項(xiàng)文彥,張波,楊珊

(1.中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司,北京 101500;2.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖南長沙 410004)

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長沙磁浮線瀏陽河大橋施工階段受力特性分析

項(xiàng)文彥1,張波2,楊珊2

(1.中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司,北京 101500;2.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖南長沙 410004)

摘要:長沙南站至黃花機(jī)場線是國內(nèi)首條自主研發(fā)的中低速磁浮線,瀏陽河大橋是其上主跨(110 m)最大的橋梁工程,研究其施工階段的受力特性具有重要的工程意義。文中對瀏陽河大橋施工過程進(jìn)行仿真分析,得到了各階段主梁內(nèi)力和變形結(jié)果;重點(diǎn)對大橋掛籃預(yù)壓和合龍過程進(jìn)行分析計算,并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,為大橋施工安全提供技術(shù)依據(jù);因磁浮路線對軌道平整度要求極高,還特別對瀏陽河大橋活載作用下主梁的撓度進(jìn)行了計算分析,結(jié)果表明活載引起的撓度較小,滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞:橋梁;中低速磁浮;三跨連續(xù)梁;受力特性;剛度

1 工程概況

瀏陽河大橋?yàn)殚L沙中低速磁浮交通工程長沙南站—黃花機(jī)場預(yù)應(yīng)力砼雙線連續(xù)梁橋,主橋橋跨布置為(85+110+85)m。連續(xù)箱梁采用單箱單室截面,C50砼,三向預(yù)應(yīng)力,箱寬5.7 m,翼板懸臂1.2 m,全寬8.1 m。箱梁根部高8.0 m,端部及跨中高5.0 m。主橋立面布置見圖1。采用懸臂澆筑施工方法。相較于等跨徑的公路三跨變截面連續(xù)梁,該橋的豎向剛度大很多。

2 有限元模型

2.1 模型的建立

利用MIDAS/Civil 2012建立全橋有限元模型,其中主梁采用梁單元模擬,支座采用彈性連接模擬。按施工的先后順序把大橋劃分為19個施工階段。結(jié)構(gòu)有限元計算模型見圖2。

圖1 瀏陽河大橋主橋立面布置(單位:m)

2.2 材料特性

模型中采用C50砼,彈性模量E=3.5×104MPa,泊松比=0.1667;預(yù)應(yīng)力鋼絞線公稱直徑為15.2 mm,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa,彈性模量E= 1.95×105MPa。

2.3 荷載和約束

計算荷載包括結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、砼收縮徐變、基礎(chǔ)不均勻沉降、活載及附加力(列車制動力、溫度力)。其中活載計算圖式見圖3。

圖2 瀏陽河大橋有限元計算模型

圖3 活載計算圖式(單位:cm)

主橋典型施工步驟為0#塊墩梁固結(jié)→澆筑至最大懸臂階段→邊跨合龍→體系轉(zhuǎn)換(墩梁由固結(jié)轉(zhuǎn)為鉸接)→中跨合龍→二期恒載及安裝附屬設(shè)施→通車運(yùn)營。

橋墩墩底采用固結(jié)約束,支座采用彈性連接約束,墩梁固結(jié)處采用剛性連接模擬。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 主橋的內(nèi)力

考慮5種典型工況(工況一為最大懸臂狀態(tài);工況二為邊跨合龍;工況三為體系轉(zhuǎn)換;工況四為中跨合龍;工況五為二期恒載),對其內(nèi)力(彎矩、剪力)及支座反力進(jìn)行比較分析。各工況下的彎矩、剪力和支座反力見圖4～6。

圖4 典型工況下的彎矩(單位:k N·m)

圖5 典型工況下的剪力(單位:k N)

圖6 典型工況下的支座反力(單位:k N)

根據(jù)圖4可以得出:在二期恒載時,其墩頂負(fù)彎矩為-549 978.94 k N·m,需在頂板配置較多的預(yù)應(yīng)力束。與中跨合龍工況相比,二期恒載工況下墩頂負(fù)彎矩值增加較多。由于彎矩值的增加只是由二期恒載引起,可通過適當(dāng)優(yōu)化承軌梁的結(jié)構(gòu)形式來減少二期恒載的重量,進(jìn)而降低墩頂負(fù)彎矩增量值。

