高速铁路大跨连续梁-拱现浇支架体系力学特性分析及线形控制

王广周

(中铁十五局集团有限公司，上海 200070)

在列车高速运行条件下，高速铁路桥梁结构的动力响应加剧，引起的荷载冲击、材料疲劳、结构耐久性等问题与普通铁路不同。因此，高速铁路桥梁结构必须具有足够的强度和刚度，以保证桥上轨道的高平顺状态[1]。为使高速铁路桥梁结构具有良好的动力性能，必须对桥梁结构刚度和线形进行严格控制。已有许多学者开展相关研究，黄艳军等以南广铁路大跨度支架现浇连续梁工程为例，研究砂袋加载预压的相关施工工艺[2]；郭志永等以滨江大桥独塔双索面宽幅斜拉桥工程为例，探索水袋加载预压的相关施工工艺[3]。实践表明，采用砂袋、水箱等材料加载预压，不仅存在分级预压时高空堆载安全风险大、堆载物易坍塌等安全隐患，也存在预压变形测量工作量大、高空测量精度难以控制等问题。

综上所述，为了降低高空作业安全风险、减少预压变形测量工作量、提高测量精度，依托徐盐高铁跨徐沙河(100+200+100) m连续梁-拱项目，使用有限元软件对现浇支架体系进行深度数据分析，以期达到节约成本、提高效率、缩短工期的目的。

1 工程概况

新建徐州至淮安至盐城铁路是江苏省“四纵四横”高速铁路网的重要组成部分，有江苏铁路“金腰带”之称，具有京沪高铁第二通道的重要功能。徐沙河(100+200+100) m连续梁-拱是徐盐高铁关键控制性工程之一，为国内八度地震区高速铁路建成通车的最大跨度钢管混凝土连续梁-拱桥[4]。

徐盐高铁徐沙河(100+200+100) m连续梁-拱与徐沙河(河道净宽70 m)夹角为148°，0号节段采用支架现浇施工，分两次浇筑，第一次浇筑混凝土1 500 m3，第二次浇筑混凝土650 m3。连续梁共有91个梁段，全长401.8 m，主梁采用单箱双室、变高度、变截面结构，两边腹板为直腹板[5]。

0号节段顺桥向长20 m，中支点处高12.0 m，两端梁高11.06 m，顶板厚62～106 cm，腹板厚90/100～140 cm(腹板最厚处为140 cm，中腹板正常段厚100 cm，边腹板正常段厚90 cm)，底板厚100.8～177.3 cm。1号节段顺桥长2.75 m，截面高10.72～11.06m，顶板厚62 cm，腹板厚70 cm～90/100 cm(中腹板最厚处为100 cm，边腹板最厚处为90 cm，正常段厚70 cm)，底板厚96.6～100.8 cm。

2 现浇支架结构力学模型

2.1 支架结构设计

支架采用30根φ630 mm 、壁厚9 mm钢管，沿桥纵向为5排，间距2.25 m；横向为6排，间距分别为2.15 m、3.8 m、2.3 m、3.8 m、2.15 m。钢管之间采用φ273 mm钢管连接，钢管柱顶部放置双拼I45a工字钢作为承重横梁，承重横梁上纵向布置I25a分配梁，分配梁上铺设1.2 cm厚的钢板作为底板底模。

2.2 支架荷载与计算模型

(1)荷载取值

混凝土容重取26 kN/m3，施加在钢板上面的荷载通过混凝土容重转换[6]，分布情况见表1。

表1 荷载分布 kN/m3

内模及支撑体系重取0.9 kN/m2，外模及支撑架每侧自重取8.0 kN/m2，方木容重取8 kN/m3，钢板底模容重取78.5 kN/m3，钢材容重取78.5 kN/m3，施工人员及施工设备荷载取2.5 kN/m2，倾倒、振捣产生的荷载取2.0 kN/m2。

(2)荷载组合

强度组合：永久荷载×1.2+可变荷载×1.4；刚度组合：永久荷载×1.0+可变荷载×1.0。

(3)计算建模

采用有限元软件midas建立三维空间模型，0号-1号现浇段支架模型见图1。

图1 0号-1号现浇段支架模型

①单元类型

混凝土用实体单元模拟，模板用板单元模拟，其他构件均用梁单元模拟。结构受到的荷载主要是钢管立柱、承重横梁、分配梁、内外模板及支撑架、底模板、施工荷载及混凝土自重。

②建模边界条件

钢管底部支承平动Dx、Dy、Dz方向全部约束，转动Rx、Ry、Rz方向非约束；钢管排架及排架之间采用刚性连接，钢管顶部承重横梁与排架采用刚性连接，承重横梁与分配梁之间采用刚性连接，分配梁与底模板之间采用弹性连接[7]。

3 底模板力学性能分析

3.1 底模板计算

底模板为12 mm厚钢板，有限元计算结果见图2。

图2 底模板的力学性能分析

钢板局部综合应力 99.4 MPa<[σ]=215 MPa，强度满足要求；钢板最大挠度1.1 mm<[f]=L/400=5.38 mm，刚度满足要求。

3.2 底模分配梁计算

底模分配梁计算结果见图3。

图3 底模板分配梁的力学性能分析

计算结果显示：底模分配梁 I25a 工字钢最大正应力 81.6 MPa<[σ]=215 MPa，最大剪应力32.7 MPa<[τ]=125 MPa， 强度满足要求；底模分配梁 I25a 工字钢最大挠度 0.77 mm<[f]=L/400=5.375 mm，刚度满足要求。

