先简支后连续结构在高速铁路渡线区桥梁的应用

寇延春,王德志,蒋啟明

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

引言

简支梁和连续梁是我国铁路桥梁最常用的两种结构形式，桥上渡线区无缝道岔要求桥梁结构采用刚度大、整体性好的连续梁结构，通常称“渡线连续梁”[1-2]，其特点是结构连续，截面等宽，一般采用现浇法施工。对于高墩、软土地基或跨越道路、河流上的渡线连续梁，支架现浇施工往往存在较大困难，工程造价高，且现场浇筑混凝土施工质量控制难度大。采用预制架设先简支后连续施工方案，则较好地解决这一难题，它由预制架设简支梁和湿接缝拼装构成，充分利用了简支梁预制架设施工方便的优点，通过体系转换后形成连续梁结构，具有连续梁的受力特征，并满足无缝道岔的受力要求。

本文结合福厦高铁福清西站渡线连续梁设计[3]，介绍渡线连续梁先简支后连续施工的技术特点。

1 工程概况

福厦高铁福清西站为两台四线，线间距(6.5+5+6.5) m，中间2条正线，两侧为到发线。小里程侧咽喉区2条到发线通过42号道岔与正线过渡。受地形和跨越道路、河道和供水暗渠等的影响，小里程咽喉区和站台区采用高架桥梁，根据无缝道岔要求，咽喉区采用7×32.7 m预应力混凝土渡线连续梁，最大墩高27 m。站台区中间正线采用标准跨度简支梁，两侧分别采用单线简支梁，在站区设置预制梁场，简支梁均采用预制架设施工[4-6]。见图1。

图1 福厦高铁福清西站渡线区连续梁平面示意(单位:m)

2 结构形式比选

7×32.7 m预应力混凝土渡线连续梁，线间距6.5 m，全联长228.7 m，梁部高度3.05 m，箱梁顶宽12.8 m。结合站台区单、双线简支梁预制架设施工方案和站区梁场的设置，该渡线区连续梁研究采用预制架设先简支后连续方案[7-8]。对于线间距6.5 m的渡线连续梁，单箱单室箱梁底宽7.0 m，箱梁顶底板受力大，配筋较多，裂缝难以控制，同时箱梁自重接近900 t。因此选用单箱双室和双箱单室两种截面形式比较，如图2所示。

图2 两种箱梁横断面尺寸比较(单位：cm)

单箱双室截面单孔梁重超过目前双线900 t架桥机的架设能力[9-10]，只能采用支架现浇施工；双箱单室截面采用两单线梁并置、湿接缝连接，单线550 t架桥机架设施工。技术经济比较见表1。

表1 两种箱形截面技术经济比较

从表1可以看出，双箱单室结构方案采用预制架设、先简支后连续的施工方法，充分利用既有运架梁设备，确保了施工质量，缩短了施工周期，同时避免桥下河道内搭设高支架，降低施工安全风险，与单箱双室支架现浇施工方案相比，技术经济效益明显。

本桥渡线连续梁选用双箱单室箱梁截面形式，其预制简支梁外部轮廓与到发线单线简支梁一致，并与到发线梁同步架设施工，采用先简支后连续施工方案，通过纵、横向湿接缝连接和体系转换，形成双线渡线连续梁。

3 梁部构造

3.1 梁部构造

7×32.7 m渡线连续梁，边跨梁长32.6 m，中跨梁长32.7 m，中支点处湿接缝宽度0.6 m，梁端预留伸缩缝0.1 m，因此边跨预制梁长32.3 m，中跨预制梁长32.1 m。到发线梁顶宽6.75 m，正线梁顶宽5.44 m，到发线与正线间湿接缝宽0.6 m，正线与正线间预留2 cm纵向缝，四线梁部全宽25.6 m，如图3所示。箱梁仅在支点处设置横隔板，全梁共设8道。

图3 四线箱梁结构截面示意(单位：cm)

3.2 梁端湿接缝

为确保梁端现浇湿接缝与箱梁之间良好结合、力的有效传递以及便于施工的要求，箱梁的连续端头做成马蹄状[11]，梁端预留接茬钢筋，一般使用搭接焊的方式进行连接，同时预留混凝土灌注条件。为了防止出现收缩裂纹，采用与梁体同强度的微膨胀混凝土。梁端湿接缝构造如图4所示。

图4 梁端湿接缝构造(单位：cm)

3.3 临时支座

临时支座应保证有必要的强度和刚度[12]，且方便拆装，设置高度应考虑临时支座压缩变形。一般使用硫磺砂浆，通过电热法进行体系转换。临时支座可以适当高出永久支座，在拆除时，必须保证桥梁逐孔处于对称均匀的受力状态。支座布置如图5所示。

图5 梁端支座布置示意(单位：cm)

3.4 负弯矩区钢索

支点处上、下缘钢索布置在箱内顶板和底板上，在箱内设置锯齿块张拉，由于箱内空间较小，应合理布置箱内锯齿块构造，以满足钢索布设要求。由于钢索长度较短，以及受箱梁架设安装施工误差的影响，容易引起预应力损失[13]，因此应加强施工质量控制。