根據(jù)圖5,在二期恒載工況下最大剪力達(dá)到-25 145.95 k N,與中跨合龍工況相比,剪力增幅達(dá)16%,增幅較大。剪力的大幅增加引起墩頂負(fù)彎矩值大幅增加。

該橋在施工過程中2#和3#墩上的0#塊都利用臨時鋼管樁進(jìn)行支撐,在未拆除之前其與橋墩共同承受主梁施加的壓力。因此,2#和3#墩反力在最大懸臂工況與邊跨合龍工況時都較小,最大值為12 688.2 k N。拆除臨時鋼管樁后,豎向荷載全依靠鋼筋砼墩來承擔(dān),故其反力增長非常大,最大值達(dá)55 756.69 k N。為此,在拆除臨時鋼管樁時需采取措施防止墩頂附近的底板砼被壓裂。臨時支墩的使用可有效減輕永久墩上臨時支撐的支反力,為后期拆除臨時支座帶來方便。

3.2 考慮活載作用下受力分析

磁浮路線對軌道平整度要求極高,且磁浮列車行進(jìn)時需與軌道保持一定的間隙。因此,在磁浮列車運(yùn)行過程中需對主梁的豎向撓度進(jìn)行嚴(yán)格控制。圖7為主梁在磁浮列車通過時其各個截面的最大豎向撓度值。

圖7 活載作用下?lián)隙?單位:mm)

從圖7可看出:各跨的最大撓度均產(chǎn)生于跨中,最大撓度為14.3 mm。這是由于該橋主梁設(shè)計采用較大的梁體高度和腹板厚度,相應(yīng)的其抗彎慣性矩及抗彎剛度也較大。

按照《長沙磁浮工程施工圖設(shè)計》要求:在列車靜活載作用下梁體的豎向撓度不應(yīng)大于L/4 600,與公路橋梁L/600要求相比,其剛度是相應(yīng)公路橋的7.6倍。根據(jù)瀏陽河大橋計算結(jié)果,該橋梁體豎向撓度為14.3 mm＜23.9 mm,滿足設(shè)計要求。

3.3 掛籃計算

瀏陽河大橋施工采用菱形桁架掛籃,主要由掛籃、模板、走行系統(tǒng)三部分組成。其中:掛籃系統(tǒng)主要由主桁、前后橫梁、錨固裝置、滑梁、吊桿組成;模板系統(tǒng)主要由底籃(底模)、外模、內(nèi)模、端模組成;走行系統(tǒng)主要由滑軌和牽引系統(tǒng)組成。

掛籃的主要技術(shù)參數(shù):砼自重Gc=25 k N/m3; Q235的彈性模量Es=2.06×105MPa;澆筑節(jié)段最大重量161.35 t;澆筑節(jié)段最大長度3 m;主梁斷面(長×寬)為3.5 m×8.1 m;掛籃行走方式為滑動;錨固方式為全錨式。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》和《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》,結(jié)合掛籃實(shí)際,取以下荷載:砼重量;掛籃自重;施工機(jī)具和人群重量。掛籃正常使用時采用的安全系數(shù)為1.2。

掛籃預(yù)壓荷載計算:箱梁荷載161.35 t,掛籃自重(包括模板)120 t,則翼板砼重量為:

P1=0.5×(0.15+0.4)×1.2×2×3.5×25= 57.75 k N

頂板砼重量為:

P2=(4.1×0.4+0.3×0.8×0.5×2)×3.5× 25=164.5 k N

腹板砼重量為:

P3=0.5×(7.002+7.346)×2×0.8×3.5× 25=1 004.36 k N

底板砼重量為:

P4=(5.7×0.78+0.3×0.3×0.5×2)× 3.5×25=386.925 k N

荷載施加:由于箱梁腹板作用的位置不同,其正下方的主縱梁所承受的均布荷載集度也不同。設(shè)腹板正下方的主縱梁所承受的均布荷載集度為q1,其余主縱梁所承受的均布荷載集度為q2,則q1=57.8 k N/m,q2=23.5 k N/m。

