王國棟

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

大西鐵路客運專線連續(xù)鋼箱梁設(shè)計及頂推施工研究

王國棟

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

大西線聯(lián)絡(luò)左線特大橋主跨上跨鄭西客運專線等3條既有鐵路,采用(64+68+64)m等高連續(xù)鋼箱梁頂推施工方案;著重介紹鋼箱梁細部構(gòu)造尺寸的擬定過程,并采用空間有限元軟件建立全橋板單元模型進行縱向整體計算;介紹鋼箱梁頂推施工方案并對整個頂推施工過程進行模擬,分析頂推過程中梁的受力性能。

連續(xù)鋼箱梁;構(gòu)造尺寸;整體計算;頂推施工

1 工程概況及橋式方案的確定

大西鐵路客運專線運西段聯(lián)絡(luò)左線特大橋以小角度與既有包西鐵路何臨上行客車聯(lián)絡(luò)線、鄭西客運專線、包西鐵路何臨下行客車聯(lián)絡(luò)線交叉,受既有交叉線路平、立面條件的限制,大西線聯(lián)絡(luò)左線只能以上跨形式跨越鄭西客運專線等3條既有鐵路。

結(jié)合工程實際情況,設(shè)計分別考慮了混凝土連續(xù)梁方案及鋼箱連續(xù)梁方案。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁方案采用懸灌法施工或轉(zhuǎn)體施工,但在營運客運專線上方進行懸灌施工,施工難度大,大型設(shè)備吊裝作業(yè)困難,墜落物難以防止,施工周期長,安全風(fēng)險較大。連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工方案則需要足夠的施工場地,而現(xiàn)場施工場地狹小,難以滿足要求。綜合考慮施工、既有線運營安全等因素,大西線聯(lián)絡(luò)左線特大橋主橋設(shè)計為(64+ 68+64)m等高連續(xù)鋼箱梁跨越上述3條既有鐵路,并采用頂推法施工。

2 鋼箱梁的構(gòu)造及結(jié)構(gòu)計算

2.1 鋼箱梁主要構(gòu)造尺寸的擬定

(1)鋼箱梁截面

鋼箱梁采用單箱單室等高截面,梁高4.8 m,頂寬7.5 m,底寬4.3 m,頂板厚24 mm,底板厚24 mm,腹板厚26 mm的構(gòu)造尺寸,標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位:mm)

(2)鋼箱梁縱向加勁肋形式及間距的確定

由于鋼箱梁采用的鋼板均比較薄,在強大的軸壓力及彎矩作用下,局部穩(wěn)定性問題顯得尤為重要,為此,配置一定數(shù)量的縱向加勁肋以減小主板材的寬度,從而提高鋼板的臨界屈服應(yīng)力。

鋼箱梁頂、底板及腹板加勁肋形式的確定主要考慮以下幾個方面:①加勁肋自身的剛度必須滿足一定的構(gòu)造要求,以免自身失穩(wěn);②加勁肋必須保證頂、底板及腹板的局部穩(wěn)定性;③頂板加勁肋應(yīng)能承受局部車輪荷載。綜合考慮以上因素,鋼箱梁頂、底板設(shè)置T形縱向加勁肋,其中為減小頂板在輪載作用下的變形,頂板與軌道相對應(yīng)的位置各設(shè)置2道加大縱肋,主鋼板上焊接T形加勁肋形成一個整體后,可視為T形截面加勁梁。T形加勁肋的橫向間距為500 mm,加大縱肋的翼緣寬240 mm,板厚12 mm,腹板高600 mm,厚12 mm;普通加勁肋的翼緣寬180 mm,厚12 mm,腹板高250 mm,厚12 mm。腹板設(shè)置板形加勁肋,肋寬280 mm,厚20 mm。如圖2所示。

圖2 縱向加勁肋示意(單位:mm)

(3)鋼箱梁橫隔板間距及截面類型的確定

本鋼箱梁的梁高較高,中間橫隔板的設(shè)置可提高鋼箱梁的整體剛度,防止出現(xiàn)過大的局部應(yīng)力,減小鋼箱梁的畸變和橫向彎曲變形,確定適當(dāng)?shù)拈g距及截面類型既可滿足受力要求又能節(jié)省鋼材,是設(shè)計的關(guān)鍵點之一。本鋼箱梁設(shè)計中沿縱橋方向,橫隔板間距分別采用1.6、2.0 m進行比較,截面形式采用A、B型間隔設(shè)置,橫隔板與鋼箱梁內(nèi)側(cè)采用焊接方式連接,橫隔板大樣如圖3所示。

圖3 橫隔板大樣

2.2 箱梁縱向整體計算

采用空間有限元軟件建立全橋板單元模型,按照荷載的實際位置施加二期恒載、活載、不均勻升降溫、支座不均勻沉降等,計算鋼箱梁的強度、剛度、穩(wěn)定性及疲勞,模型如圖4所示。

