顶推钢导梁与主梁新型连接方式研究

张威振，杨素娟

(1.湖南中大设计院有限公司，长沙　410075；2.湖南高速铁路职业技术学院，湖南衡阳　421002)



顶推钢导梁与主梁新型连接方式研究

张威振1，杨素娟2

(1.湖南中大设计院有限公司，长沙410075；2.湖南高速铁路职业技术学院，湖南衡阳421002)

摘要：常规顶推施工中钢导梁与主梁多采用精轧螺纹钢连接方式。由于某铁路桥主梁腹板厚度较薄、导梁与主梁高度不相匹配，采用常规的连接方式难以满足受力的需要。为解决这一难题，对常规顶推方案进行改进与创新，提出一种剪力分配梁与水平向精轧螺纹钢相结合的新型连接方式，方便地解决了工程实际需求。实践证明，该连接方式操作简单、适用性强。该方案的成功运用可以作为类似跨线桥(跨铁路、公路等)顶推施工导梁连接方案的借鉴。

关键词：铁路桥梁；精轧螺纹钢；剪力分配梁；顶推施工；导梁连接

随着社会的发展，人们对桥梁的要求不单为满足交通功能，在美学上也有了更高的要求。特别是在城市建设中，有时受到诸多条件的限制(比如跨越铁路既有线、高速公路、防洪大堤以及城市繁华街道时)，需要采用跨径相对较大、且施工较为安全的桥型方案，顶推连续梁可以极大地满足这类需要[1-3]。

顶推导梁常见的形式是工字型钢结构，底部光滑平整便于顶推施工，其与主梁多采用精轧螺纹钢进行连接。实际施工时有时会遇到现场可以直接用的导梁梁高与主梁不相匹配的情况，且受到主梁腹板厚度的限制，没有足够的空间布设受力所需精轧螺纹钢，此时需对常规的连接方式进行改进以满足施工过程中的受力需要[4-5]。

1概况

某跨铁路桥上部结构采用(40+50+40) m预应力混凝土顶推连续箱梁，采用双箱单室斜腹板截面，梁高380 cm；箱梁顶面外、内侧悬臂板长分别为515、400 cm，箱梁底面悬臂板长397 cm，腹板厚85 cm；本桥采用的施工方案为先搭设箱梁预制顶推平台，预制上部70 m主梁段，箱梁浇筑完毕后顶推就位。再在主梁段两端搭设支架，然后现浇30 m边跨箱梁。

施工单位实际采购到的钢导梁采用钢板梁与钢桁架相结合的结构形式。钢导梁总长34 m，分为4个节段，长度分别为1.1、8、13、11.9 m。每幅箱梁的钢导梁分左右两片，端部高度为548 mm，根部高度为2 982 mm，顶底板钢板厚度为30 mm，腹板钢板厚度为24 mm。两片钢导梁之间采用φ219 mm×8 mm横撑及φ114 mm×8 mm斜撑进行横向连接。钢导梁各段之间采用螺栓及焊接连接，上翼缘、下翼缘及腹板采用拼接板并用高强螺栓连接，各段之间留有2 mm的间隙，并且对下翼缘下表面打磨光滑，确保顶推施工时下翼缘下表面通长光滑平整。

2导梁连接方式

由于受工地实际情况的制约，该桥实际采购的导梁根部高度为2 982 mm，与主梁梁高3 800 mm不匹配，且导梁与箱梁连接处腹板厚度仅为85 cm，空间狭小难以布置抗剪所需的螺栓群。

钢导梁在顶推过程中，由于边界条件的不断变化，其连接部位受到的剪力与弯矩处于不断变化的过程当中，其导梁受到向下的最大剪力由悬臂最大状态对应的导梁重力产生，此剪力由腹板布置的精轧螺纹钢承担一般承载能力可以满足要求；当连接部位处于超静定状态时受到的向上的剪力一般较大，由于受腹板空间及导梁与主梁高度不匹配的限制，单纯依靠腹板布置的螺栓群难以满足抗剪的需求，本工程采用在箱梁顶部设置水平剪力梁的方式来承担向上的强大剪力。

在箱梁的两腹板对应位置设置2排纵向的剪力分配梁，梁高为500 mm，顶、底板与5道纵向的钢腹板组成格构箱室，钢板均采用20 mm厚Q235B，为防止腹板的局部失稳，在布置有精轧螺纹钢及对应焊接底座的位置、导梁连接端部设置11道由10 mm厚的Q235B钢板组成的横向加劲肋。分配梁尾端底板与预埋在箱梁中的钢板焊接连接，预埋件采用20 mm厚Q235B钢板通过φ25 mm的钢筋与混凝土主梁锚固连接，预埋件沉入混凝土面20 mm，待主梁顶推完成后用水泥砂浆抹平。由于箱梁横坡的存在，注意采用20 mm厚的钢垫板进行调平。

箱梁的端面布置双层厚20 mm、宽800 mm的Q235B钢板，两层钢板的净距为210 mm，中间布置41道由12 mm厚的Q235B钢板组成的横向加劲肋，形成稳定的箱室结构。此钢板与预埋在箱梁中的钢板焊接连接，预埋件采用20 mm厚Q235B钢板通过φ25 mm的钢筋与混凝土主梁锚固连接。钢板与混凝土箱梁端面之间的空腔部分采用C55水泥浆充填。钢导梁与分配梁之间的高差部分采用由20 mm厚Q235B钢板焊接成的工字钢填充C55高强混凝土封闭的连接方式，便于结构的剪力传递。导梁连接部位示意见图1、图2。为便于力的传递，螺纹钢在混凝土中交错布置，由于顶推过程中的螺栓群受力大，如果对其进行张拉会导致超过其抗拉极限强度，故对其不予张拉，按普通螺栓考虑。锚筋大样图3中A1、A2长度为2 800、2 500 mm，B1、B2、B3、B4长度分别为1 900、1 950、2 100、2 150 mm。拼装完成后的实地照片如图4所示[6-8]。