4 结构体系及受力特点

4.1 受力特点

主梁在简支状态承受自身重力，经过体系转换成为连续结构后，承受二期恒载及使用阶段活载。各阶段跨中及支点恒载弯矩如图6所示。可以看出，先简支后连续结构弯矩位于简支梁和连续梁之间，跨中弯矩远小于简支梁，略大于连续梁跨中弯矩4%，支点负弯矩小于连续梁支点负弯矩7%。相比简支梁，由于支点处负弯矩的“卸载”作用[14-15]，使活载产生的跨中弯矩明显减少，从而改善了结构受力，使得结构更加合理。

图6 恒载弯矩图(单位：kN·m)

先简支后连续结构，在预制架设为简支结构时，由于变形结构是静定体系，简支梁预制60 d后架设，后期收缩徐变小[16]，且简支时收缩徐变不产生内力，支座产生的不均匀沉降也不产生次内力。体系转换后，由于恒载已使大部分沉降发生，混凝土收缩和徐变已部分完成，其后期沉降和徐变大大减少，不会产生较大的二次内力，因此先简支后连续结构受力性能具有明显的优越性[17]。

梁部后期徐变1.76 mm，较与一次成桥相比徐变减少1.34 mm。

4.2 活载偏载系数

利用有限元软件Midas Civil2010建立空间模型，对不同工况下的箱梁偏载系数进行计算，分析荷载、结构的空间效应[18-19]。在单、双线行车条件下，活载偏载对各墩产生的最大活载支反力，与平面杆件模型计算求得的支座反力比较，得到中墩最大活载支反力偏载系数1.21，如表2所示。

表2 最大活载支反力偏载系数

4.3 湿接缝施工

梁部施工步骤：墩顶设置临时支座，简支梁预制架设，纵、横向湿接缝连接，预应力张拉，体系转换成桥，拆除临时支座。为便于施工，墩顶横向湿接缝全断面整体一次浇筑，且能够提高结构的整体性；纵向湿接缝将榀梁连接形成整体结构后，再张拉支点二次预应力，使支点部位后浇混凝土处存在预压应力。纵向湿接缝宜分段浇筑以避免混凝土产生收缩裂缝，而体系转换由中墩向两端进行，利用固定支座形成稳定的结构支承体系。

5 结构分析

5.1 静力计算

恒载状态下，二次预应力使支点处上下缘预存不小于3 MPa的压应力，运营状态下，支点处最小正应力1.07 MPa，强度安全系数不小于4.0。梁部主要计算结果如表3所示。静活载作用下，最大挠度值3.1 mm，为跨度的1/10 447，梁端最大转角0.17‰rad。预制时到发线和正线设置相同的预拱度，最大值为1.2 cm。

表3 梁部主要计算结果

5.2 应力和变形分析

对于双箱单室结构，当两线荷载不一致时，必然引起两榀箱梁竖向变形差异，对跨中湿接缝横向受力和裂缝产生影响。采用MADIS软件建模，分析梁体在ZK活载作用下双箱单室结构竖向位移、桥面板横向应力，以及跨中横隔板设置对结构受力的影响[20]。

箱梁跨中不设置横隔板和设置横隔板两种工况下，选取第一跨跨中进行局部对比，箱梁最大变形分别为1.39 mm和1.35 mm，主要体现为竖向挠度。变形云图如图7所示，主要变形为跨中竖向挠度，跨中横向变形平顺，表明箱梁横向抗扭刚度大，有无跨中横隔板差异甚微。

图7 活载作用下竖向变形云图

从图8可以看出，应力较大区域位于中支点处轨道下部，顶板横向最大应力为0.8 MPa，纵向横隔板外最大主应力2.0 MPa。

图 8 恒载+活载组合下应力云图

分析表明：跨中横隔板对结构的竖向变形和顶板的应力都没有产生较大的影响，对于渡线连续梁双箱单室结构，跨中可以不设置横隔板。

5.3 运架梁检算

考虑以下工况进行运架梁检算：(1)在湿接缝没有施工前，梁体处于简支状态下，两片单线简支梁承受运架荷载；(2)湿接缝施工完毕，混凝土强度满足要求，但未张拉负弯矩钢索时运梁；(3)体系转换后，梁体承受运架荷载。同时考虑偏载系数和动力系数的影响。

结果表明：900 t运架一体机运梁荷载，在梁体处于简支状态下控制设计，主力工况下最大正应力15.54 MPa，最小正应力0.16 MPa；最小主拉应力1.14 MPa，最小强度安全系数2.55，最小抗裂安全系数1.86；主+附工况下上缘出现最小正应力-1.37 MPa。

6 结论

(1)对于高墩、深水、软土地基或跨越道路上的高速铁路渡线区道岔连续梁采用预制架设、先简支后连续的施工方案经济合理、技术可行；(2)先简支后连续结构体系受力合理，后期徐变小；(3)对于双箱单室结构渡线连续梁，跨中不设置横隔梁，梁体变形满足道岔受力要求。

该结构形式借鉴了简支梁预制架设的优点，既符合现场施工条件，较好地解决了桥下搭设支架施工的难题，又满足了无缝道岔对梁部结构的要求，特别是桥下不宜采用搭设支架现浇施工时，该方案技术优势明显。