圖4 全橋模型

考慮頂板直接承受中—活載,頂板板厚分別采用24、26 mm,同時橫隔板間距采用2.0 m和1.6 m進行比較,摘取了部分控制截面的應(yīng)力如表1所示。

表1 強度驗算結(jié)果

通過計算可以看出,2種工況下結(jié)果較為接近,均滿足規(guī)范要求。但工況一較工況二鋼箱梁自重更輕,節(jié)省鋼材約54 t,故最終采用頂板厚24 mm,橫隔板間距2.0 m的設(shè)計方案。

3 鋼箱梁頂推施工

(1)鋼箱梁概況

鋼箱梁全長197.5 m,總質(zhì)量為1 700 t,前導(dǎo)梁長24 m,質(zhì)量150 t,后導(dǎo)梁長33 m,質(zhì)量80 t,最大頂推長度為254.5 m,最大頂推重力為19 300 kN,最大頂推力為1 900 kN。

(2)頂推施工方案

聯(lián)絡(luò)左線鋼箱梁頂推方案首先在16號墩～20號墩之間搭設(shè)拼裝和頂推平臺,拼裝采用1臺350 t履帶吊為起吊設(shè)備,在頂推過程中設(shè)置前后導(dǎo)梁,利用天窗時間逐段頂推到24號墩,拆除前后導(dǎo)梁,調(diào)整鋼箱梁位置,落梁,安裝支座,拆除鋼箱梁拼裝平臺。鋼箱梁頂推布置如圖5所示。

圖5 鋼箱梁頂推布置示意

通過空間有限元軟件MIDAS Civil建立全橋梁單元模型,模擬整個頂推過程,鋼箱梁在自重作用下達到最大懸臂狀態(tài)時,導(dǎo)梁前端產(chǎn)生的撓度最大,此時,導(dǎo)梁最前端下?lián)?13.5 mm＜68000/200=340 mm,最大組合應(yīng)力119.3 MPa＜[σ]=220 MPa,均滿足規(guī)范要求。最大懸臂狀態(tài)模型見圖6。

圖6 最大懸臂狀態(tài)模型

4 結(jié)語

(1)對于類似上跨營運客運專線橋梁,采用等高連續(xù)鋼箱梁頂推施工方案較為合理。

(2)鋼箱梁的設(shè)計過程中,細部構(gòu)造的設(shè)計尤為重要,應(yīng)給予充分的重視。

(3)目前,本橋已順利完成頂推作業(yè),該頂推方案對同類橋梁具有一定的借鑒價值。

(4)本鐵路鋼箱梁上跨鄭西客運專線,從梁高及室寬上來講均超越了既有組合結(jié)構(gòu)的鋼箱梁,處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

[1] 朱純海,王明昌.滬寧高速-頂推鋼箱梁橋設(shè)計反思[J].中外公路,2010(3):198-202.

[2] 方桂芬.西運線(64+68+64)m連續(xù)鋼箱梁設(shè)計[J].鐵道建筑, 2012(2):1-3.

[3] 張耀華,鄒桂生.鋼箱梁局部穩(wěn)定性計算方法研究[J].天津建設(shè)科技,2011(4):40-42.

[4] 孔慶凱,許春榮,朱斌,等.崇啟大橋主橋鋼箱梁高腹板設(shè)計[J].橋梁建設(shè),2012(2):66-70.

[5] 方興,白玲,史永吉.大跨度連續(xù)鋼箱梁橫隔板的合理布置[J].中國鐵道科學(xué),2012(S):86-89.

[6] 余錢華,劉小光.鋼箱梁頂推施工仿真分析[J].公路與汽運, 2011(2):164-167.

[7] 范翔,郁志剛,徐新華.跨滬寧高速公路鋼箱梁頂推施工技術(shù)[J].城市道橋與防洪,2012(4):149-153.

[8] 梁輝,等.頂推法架設(shè)128 m雙線簡支鋼桁梁施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2012(6):54-58.

[9] 焦亞萌,等.京新高速公路上地斜拉橋頂推施工設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2012(7):69-74.

[10]馬華茂,張麗君.京山橋鋼箱梁頂推施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2008(5):52-54.

[11]小西一郎.鋼橋第二分冊[M].北京:中國鐵道出版社,1980.

[12]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

Design and Incremental Launching Construction for Continuous Steel Box Girder on Datong-Xi'an Railway Passenger-dedicated Line

WANG Guo-dong
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

U238;U448.36

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.020

1004-2954(2014)08-0085-02

2013-11-22

王國棟(1983—),男,工程師,2009年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué),工學(xué)碩士,E-mail:wangguodong23@163.com。