劉正飛，王常峰，竇國昆，李 穎

(煙臺大學 土木工程學院，山東 煙臺 264005)

近年來，我國的交通運輸事業(yè)發(fā)展迅猛，路線的交叉也越來越多，這對跨線橋梁的施工提出了新的要求。特別是很多跨既有鐵路線的橋梁，梁底與既有線電氣化接觸網(wǎng)上方的距離非常有限，若用吊架配防護棚[1-3]、掛籃配防護罩[4]等傳統(tǒng)的合龍方法，施工所需的機具設備多，程序復雜，施工周期長，安全風險大，對既有線影響大，改造工程量大。而鋼殼法可以避免封閉不嚴導致的風險，可以有效減少合龍段施工的風險，將對既有線的施工干擾降到了最低。

鋼殼法雖是新型的合龍施工技術，但在國內(nèi)已經(jīng)是較成熟的工藝。此法在集包鐵路增建第二雙線霸王河1號特大橋(60+100+60)m轉(zhuǎn)體連續(xù)梁中跨合龍[5-6]時首次研究發(fā)明并運用，目前已經(jīng)在武咸鐵路上跨武廣客專[7]、京石客專[8]、寶蘭客專[9]、青連鐵路等多個項目的合龍施工中得以實踐。鋼殼代替模板，無拆除和防護工序，減少了天窗點作業(yè)時間[10]，降低了安全風險，而防護涂裝工藝使鋼殼與箱梁渾然一體，既防腐又美觀。

盡管鋼殼法優(yōu)勢明顯，但其本身也存在著不足，給施工造成不便。本文以青連鐵路日照特大橋(60+100+60)m轉(zhuǎn)體連續(xù)梁為依托，對帶肋鋼殼方案進行了改進。采用懸吊鋼殼方案并建立有限元模型，對比方案改進前后鋼殼的受力狀態(tài)，分析鋼殼各組成構件應力與變形，以模擬鋼殼的實際受力，為優(yōu)化施工及順利完成合龍?zhí)峁┮罁?jù)。

1 帶肋鋼殼方案分析

1.1 帶肋鋼殼方案

根據(jù)合龍段的長度(2 m)和斷面尺寸(如圖1所示)來設計鋼殼尺寸及所用材料。鋼殼順橋向總長4 m，其中預埋段鋼殼長1.65 m(預埋1.00 m，外伸0.65 m)，嵌補段長0.70 m。鋼殼面板采用Q235、厚12 mm的鋼板，共由3部分組成，分別為底板、腹板和翼緣板，并嚴格按照鋼殼斷面尺寸下料。順橋向鋼殼內(nèi)側焊接肋板，鋼殼外側焊縫需打磨平整，并涂防護漆。用吊車吊裝鋼殼嵌補段，將其與預埋段焊接成整體，安裝鋼筋和預應力管道，加固鋼殼，最后用汽車泵澆筑合龍段混凝土。

圖1 帶肋鋼殼方案橫截面布置(單位：cm)

1.2 帶肋鋼殼方案的不足

用ANSYS建立有限元模型，計算結果顯示，鋼殼的最大拉壓正應力、主應力及最大剪應力均小于容許應力，鋼板變形小于容許值，故帶肋鋼殼的強度及剛度均滿足施工要求。

由1.1節(jié)介紹可知，原方案在順橋向鋼殼內(nèi)側焊接鋼板作為肋板，用以加強鋼殼的強度和剛度及其與合龍段混凝土的連接。但施工過程中，為安裝普通鋼筋和預應力鋼筋，需在內(nèi)側肋板上打孔，因而給施工造成很多不便和困難。且打孔會削弱結構的承載力，也增加了有限元模擬分析的難度。