图1　导梁连接断面(单位:mm)

图2　导梁连接立面 (单位:mm)

图3　预埋锚筋大样(单位:mm)

图4　拼装完成后的剪力分配梁

3模型建立与受力分析

由于梁体连接部位在施工过程中受到的弯矩正负交替变化使得结构受力复杂，为尽可能模拟实际施工的工况，采用有限元软件Midas Civil 2013进行建模分析，由于采用平面杆系，为便于建模将两片导梁按照特性等效的原则进行合并，纵横向支撑作为荷载施加到钢导梁上。主梁和钢导梁每个单元长度均为1 m，主梁共70个单元，钢导梁共34个单元，按顶进1 m为一个施工阶段，整个顶推过程共有88个施工阶段，通过支承条件的变化模拟顶推施工过程。墩用固定支座模拟，与梁用仅受压的弹性连接，弹簧的刚度系数SDx=1.7×106kN/m，在E4墩墩顶加1个水平方向的约束，如图5所示[9-10]。

图5　顶推施工模型

由上述整体计算模型可得导梁与主梁连接部位的弯矩、剪力步骤时程曲线如图6、图7所示。

图6　弯矩步骤时程曲线

图7　剪力步骤时程曲线

图6、图7中的内力值为两片导梁对应的合计值，对图中各个步骤时程对应的剪力、弯矩值进行分析比较，得到单片导梁连接部位的控制剪力、弯矩设计值如表1所示。

表1　导梁连接部位内力设计值

4承载力验算

根据弯矩由水平向的精轧螺纹钢承担，向上的负剪力由剪力梁承担，向下的正剪力由水平向的精轧螺纹钢承担的原则进行承载能力验算。

单根PSB785、直径为32 mm的精轧螺纹钢能承受的最大抗拉力为

最大抗剪承载力为

图8　水平螺栓群受力示意

按普通螺栓连接的计算方法验算水平向精轧螺纹钢的抗弯承载力。最大弯矩为正，因此取顶缘为螺栓群轴线，受力图示如图8所示，则在弯矩作用下，可得单根螺栓受最大拉力为

图9　剪力梁及竖向螺栓群受力示意

剪力梁承担全部向上的最大剪力，取剪力梁尾部为支点，受力图示如图9所示，可得竖向精轧螺纹钢中单根承受最大拉力为

对于向下的剪力及对应的负弯矩(受力图示与图8类似，但弯矩作用方向相反)可全部由水平向精轧螺纹钢承担，取底缘为螺栓群轴线，可得单根螺栓承受最大拉力为

单根螺栓承受最大剪力为

在弯矩与剪力共同作用下

安全储备足够。

由上述计算可知，精轧螺纹钢的承载力均能满足规范要求，此方案安全、可靠。

5结论

在实际的工程中有时会遇到导梁高度与主梁梁高不匹配、导梁与箱梁连接处腹板厚度较薄的情况，此时由于空间狭小，难以按照常规的设计思路布置抗剪所需的螺栓群。针对上述情况，提出了一种剪力分配梁与水平向精轧螺纹钢相结合的新型导梁连接方式，利用水平向的精轧螺纹钢承担正负弯矩，剪力分配梁承担向上的剪力，水平向的精轧螺纹钢承担向下的剪力，科学有效地解决了施工实际问题。

该桥梁设计采用顶推施工方案，由于施工方案及施工组织设计合理，施工期间铁路运输保持畅通，无一例安全事故发生。实践证明，当主梁腹板空间受限及导梁与主梁梁高不匹配的情况下，采用剪力分配梁与水平向精轧螺纹钢相结合的方式可以保证施工期间的安全，该方式可以作为类似跨线桥(跨铁路、公路等)顶推施工导梁连接方案的借鉴[11-12]。

参考文献：

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Research on New Type of Connection between Launching Nose and Main Girder

ZHANG Wei-zhen1， YANG Su-juan2

(1.Hu’nan Zhongda Design Institute Co.， Ltd.， Changsha 410075， China; 2.Hu’nan Technical College of Railway High-speed， Hengyang 421002， China)

Abstract：The screw-thread steel bar is often used for the connection between launching nose and main girder in typical incremental launching process. Because the thickness of the web plate is thin and the launching nose is not matched with the height of the girder， it is difficult to meet the needs of incremental launching construction by using conventional screw-thread steel bar connection method. To solve this problem， this paper presents a new method of connection by combining shear force distribution beam with horizontal screw-thread steel bars. The practice proves that the connection is simple and applicable. The successful application provides good and meaningful references for the launching nose connection of other similar flyovers (crossing over railway and highway).

Key words：Railway bridge; Screw-thread steel bar; Shear force distribution beam; Incremental launching; Launching nose connection

文章编号：1004-2954(2016)05-0037-05

收稿日期：2015-10-12； 修回日期：2015-10-16

作者简介：张威振(1979—)，男，高级工程师，2004年毕业于中南大学防灾减灾工程及防护工程专业，硕士研究生，E-mail：linquanzhang@yeah.net。

中图分类号：U445.462

文献标识码：B

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.009