大跨径钢箱梁转体T构挠度与受力研究

田山坡

（中国铁路设计集团有限公司，天津市 300251）

0 引言

随着我国交通基础设施建设的快速发展，公路及市政道路跨越铁路桥梁日益增多，转体刚构桥承载能力高、结构刚度大，施工操控性好，且最大限度的减小了对桥下铁路交通运输的影响，故而应用前景广泛，日益成为跨越既有繁忙铁路干线尤其是高速铁路的首选方案。

但城市高架桥跨越铁路段桥梁常位于曲线上且受平面线型影响桥梁跨度往往较大，该类结构空间效应明显，结构受力性能复杂，受条件影响只能采用转体法施工，国内相关桥梁的设计及研究尚无可借鉴的先例。因此本文以太原市卧虎山路改建工程跨石太客专及石太线立交桥为例，针对大跨径曲线转体桥的是否带塔（转体段主梁设置临时索塔及拉索）、预拱度设置、成桥弯矩、墩顶截面应力、支座压力控制等关键技术及受力性能进行研究，以期为此类结构的设计提供参考[1-6]。

1 工程概况

卧虎山路是城市快速路系统的一部分，是建设路快速路的北延，是北部片区东侧的快速路东环线，它的建成将有利于进一步推动城市北部片区建设的进程，对于充分发挥政府职能，加快当地经济社会文化事业的发展，促进全市经济和社会的健康协调发展，具有十分重要的意义。

卧虎山路改建工程位于中心城区东北部，起点现状卧虎山路，向南跨过北涧河后转向西南，经太原动物园，上跨石太高铁后高架落地，与北中环涧河路立交衔接。卧虎山路改建工程采用高架线路，路段全长3 480 m，横断面采用整幅双向六车道，标准桥宽28.5 m。

桥梁沿道路线位走向，自北向南需依次跨越石太铁路上行、石太客专下行、石太客专上行、石太铁路下行等多条高铁或电气化铁路。上跨铁路桥位于R=150 m的圆曲线、缓和曲线和直线上，且为满足铁路限界要求桥梁孔跨较大，因此梁部采用钢箱梁。根据以往桥梁建设经验以及所跨越铁路铁路运营繁忙的特点，考虑桥跨在经济合理的条件下尽可能做到对铁路影响最小，本次跨铁路处主桥设计为2孔100 m钢箱梁转体T构。

转体墩位于既有铁路北侧。上部结构为100 m+100 m变高度钢结构箱梁转体T构，梁全长200 m，一次转体就位，不再预留后拼段。桥梁为整幅设桥，桥面宽28.5～31.409 m。桥梁的布设以整个转体施工过程结构与接触网带电部分的高度不小于0.7 m，并且不侵入现状铁路允许限界为基本原则，同时考虑预留足够的安全距离。桥型布置见图1。

主桥上部结构箱梁采用单箱五室截面，T构中间支点处梁高7.5 m，边支点梁高3.5 m，梁底线形按1.8次抛物线变化。采用直腹板；箱梁顶板厚16～40 mm；底板厚度为16～36 mm；中、边腹板厚度为16～24 mm。端支点横向各设三个支座，中支点墩梁固结。钢箱梁立面及平面见图2，钢箱梁断面见图3。

图1 桥型布置图（示例）（单位：mm）

图2 钢箱梁一般构造图（单位：mm）

图3 钢箱梁断面图（单位：mm）

2 工况分析

结合具体实施情况选取以下工况进行对比分析，工况一，带塔、梁端不加顶升；工况二，带塔、梁端加顶升；工况三，不带塔、梁端不加顶升；工况四，不带塔、梁端加顶升。以四种工况为例对梁部预拱度设置、成桥阶段墩顶弯矩、墩顶附近施工阶段截面应力、成桥及运营阶段支座压力进行详细分析研究。为便于结果比较，四种工况对应同一种计算模型进行相应处理。

为避免转体过程中出现较大的挠度转体时，带塔转体，带塔具体布置见图4。转体前在主墩对应主梁桥面上设置临时索塔，索塔由8根直径1 200 mm的钢管柱与型钢焊接而成，高度为桥面以上29 m。顺桥梁向设置5组Φ5×91平行钢丝拉索，一端锚固在临时索塔上，一端与梁体连接，通过拉索对转体前梁体施加拉力，确保转体过程中梁体不产生较大的挠度，转体完成，支座安装就位后，将索塔及斜拉索拆除。

图4 带塔布置图（单位：mm）

3 分析结果

3.1 梁部预拱度设置对比

（1）工况二，带塔、梁端加顶升预拱度设置见图5。从结果可知，带塔后拆除临时支墩后梁端下挠16.9 cm，梁端加顶升把这16.9 cm挠度顶平后跨中挠度回缩了3.5 cm；带塔转体时梁端挠度值已不是很大，通过设预拱度可满足设计需要；既带塔再加梁端顶升的意义不是很大，此种情况下转体后梁端顶升可以不加，完全靠设置预拱度来满足设计需要。