建立圖8所示掛籃模型。

圖8 掛籃有限元計算模型

掛籃預(yù)壓:在預(yù)壓試驗(yàn)中,通過堆積重物實(shí)現(xiàn)均布荷載。重物可為砂袋或預(yù)制砼塊,稱重后直接布置在模板上。該方法中均布荷載可模擬實(shí)際截面上砼重量的分布來對掛籃進(jìn)行加載,基本與施工現(xiàn)場情況相一致,可以體現(xiàn)掛籃的整體受力情況,消除懸澆前掛籃的非彈性變形,施工方法簡單。該橋掛籃預(yù)壓試驗(yàn)采用稱重后的砂袋直接布置在模板上的方法實(shí)現(xiàn)均布荷載。掛籃預(yù)壓計算值與實(shí)測值的比較見表1。

表1 掛籃預(yù)壓計算值與實(shí)測值比較　mm

掛籃的變形由彈性變形與非彈性變形兩部分組成,彈性變形主要包括主桁架、吊桿及縱梁的變形,非彈性變形主要是桿件間的空隙。表1中掛籃預(yù)壓實(shí)測值與計算值相差3 mm,這是由于掛籃的非彈性變形造成的。因此,施工監(jiān)控過程中非彈性變形是必須考慮的因素。

根據(jù)表1計算結(jié)果,瀏陽河大橋施工監(jiān)控掛籃變形考慮3 mm的非彈性變形,其掛籃預(yù)抬值=掛籃變形計算值+3 mm(掛籃非彈性變形)。瀏陽河大橋的成橋線形滿足設(shè)計要求,證明掛籃預(yù)抬值提取方法符合實(shí)際要求。

3.4 合龍計算

瀏陽河大橋采用臨時墩與主梁固結(jié)的施工方法,先邊跨后中跨合龍,施工步驟為懸臂施工T構(gòu)→滿堂支架施工邊跨現(xiàn)澆段→邊跨合龍→邊跨體系轉(zhuǎn)換(解除臨時墩)為簡支單懸臂結(jié)構(gòu)→拆除施工支架→中跨合龍→橋面鋪裝。

如圖9所示,鋼管樁為臨時墩,采用C30砼滿灌鋼管,鋼管內(nèi)埋設(shè)HRB400直徑25 mm鋼筋,深入鋼管內(nèi)2 m,深入梁腹板位置1 m,2根鋼筋并在一起,間距200 mm。

圖9 臨時墩示意圖(單位:cm)

合龍是一個體系轉(zhuǎn)換的過程,合龍后結(jié)構(gòu)的約束增加,超靜定次數(shù)增大。不同的合龍方式,結(jié)構(gòu)的幾何特性、所受荷載及支撐條件不斷變化,故結(jié)構(gòu)的彈性內(nèi)力及由砼收縮徐變引起的結(jié)構(gòu)次內(nèi)力需要分階段計算,而且成橋后的內(nèi)力和線形與合龍方式有著直接的關(guān)系。

該橋采用臨時墩與主梁固結(jié)的施工方法,其主墩在拆除臨時墩時支座反力變化較大,主梁線形也會有變化。表2為跨中合龍段在中跨合龍時的理論應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力比較。

表2 中跨合龍時跨中合龍段實(shí)測應(yīng)力與理論應(yīng)力比較　MPa

從表2來看,瀏陽河大橋采用臨時墩施工方法其應(yīng)力控制較好,取得了良好效果,該施工方法具有工程實(shí)踐價值。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)施工圖設(shè)計,中低速磁浮線列車靜活載作用下梁體的豎向撓度不應(yīng)大于L/4 600,是公路橋梁L/600要求的7.6倍。該橋梁體豎向撓度為14.3 mm＜23.9 mm,滿足設(shè)計要求。

(2)掛籃計算值與預(yù)壓實(shí)測值吻合較好,為大橋的安全建設(shè)提供了技術(shù)保障。

(3)鋼管臨時支墩的使用減少了永久支座上臨時墩的受力,提高了工效。

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收稿日期:2015-03-25

中圖分類號:U448.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0164-04