转体施工连续梁中跨钢壳法合龙方案改进及分析

刘正飞，王常峰，窦国昆，李 颖

(烟台大学 土木工程学院，山东 烟台 264005)

近年来，我国的交通运输事业发展迅猛，路线的交叉也越来越多，这对跨线桥梁的施工提出了新的要求。特别是很多跨既有铁路线的桥梁，梁底与既有线电气化接触网上方的距离非常有限，若用吊架配防护棚[1-3]、挂篮配防护罩[4]等传统的合龙方法，施工所需的机具设备多，程序复杂，施工周期长，安全风险大，对既有线影响大，改造工程量大。而钢壳法可以避免封闭不严导致的风险，可以有效减少合龙段施工的风险，将对既有线的施工干扰降到了最低。

钢壳法虽是新型的合龙施工技术，但在国内已经是较成熟的工艺。此法在集包铁路增建第二双线霸王河1号特大桥(60+100+60)m转体连续梁中跨合龙[5-6]时首次研究发明并运用，目前已经在武咸铁路上跨武广客专[7]、京石客专[8]、宝兰客专[9]、青连铁路等多个项目的合龙施工中得以实践。钢壳代替模板，无拆除和防护工序，减少了天窗点作业时间[10]，降低了安全风险，而防护涂装工艺使钢壳与箱梁浑然一体，既防腐又美观。

尽管钢壳法优势明显，但其本身也存在着不足，给施工造成不便。本文以青连铁路日照特大桥(60+100+60)m转体连续梁为依托，对带肋钢壳方案进行了改进。采用悬吊钢壳方案并建立有限元模型，对比方案改进前后钢壳的受力状态，分析钢壳各组成构件应力与变形，以模拟钢壳的实际受力，为优化施工及顺利完成合龙提供依据。

1 带肋钢壳方案分析

1.1 带肋钢壳方案

根据合龙段的长度(2 m)和断面尺寸(如图1所示)来设计钢壳尺寸及所用材料。钢壳顺桥向总长4 m，其中预埋段钢壳长1.65 m(预埋1.00 m，外伸0.65 m)，嵌补段长0.70 m。钢壳面板采用Q235、厚12 mm的钢板，共由3部分组成，分别为底板、腹板和翼缘板，并严格按照钢壳断面尺寸下料。顺桥向钢壳内侧焊接肋板，钢壳外侧焊缝需打磨平整，并涂防护漆。用吊车吊装钢壳嵌补段，将其与预埋段焊接成整体，安装钢筋和预应力管道，加固钢壳，最后用汽车泵浇筑合龙段混凝土。

图1 带肋钢壳方案横截面布置(单位：cm)

1.2 带肋钢壳方案的不足

用ANSYS建立有限元模型，计算结果显示，钢壳的最大拉压正应力、主应力及最大剪应力均小于容许应力，钢板变形小于容许值，故带肋钢壳的强度及刚度均满足施工要求。

由1.1节介绍可知，原方案在顺桥向钢壳内侧焊接钢板作为肋板，用以加强钢壳的强度和刚度及其与合龙段混凝土的连接。但施工过程中，为安装普通钢筋和预应力钢筋，需在内侧肋板上打孔，因而给施工造成很多不便和困难。且打孔会削弱结构的承载力，也增加了有限元模拟分析的难度。

2 悬吊钢壳方案分析

2.1 悬吊钢壳方案

针对带肋钢壳方案的缺点，本桥采用悬吊钢壳方案(如图2所示)，将之前的肋改为吊杆连接，对施工的影响由面降低到点。具体改进如下：钢壳内侧焊接锚钉(φ19钢筋)，锚钉与钢筋拉杆(φ20精轧螺纹钢)焊接，钢筋拉杆上部锚固于顺桥向悬吊梁上，悬吊梁两段伸入悬浇梁50 cm。其中底板拉杆锚固在底板悬吊梁(2[16a)上，腹板拉杆贯穿箱梁竖向锚固在桥面的腹板悬吊梁(2[32a)上，翼缘板拉杆锚固在翼缘板悬吊梁(2[16a)上。施工箱梁顶板时，可在底板悬吊梁上搭设碗扣支架。

此改进方案解决了钢筋安装问题，施工工艺更简便。锚钉与钢筋拉杆在横桥和顺桥双向有间距布设，节省了钢材，减轻了合龙段自重，同时其受力明确，与梁体连接牢固，增强了钢壳的整体刚度。

2.2 悬吊钢壳模型分析

2.2.1 钢壳所受荷载

钢壳承受的竖向荷载：合龙段箱梁的顶板、翼缘板、腹板、底板处混凝土自重、模板自重及施工活载。其中横隔板下钢壳所受荷载按照腹板下加载。

钢壳承受的水平荷载：倾倒混凝土产生的水平荷载和混凝土作用于模板的侧压力。侧压力计算可按下列公式[11]计算，并取其中的较小值。

F=0.22γct0β1β2V1/2

(1)

F=γcH

(2)

2.2.2 悬吊钢壳有限元模型

以ANSYS建立模型，悬吊钢壳共划分为 7 624 个单元，7 758 个节点。钢壳为三维受力，分析时锚钉及拉杆用桁架单元模拟，面板和悬吊梁分别用板壳单元和梁单元模拟，预埋段钢壳按照固结处理。

2.2.3 钢壳面板应力与变形分析

本分析主要关注钢壳面板的桥梁横向、竖向、纵向正应力，第一和第三主应力，x-y面、y-z面及x-z面剪应力和钢壳面板的变形。

由模型分析结果可知：

1)x向(桥梁横向)、y向(桥梁竖向)、z向(桥梁纵向)最大拉应力和最大压应力均小于容许应力145 MPa；

2)最大主拉应力(第一主应力)和最大主压应力(第三主应力)均小于容许应力145 MPa；

3)x-y面、y-z面、x-z面剪应力均小于允许剪应力80 MPa。

4)钢板最大变形3.485 mm，发生在箱梁腹板底，刚度满足要求。

2.2.4 钢筋拉杆及锚钉轴力与变形分析

钢筋拉杆及锚钉分析结果如图3所示。

图3 钢筋拉杆及锚钉分析结果

由分析结果可知：

1)单根精轧螺纹钢拉杆可承受的拉力为125.66 kN>22.074 kN，满足要求。

2)锚钉所能承受的拉力为119.28 kN>22.074 kN，满足要求。

3)钢筋拉杆及锚钉最大结构变形为2.371 mm，满足要求。

3 方案改进前后结果对比分析

对比表1结果分析可知，悬吊方案的钢壳应力较带肋方案，除y-z面剪应力外均有所增加，增幅为6%到154%，但结果均满足要求。说明悬吊钢壳受力状态良好。

表1 方案改进前后结果对比 MPa

4 结论与建议

本文对转体施工连续梁中跨钢壳法合龙方案进行了改进与分析，通过以上分析，可以发现：

1)带肋钢壳的强度及刚度完全满足规范要求，但施工过程中肋板会妨碍钢筋的安装，给施工带来不便。

2)悬吊钢壳的强度及刚度均满足规范要求，实际施工时结构安全可靠，说明此改进方案可以满足合龙施工要求。

3)悬吊方案将肋板改为吊杆连接，降低了施工难度。本方案的改进，对结构的稳定性、安全性及优化设计等方面具有重要意义[12]。

4)为减少钢壳的应力和变形，可在混凝土浇筑前对钢筋拉杆施加部分预张力。

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