2 懸吊鋼殼方案分析

2.1 懸吊鋼殼方案

針對帶肋鋼殼方案的缺點，本橋采用懸吊鋼殼方案(如圖2所示)，將之前的肋改為吊桿連接，對施工的影響由面降低到點。具體改進如下：鋼殼內(nèi)側焊接錨釘(φ19鋼筋)，錨釘與鋼筋拉桿(φ20精軋螺紋鋼)焊接，鋼筋拉桿上部錨固于順橋向懸吊梁上，懸吊梁兩段伸入懸澆梁50 cm。其中底板拉桿錨固在底板懸吊梁(2[16a)上，腹板拉桿貫穿箱梁豎向錨固在橋面的腹板懸吊梁(2[32a)上，翼緣板拉桿錨固在翼緣板懸吊梁(2[16a)上。施工箱梁頂板時，可在底板懸吊梁上搭設碗扣支架。

此改進方案解決了鋼筋安裝問題，施工工藝更簡便。錨釘與鋼筋拉桿在橫橋和順橋雙向有間距布設，節(jié)省了鋼材，減輕了合龍段自重，同時其受力明確，與梁體連接牢固，增強了鋼殼的整體剛度。

2.2 懸吊鋼殼模型分析

2.2.1 鋼殼所受荷載

鋼殼承受的豎向荷載：合龍段箱梁的頂板、翼緣板、腹板、底板處混凝土自重、模板自重及施工活載。其中橫隔板下鋼殼所受荷載按照腹板下加載。

鋼殼承受的水平荷載：傾倒混凝土產(chǎn)生的水平荷載和混凝土作用于模板的側壓力。側壓力計算可按下列公式[11]計算，并取其中的較小值。

F=0.22γct0β1β2V1/2

(1)

F=γcH

(2)

2.2.2 懸吊鋼殼有限元模型

以ANSYS建立模型，懸吊鋼殼共劃分為 7 624 個單元，7 758 個節(jié)點。鋼殼為三維受力，分析時錨釘及拉桿用桁架單元模擬，面板和懸吊梁分別用板殼單元和梁單元模擬，預埋段鋼殼按照固結處理。

2.2.3 鋼殼面板應力與變形分析

本分析主要關注鋼殼面板的橋梁橫向、豎向、縱向正應力，第一和第三主應力，x-y面、y-z面及x-z面剪應力和鋼殼面板的變形。

由模型分析結果可知：

1)x向(橋梁橫向)、y向(橋梁豎向)、z向(橋梁縱向)最大拉應力和最大壓應力均小于容許應力145 MPa；

2)最大主拉應力(第一主應力)和最大主壓應力(第三主應力)均小于容許應力145 MPa；

3)x-y面、y-z面、x-z面剪應力均小于允許剪應力80 MPa。

4)鋼板最大變形3.485 mm，發(fā)生在箱梁腹板底，剛度滿足要求。

2.2.4 鋼筋拉桿及錨釘軸力與變形分析

鋼筋拉桿及錨釘分析結果如圖3所示。

圖3 鋼筋拉桿及錨釘分析結果

由分析結果可知：

1)單根精軋螺紋鋼拉桿可承受的拉力為125.66 kN>22.074 kN，滿足要求。

2)錨釘所能承受的拉力為119.28 kN>22.074 kN，滿足要求。

3)鋼筋拉桿及錨釘最大結構變形為2.371 mm，滿足要求。

3 方案改進前后結果對比分析

對比表1結果分析可知，懸吊方案的鋼殼應力較帶肋方案，除y-z面剪應力外均有所增加，增幅為6%到154%，但結果均滿足要求。說明懸吊鋼殼受力狀態(tài)良好。

表1 方案改進前后結果對比 MPa

4 結論與建議

本文對轉(zhuǎn)體施工連續(xù)梁中跨鋼殼法合龍方案進行了改進與分析，通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1)帶肋鋼殼的強度及剛度完全滿足規(guī)范要求，但施工過程中肋板會妨礙鋼筋的安裝，給施工帶來不便。

2)懸吊鋼殼的強度及剛度均滿足規(guī)范要求，實際施工時結構安全可靠，說明此改進方案可以滿足合龍施工要求。

3)懸吊方案將肋板改為吊桿連接，降低了施工難度。本方案的改進，對結構的穩(wěn)定性、安全性及優(yōu)化設計等方面具有重要意義[12]。

4)為減少鋼殼的應力和變形，可在混凝土澆筑前對鋼筋拉桿施加部分預張力。

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