哈大铁路客运专线新开河大桥138 m钢箱叠拱过运架设备施工检算

杨正华

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安 710043)

1 工程概况

哈大客运专线新开河大桥跨越长春市富民大街，受路宽和斜交角度影响，考虑桥梁建筑高度受控和景观要求，采用1-138 m钢箱叠拱(图1)，全桥长144 m，桥面宽度为18 m。两侧系梁为等宽变高度箱形截面。端横梁为单箱三室箱形结构，截面尺寸4 500 mm(高)×7 300 mm(宽)×13 060 mm。中横梁为工字形。全桥设4道2 000 mm×800 mm工字形纵梁。拱肋为1 800 mm×2 000 mm等截面箱形，上、下拱肋在拱脚处联结在一起。

2 桥梁施工方案及特点

图1 新开河大桥钢箱叠拱效果图

本桥两侧均接常规32 m简支箱梁，架桥机由小里程向大里程侧架梁，拱脚内侧净距14 m，考虑运梁车和架桥机运架普通简支箱梁的需要，需在成拱前通过运梁车和架桥机。本桥采用先梁后拱的施工方法，主要步骤为:

施工主桥桩基及墩身→施工临时墩及支架→架设系梁→分段吊装钢纵梁、横梁→横放工字钢横梁，上铺20 mm厚钢板，形成临时运梁通道→过运梁车及架桥机→安装拱脚段→搭设支架，拼装拱肋成拱→安装横撑，修补拱肋涂装→拆除拱肋支架→安装吊杆，施加吊杆初张力→分段现浇桥面板→施工人行道、栏杆等桥面系。

3 施工检算

3.1 临时桥面系检算

本桥桥面设计为钢混结合体系，为保证成桥后钢混结合桥面系质量，运梁车及架桥机通过期间采用钢结构临时桥面系，总长140.5 m。在纵横梁剪力钉之间横桥向铺设I22b型钢，工字钢顶面铺设δ=20 mm钢板，焊接成整体桥面，架梁完成后拆除临时桥面系。考虑到138 m钢箱叠拱与两侧32 m简支箱梁桥面的高差，为满足运梁车的最大爬坡能力，在拱桥端部与简支梁连接处形成坡度，端横梁部分工字钢变为I25b/I28b。工字钢纵向最大间距按20 cm设计，与剪力钉的布置冲突时，可适当移动。

运梁车横向轮距为5.0 m，轮宽为1.2 m，总宽度为6.2 m，运梁车支腿中心距为5.8 m，作用宽度为0.5 m，总宽度为6.3 m。考虑以上因素，工字钢长度取8.0 m，钢板宽度取3.0 m。临时桥面系断面见图2。

图2 临时桥面系断面(单位:mm)

(1)运梁车计算图式

运梁车为TLC900型号，额定负荷9 000 kN，自重2 800 kN，共16个轴，64个轮胎。偏装运输32 m箱梁荷载计算图示见图3。

图3 偏装运输32 m箱梁工况(单位:m)

(2)临时桥面板检算

工字钢沿桥纵向间距为20 cm，TLC900运梁车采用的为26.5R25轮胎(宽714 mm)，根据图3工况知:P1～P8的单胎作用面积为3 384 cm2，单胎作用力为195 kN;P8～P16的单胎作用面积为1 934 cm2，单胎作用力174 kN。检算临时桥面板时，轮胎接地面积采用700 mm×400 mm(纵×横)，最大均布压力为195/(0.4×0.7)=696.4 kPa。

采用Midas软件中板单元建立临时钢板的模型，依据运梁车偏装运输32 m箱梁荷载工况，考虑荷载最不利布置后，计算钢板的最大应力为39.8 MPa＜［σ］=135 MPa，强度满足。

(3)临时工字钢检算

I22b型钢腹板检算:腹板厚度9.5 mm，轮胎宽度为700 mm，受压承载力为898 kN。单个轮胎的最大作用力为195 kN＜898 kN，满足要求。

I22b型钢截面模量Wx=325 cm3，根据《铁路桥涵钢结构设计规范》(TB10002.2—2005)I22b型钢的弯曲容许应力［σw］=140 MPa，截面容许弯矩［M］=Wx×［σw］=45.5 kN·m，工字梁横向支承于与纵梁之上，根据纵梁间距得出工字钢的计算图式见图4。根据轮胎的接触面积，假定运梁车每侧的一个轴重由2条I22b型钢承担，即1条工字钢承重195 kN，均布在每侧纵梁间2 m范围内的工字钢上，均布荷载集度q=195/2=97.5 kN/m。

图4 工字钢计算图式(单位:m)

