铁路大跨度钢-混凝土组合梁桥转体施工力学分析

张 壮，牛忠荣，吴健安，黄煜寰，易中楼

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.中铁四局集团 钢结构建筑有限公司，安徽 合肥 230022)

随着铁路网的愈发密集，各条在建铁路与既有铁路和高速公路交叉、并行情况也愈来愈多，过去的桥梁形式和施工技术难以满足现代高铁桥梁高处跨越的要求。钢-混凝土组合梁桥是一种钢桁梁和钢筋混凝土组合而成共同受力的桥梁形式，极大地增强了桥梁的跨越能力并且减轻了桥梁自重，同时它所采用的转体施工技术可以有效缩短施工周期并减少对桥梁下方正常交通线的影响，因此被广泛地应用于高铁桥梁建设中。国内Qin等[1]介绍了中国大跨度高速铁路的发展与展望;吴宝诗等[2]对主桥钢混组合段进行了设计优化;楼金其[3]对钢混组合梁施工阶段进行了应变测试与分析。Zhang等[4]对大跨度钢混梁桥的抗震性能做了研究。

然而，桥梁建设中存在着一系列不确定因素,使得施工现场的安全问题频发，这时就需要通过施工前期的力学分析和施工中监控应力掌握桥梁的情况。本文以新建安庆—九江铁路引入庐山枢纽Ⅰ类变更,纳入瑞昌—九江铁路庐山特大桥96 m钢-混组合梁的转体施工为例，对桥梁转体施工过程进行力学分析，并结合有限元计算数据及现场监控数据分析桥梁施工中的受力状态，以确保桥梁施工安全，符合设计和质量要求。

1 工程概况

新建安庆—九江高铁拟建的庐山特大桥，跨越已建成的瑞昌—九江高铁线路。庐山特大桥位于江西省九江县，桥型采用1孔96 m钢混组合桁架梁，见图1，跨越范围为197#—198#桥墩，与瑞昌—九江高铁线夹角16°。庐山特大桥96 m钢混组合梁梁长98 m，支座中心至梁端1 m，桥面系部分采用预应力混凝土槽形梁，桥面以上采用钢桁架结构[5]。钢桁架采用无竖杆三角形桁架，节间长度12 m，主桁中心距6.7 m，桁高12.6 m。钢混梁桥底板混凝土强度为C55，容许的最大压应力25.3 MPa，最大拉应力为1.96 MPa；上部桁梁为Q370qE钢，容许应力为305 MPa。

图1 96 m钢混组合梁立面(单位：m)

2 钢混梁桥施工有限元分析

2.1 桥梁施工过程力学模型

本文采用有限元法[6-7]对庐山站特大桥96 m钢-混组合梁的转体架设施工过程进行力学建模分析，计算桥梁在施工各工况下的位移和应力值，以评估施工的安全性。混凝土桥面底板及其节点处钢板采用六面体8节点单元，单元数 112 670 个；钢筋采用杆单元，单元数 14 268 个；钢筋与混凝土之间采用内嵌(Embedded)约束，钢筋预应力采用降温法施加。钢桁架采用梁单元，单元数 1 380 个。钢混梁桥有限元分析模型如图2所示。

图2 钢混梁桥有限元模型

2.2 桥梁施工过程主要工况

对桥梁进行计算时除了考虑自重、施工荷载、风载以及温度荷载这些基本荷载以外，还考虑了钢混梁桥在转体施工过程中因落梁造成的不同步降落时的支座荷载工况，见表1。

表1 钢混梁桥落梁时的支座荷载工况

2.3 桥梁施工过程关键工况的计算结果

1)支座反力计算结果

令支座D分别下沉0，5，10，15，20，25 mm，采用有限元法分析，得到6种工况下的支座反力的变化，见表2所列。

表2 桥梁4个支座支座反力计算结果 kN

2)桥面及钢桁梁应力状态分析结果

采用有限元法对钢混梁桥在6种工况下的应力和变形状态均进行了计算，获得了桥梁在施工过程关键工况的应力场和位移场。这里以工况4为例，得到钢混梁桥混凝土底板跨中最大主拉应力云图和钢桁梁Mises应力云图，见图3。在所有6种工况下，钢混梁桥面混凝土跨中底板及钢桁梁的最大工作应力计算结果如表3所列。

图3 工况4应力云图(单位：MPa)

表3 整体应力计算结果 MPa

由表2、表3及图3可知，当支座D下沉15 mm时：①其他3个支座在同一平面高度，其最大的支反力在支座C处，为 9 747 kN，小于桥梁的设计值；②跨中底板最大主拉应力值为1.40 MPa，小于C55混凝土设计值1.96 MPa，见图3(a)；③钢桁架最大Mises应力值为78.05 MPa，远小于钢材许用应力值305 MPa，见图3(b)。根据该钢混梁桥的设计，支座反力的设计值为 11 182 kN。综上所述，可以认为桥梁4个支座的高程差在15 mm以内时，桥梁的施工处于安全状态。