图5 工况二预拱度设置图（单位：mm）

（2）工况四，不带塔、梁端加顶升预拱度设置见图6。从结果可知，不带塔、拆除临时支墩后梁端下挠79.9 cm，梁端加顶升把这79.9 cm挠度顶回54.4 cm后梁端还剩25.5 cm；不带塔转体时梁端挠度值很大，通过梁端顶升消除一部分位移后再设预拱度可满足设计需要，设置预拱度的幅度明显减小，梁端加顶升的意义显现，如果梁端不加顶升只靠设预拱度来满足设计需要这样给钢箱梁加工及成桥线形控制带来很大困难。

3.2 中墩顶附近截面未安装支座时应力对比

（1）带塔，不加顶升及加顶升后至临时塔拆除阶段应力见图7、图8；梁端顶升位移为16.9 cm，梁端顶平为止。墩顶截面，主梁上缘拉应力由29.8MPa变化为20.4 MPa，主梁下缘压应力由-51.6 MPa变化为-38.4 MPa，变化幅度分别为9.4 MPa和13.2 MPa。跨中截面，主梁上缘由拉应力1.89 MPa变化为压应力-17.1 MPa，主梁下缘由压应力-26.2 MPa变化为拉应力0.94 MPa，变化幅度分别为18.99 MPa和27.14 MPa。从变化结果看，带塔情况下转体后梁端再施加顶升来调整截面应力已经意义不大。

图6 工况四预拱度设置图（单位：mm）

（2）不带塔，不加顶升及加顶升应力见图9、图10：梁端顶升位移为54.4 cm，剩余梁端位移量通过设置预拱度来解决。墩顶截面，加顶升后主梁上缘拉应力由94.4 MPa变化为56.8 MPa，主梁下缘压应力由-115.7 MPa变化为-69.6 MPa，变化幅度分别为37.6 MPa和46.1 MPa，变化幅度均较大。跨中截面，加顶升后主梁上缘拉应力由74.6 MPa变化为12.1 MPa，主梁下缘压应力由-96 MPa变化为-15.8 MPa，变化幅度分别为62.5 MPa和80.2 MPa。由此可知，不带塔情况下转体后通过梁端施加顶升力来调整截面应力效果较为显著。

图8 带塔、拆除临时支墩及梁端顶升、去除塔后工况主梁下缘应力对比图

图9 不带塔不加顶升拆除临时支墩及不带塔梁端加顶升工况主梁上缘应力对比图

图10 不带塔不加顶升拆除临时支墩及不带塔梁端加顶升工况主梁下缘应力对比图

3.3 墩顶截面成桥弯矩对比

4种工况下，墩顶成桥弯矩数值见图11、图12；带塔转体后梁端不加顶升成桥阶段墩顶主梁弯矩为-837 950 kN·m，带塔转体后梁端加顶升成桥阶段墩顶主梁弯矩为-706 554 kN·m，减小15.7%。不带塔转体后梁端不加顶升成桥阶段墩顶主梁弯矩为-1 353 308 kN·m，不带塔转体后梁端加顶升成桥阶段墩顶主梁弯矩为-909 532 kN·m，减小32.8%。从变化幅度看，不带塔情况下转体后梁端再施加顶升来调整墩顶截面弯矩效果明显。

图11 带塔梁端不加顶升及带塔梁端加顶升工况主梁成桥阶段弯矩对比图

图12 不带塔梁端不加顶升及不带塔梁端加顶升工况主梁成桥阶段弯矩对比图

3.4 成桥及运营时支座反力对比

四种工况，转体后顶升及不顶升的成桥及运营时支座反力见表1～表4（单位：kN）。从工况一及工况二结果看，带塔转体后梁端顶升与否运营时支座反力均满足设计需要。工况三（不带塔、梁端不加顶升），运营时72号墩右侧支座出现较大拉力，不满足设计需要。工况四（不带塔、梁端加顶升），运营时支座均有较大压力储备，满足设计需要。

表1 工况一：带塔、梁端不加顶升kN

表2 工况二：带塔、梁端加顶升kN

表3 工况三：不带塔、梁端不加顶升kN

表4 工况四：不带塔、梁端加顶升kN

4 结 语

该文对2孔100 m钢箱梁转体T构在不同工况下挠度设置、墩顶截面应力及弯矩、支座反力值进行了对比分析，得出以下结论：

（1）带塔转体，降低了主梁预拱度设置难度、改善了主梁截面受力、运营时支座压力得到保障，条件允许及对成桥线形要求较高时建议采用带塔转体工艺。

（2）不带塔转体，在转体就位后的主梁梁端施加顶升力的施工方法，梁端位移调整的幅度较大，虽加大了主梁预拱度设置难度，但亦能够较好的改善主梁截面受力，运营时支座压力同样能够得到保障。卧虎山路桥梁转体成功并交付运营，说明该方法是切实可行的。

（3）当进行跨线桥设计时，平面线形受限，顶推方案无法实施，且需要大跨度跨越时，该类桥型的优越性更趋明显，该桥型在跨线桥工程中具有广泛的应用前景。