计算得 Mmax=41.4 kN·m ＜［M］，σw=127 MPa，工字钢强度满足规范要求。

3.2 运梁车过梁检算

(1)临时支墩的布置

设计初期按照不影响富民大街机动车通行的原则，同时满足相关计算要求，在模型的每侧系梁布置6个支承点，具体位置见图5。

图5 临时支墩布置(单位:m)

(2)模型的建立

采用Midas中的梁单元建立无拱肋的纵横梁模型，荷载考虑结构自重、临时桥面系荷载等，计算中将运梁车荷载分别加在4道纵梁上，然后进行组合。由于运梁车过梁时速度很慢，故不考虑运梁车的动力作用。

(3)计算结果

通过计算，运梁车过桥时，纵梁的最大应力为25.2 MPa，横梁最大应力为71.6 MPa，系梁最大应力为37.5 MPa。恒载作用下的桥梁最大竖向位移为－3.5 mm，恒载+运梁车作用下的最大竖向位移为－12.1 mm。计算结果均满足规范要求。

3.3 架桥机过梁检算

采用运梁车驮运架桥机过梁，根据TLJ900型架桥机桥间转移图，无论是低位驮运过桥还是高位驮运过桥，总架桥机作用力为5 600 kN，远小于32 m简支箱梁重，故该荷载工况不控制。

3.4 架桥机架设箱梁检算

(1)架设过程中整体检算

建立Midas模型，将架设过程中的运梁车各轴重分摊到此位置的4道纵梁上，不考虑运梁车的每个单胎作用力对纵梁的扭转作用。架桥机支腿反力、运梁车支腿反力及P1按集中荷载加到端横梁上，并考虑对端横梁产生的扭矩。

计算结果表明:架梁过程中梁体最大竖向位移为－13.1 mm，最大组合应力为78.3 MPa，均出现在第13道横梁附近，计算结果满足要求。

(2)架设过程中局部检算

由于架设本桥两端简支箱梁过程中，端横梁上顶板要承受巨大的架桥机支腿反力，同时端横梁又为箱室结构，受力复杂，需建立有限元模型进行局部分析。考虑架桥机支腿位置及作用力关于桥面中心线对称，计算中沿桥面中心线取一半端横梁进行分析，对称面上设对称约束，采用Midas板单元建立模型如图6所示，支腿作用力按面荷载考虑。

图6 端横梁局部计算模型

根据架桥机架设荷载工况，在架设本桥两侧的简支箱梁过程中，端横梁要承受的前支腿最大反力为3 110 kN，后支腿最大反力为2 215 kN。通过Midas局部模型计算，借助简单的桥面板局部加劲，端横梁上顶板应力均超过钢材的屈服强度，应力和变形均不能满足要求。

考虑到尽可能地将支腿反力传至桥墩承受，减少端横梁上顶板的受力，最终施工方案采用支腿下设50 mm厚的钢垫板N4，并在端横梁内外部加竖向钢支撑，且内外钢支承要求竖向对齐支腿中心，钢支承下部为了达到支承端横梁的目的，在钢支承下部与端横梁底板考虑用楔形钢板N5打紧，前支腿钢支承构造见图7。

采用上述措施后，前、后支腿作用下端横梁顶板最大正应力分别为111.4 MPa和97.2 MPa，最大组合应力分别为107.7 MPa和86.4 MPa，同时对架桥过程中内外部钢支承的应力、变形进行了检算，结果表明上述均满足规范要求。

图7 前支腿钢支承截面(单位:mm)

4 结语

通过对成拱前运梁车过梁和架设箱梁过程分析，研究了钢箱叠拱桥纵横梁和端横梁的受力特点，为制定可行的施工方案提供依据，为以后同类桥梁的施工检算提供有益参考。

［1］中铁第一勘察设计院集团有限公司.新开河特大桥施工图设计文件(第二册)［Z］.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009.

［2］中华人民共和国铁道部.TBl0002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［3］中华人民共和国铁道部.TB 10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［4］中华人民共和国铁道部.TBl0002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［5］中华人民共和国建设部.GB50017—2003 钢结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［6］郑健.中国高速铁路桥梁［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［7］马树新.铁路客运专线双线整孔箱梁运输与架设技术［J］.工程质量，2007(6).

［8］中华人民共和国铁道部.TBl0621—2009高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［9］周德，叶梅新.高速铁路下承式钢箱系杆叠拱桥的受力分析［J］.钢结构，2009(5).

［10］张增亚，曾德荣，王雷.宽体板拱桥空间受力分析［J］.重庆交通学院学报，2006(6).