大挠度发生在合龙截面处，向下挠39mm。
从梁体计算结果表格分析可以看出，主梁混凝土应力均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求。
4. 支架拆除分析
转体T构支架上现浇混凝土约3300m3，浇筑混凝土体积大，支架拆除顺序的确定将影响支架结构安全，确定合理拆除顺序至关重要，结合现浇梁支架经验，假定以下3种支架拆除顺序：（1）从悬臂端部向悬臂根部对称拆除，支架反力6782kN；（2）从悬臂根部向悬臂端部对称拆除，支架反力4432kN；（3）从跨中向两端对称拆除，支架反力4432kN（端部）/5791kN（根部）。
从支架拆除顺序可以看出，一次脱架会导致最后拆除1排支架产生较大的支架反力，存在将支架压溃风险，影响支架结构拆除安全。
四、脱架监测数据分析
根据现场梁体脱架监测数据，脱架过程中梁体开始发生下挠，脱架完成后，梁体端部发生向下挠95mm，与设计理论计算出现不符，结合现场情况，现浇混凝土梁与工程数量基本一致，比模型统计数量偏多，经比较分析，预应力钢束锚固齿块有限元模型没有进行模拟；转体T构形成最大悬臂状态，腹板钢束分段锚固在中腹板两侧及边腹板内侧均设置齿块，单个齿块约1.0m3混凝土，顶板对应位置设置齿块，单个齿块约0.8m3，齿块间距4.0m，平均作用荷载70.2kN/m；根据比对分析，对模型重新修正后计算。
1. 施工阶段分析
施工中最不利大悬臂状态下，T构最大悬臂状态下梁体端部理论向下挠84mm，梁体上下缘应力数值见表3。
表3 最大悬臂状态梁体应力计算结果汇总
2. 成桥阶段分析
成桥设计状态下，仅考虑结构自重作用下，桥梁最大挠度发生在合龙截面处，理论向下挠85mm，梁体上下缘应力数值见表4。
表4 成桥状态梁体应力计算结果汇总
3. 支架拆除分析
有限元分析了不合理支架拆除顺序将会导致最后拆除1排支架压溃，结合前期类似项目支架拆除经验，建议支架从端部向根部，分3次落架，将支架与模板分离，以适应梁体下挠变形；第一次落架节点位移量1/3，支架反力1991kN，第二次落架节点位移量1/3，支架反力344kN；第三次落架节点位移量1/4，支架反力102kN；上述分析可以看出，可以有效减小拆除支架反力，保证支架结构安全。
五、结论
（1）采用有限元数值计算与现场实际监测数据进行比对，对设计过程进行了有效的校核，支架现浇法形成T构与悬臂施工形成T构截面特性存在一定差异。
（2）跨线转体T构施工采用支架上一次现浇，顶板及腹板钢束锚固需要而布置数量较多齿块，其荷载对最大悬臂状态和成桥状态下应力、变形均有影响，设计过程需计算齿块荷载作用。
（3）支架现浇施工行成T构，采用多次落架，循环进行的支架拆除方案，合理的支架拆除顺序可有效解决支架结构安全。