而工况6下，支座C的反力到达了 11 250 kN,超过了支座反力的设计值 11 182 kN，为欠安全状态。根据表3的结果，当支座高差为15 mm时(工况4)，混凝土底板的最大拉应力为1.40 MPa，出现在跨中位置，容许应力为1.96 MPa；钢梁构件最大的Mises应力不超过80 MPa，远小于钢材的容许应力305 MPa。根据钢混梁桥结构施工过程的有限元法计算结果，可认为在转体施工和落梁阶段，该钢混梁桥4个支座的相对高差控制在15 mm以内，方为安全施工状态，并有一定的安全裕度。

3 钢混梁桥施工中应力测量和计算结果对比

3.1 钢混梁桥应力测点布置

在转体施工过程中结构应力是不断发生变化的，应该对转体施工中结构的关键部位的应力进行现场跟踪监测[8-9]，以避免桥体结构在施工中损坏。根据本工程特点，通过施工前的有限元法力学分析结果，获得钢混梁桥转体过程中混凝土底板和钢构件应力较大位置，并对这些应力较大处进行应力监控。

1)桥面混凝土底板测点布置

在转体施工工况条件下，主要测量桥轴向的最大应力。根据有限元软件分析结果，对于轴向拉应力较大的底板和腹板处，在混凝土浇筑前埋入钢弦式应变传感器，以监控桥梁应力变化，保证在施工过程中不出现应力突变，保障结构安全。在桥面混凝土底板上共布置20个测点，应力测点布置如图4所示。

图4 桥面混凝土底板测点布置(单位：mm)

2)钢桁梁测点布置

根据钢混梁桥整体结构的有限元法分析结果，对于钢桁梁应力较大的部位，焊接布置钢弦式应变传感器，保障结构安全。钢桁梁共布置8个测点，钢桁梁由东西2片桁架组成，应力测点沿构件轴向布置，如图5所示。

图5 钢桁梁应力测点布置

3.2 应力测量结果与计算应力对比分析

桥梁辅助支架完全拆除后，可认为桥梁处于简支状态。钢混梁桥底部支模拆除和转体过程施工完成后，采用现场应变传感器得到桥面板及钢桁梁相应测点的实测应力值，将测量结果与有限元计算结果进行对比分析，并对桥面板及钢桁梁的实际施工状态进行讨论。由于钢混梁高支模拆除和转体过程中，除了环境温度改变，桥的负荷状态没有特别变化，现摘取转体完成后钢混梁桥的现场应力部分测量结果与有限元计算应力结果进行对比，见表4和表5。

表4 桥面混凝土底板应力测量结果和计算应力值

表5 钢桁梁应力测量结果和计算应力值

对于钢混梁桥施工过程，由表4及表5的实测应力和有限元法计算应力值比较可以看出：

1)C55混凝土轴心抗压强度设计值为25.3 MPa，根据现场数据可得，该工况下，混凝土均为受压状态。混凝土实测压应力最大值在测点8(腹板混凝土)，实测应力值为-14.46 MPa，计算应力值为-8.53 MPa；底板混凝土最大压应力在测点3，实测应力值为-13.03 MPa，计算应力值为-6.82 MPa;在测点1处，实测应力值为-11.89 MPa，计算应力值为-6.82 MPa。各测点的实测及计算应力值均满足规范要求。值得注意的是，测点传感器是绑扎在底板下层钢筋处，理论上属于底部受拉状态，但这里底部混凝土的实测应力和计算应力显示结果是压应力，这是底板轴向预应力钢筋张拉时产生的压应力起到的有效作用。另一方面，计算的拉应力小于实测拉应力，是因为计算模型的载荷预测比实际载荷大，过多抵消了预应力钢筋张拉的压应力。在这里，实测的混凝土应力值应该更为真实。

2)C55混凝土轴心抗拉强度设计值为1.96 MPa，由有限元计算可得混凝土所受最大主应力为1.25 MPa，小于C55混凝土轴心抗拉强度设计值，满足规范要求。

3)钢桁梁测得最大拉应力值在测点23，应力值为48.82 MPa，计算应力值为38.40 MPa；最大压应力值在测点28，应力值为-83.64 MPa，计算应力值为-54.02 MPa，均小于Q370qE的抗拉和抗压强度设计值，满足规范要求。

4 结论

针对安庆—九江高铁线路庐山特大桥96 m钢-混组合梁桥的转体施工，本文对混凝土桥面板、钢桁梁进行了力学分析和现场实测监控，确保了该桥在施工过程中处于安全状态，得到结论如下：

1)针对该桥具体设计和施工特点建立了施工监控技术体系，经过施工监控的实践证明，本桥所采用的测试手段与方案运行可靠、性能良好并且测量数据准确，满足和适应了桥梁施工监控的技术要求。

2)本文详细阐述了实际建模分析过程，结合各构件的实际安装与焊接状态对桥梁的力学分析模型进行了简化。对比分析了钢混梁桥的现场测试结果与有限元法分析结果可知，本工程中所采用的简化力学模型计算速度快。在施加约束的位置以及支座附近会出现较大的应力集中现象，但对比实测值可知本工程计算过程中所采用的简化模型满足实际施工的应力分析需求。通过本文的有限元法分析结果，提出在该桥梁转体和落梁施工中，桥两端4个支座的高程差必须控制在15 mm以内，有效指导了该桥的安全施工，确保施工质量。

本文对转体施工过程中的桥梁建立力学模型，作力学分析以及现场监控，对比分析了实测数据与有限元法计算结果，可为类似工程提供借鉴与指导。