4 钢管支架力学性能分析

4.1 承重梁计算

承重梁采用双拼I45a型钢，计算结果见图4。

图4 钢管支架承重梁双拼的力学性能分析

由图4可知，双拼I45a型钢的最大正应力51.0 MPa<[σ]=215 MPa，最大剪应力44.0 MPa<[τ]=125 MPa， 强度满足要求。双拼I45a型钢最大挠度0.95 mm<[f]=L/400=5.38 mm，刚度满足要求。

4.2 钢管支架强度计算

钢管支架立柱规格尺寸为φ630 mm×9 mm，立柱间采用φ273 mm×5.3 mm 钢管连接成一个整体，计算结果见图5。

图5 钢管支架的强度计算

计算结果显示，钢管支架最大正应力 49.1 MPa<[σ]=215 MPa，最大剪应力33.7 MPa<[τ]=125 MPa，强度满足要求。

4.3 钢管立柱稳定性计算

钢管立柱稳定性计算结果见图6。

图6 钢管立柱稳定性计算分析

按最大荷载考虑钢管立柱的稳定性，取最大轴力为N=1 219.0 kN，最大弯矩为M=24.0 kN·m。

根据GB50017—2017《钢结构设计规范》，构件长细比计算公式为

(1)

式中，μ为压杆的计算长度系数，一端铰接，另一端固定，取 0.7；i为构件截面对主轴的回转半径，取 210.8 mm；l0为压杆计算长度，取3 850 mm。经计算，构件长细比为18.3。

钢管正应力为

95.4 MPa

(2)

式中，构件稳定系数φ=0.984；γ为塑性发展系数，取1.15；W为毛截面抵抗矩；β为等效弯矩系数，取1.0[8]。经计算，正应力满足规范要求。

5 支架预压

由于墩身属于非变形部分，整个支架系统拼装完成后，只需要对能产生变形的支架部分进行预压。施工方法：承台施工时，预埋带固定锚头的钢绞线，支架搭设完成后，顺桥向布置8排I25工字钢张拉平台，利用张拉平台张拉钢铰线，形成的张拉力反作用于支架，达到对支架预压的目的[9]。

5.1 预压目的

消除支架的非弹性变形，获得支架的弹性变形，验证支架的承载能力；根据测得的数据推算0号-1号节段底模的预留变形值，确保支架的使用安全及梁底线形，另外，还可验证支架搭建是否合理，强度、刚度及稳定性是否满足要求[10]。

5.2 预压荷载

预压荷载按承受荷载(去掉墩顶部分梁体钢筋混凝土重量+施工荷载)的1.1倍计算[10]：①0号-1号节段作用在支架上的钢筋混凝土重量为45 529 kN；②模板组合总重量为1 932 kN；③施工人员、机械堆放荷载按15 kN计算，则

预压荷载=(①+②+③)×1.1=52 220 kN

(3)

5.3 反力点布置及钢绞线抗拔力验算

在承台范围内预埋反支点预压钢绞线，以承担预压荷载(钢绞线预埋深度为1.4 m，并加4层φ16防崩钢筋网片，钢绞线末端设锚固钢板并压花)，反支点预压钢绞线共布置20束(单侧)，顺桥向布置(见图7)。钢绞线单束7根，每根由7φ6 mm钢丝捻成，单根抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=195 GPa。

图7 张拉平台平面布置(单位：mm)

钢绞线抗拔力验算应满足：①现场钢绞线反拉实际最大拉力<②钢绞线自身极限抗拉值<③钢绞线锚固入承台混凝土极限抗拉值。

(1)现场钢绞线反拉实际最大拉力

采用1 305 kN的张拉力即能满足预压要求，为保证0号-1号节段支架稳定，实际张拉控制力为1 430 kN。

(2)钢绞线自身极限抗拉值

根据GB/T5224—2014《预应力混凝土钢绞线》，钢绞线公称横截面积Ap=191 mm2；根据TB10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》，锚下控制应力σcom≥0.75fpk，则单束钢绞线极限抗拉值为1 865 kN。

(3)钢绞线锚固入承台混凝土极限抗拉值

根据GB20010—2002《混凝土结构设计规范》，ft=1.71 N/mm2，βh=0.95，βs=2，αs=20，ho=1.3 m，um=2 m，σpc，m=0，η1=1，η2=3.75>η1，η=1，(0.7βhft+0.25σpc，m)ηumho=2 956 kN。

综上，有①1 430 kN<②1 865 kN<③2 956 kN，即实际反拉作业时，钢绞线不会崩坏，承台混凝土不会开裂。

5.4 预压方法

该连续梁0号-1号节段支架预压采用钢绞线反拉的方法进行，压重顺序应按紧挨墩身一排向两侧对称进行，根据箱梁截面的变化特点及混凝土浇筑顺序对应压重，预压按承受重量的60%、100%、110%三级加载(卸载时相反)。

5.5 监测点布置

在搭好的支架预压平台上布设监测点，并做好标记，变形监测点布设情况见图8。

图8 监测点平面布置

5.6 监测方法

支架加载前，监测并记录各监测点初始高程，初始沉降量H1设定为0；每级加载完成1 h后，进行支架的沉降监测，并以6 h的间隔循环监测，满足相邻两次沉降平均值之差不大于2 mm时，方可进行后续加载；加载至承受重量1.1倍时，以6 h的间隔循环监测，当连续12 h监测沉降平均值之差不大于2 mm时，方可进行卸载，沉降值定为H2；分级进行支架卸载，每卸载一级进行一次支架监测，支架卸载完成6 h后，进行末次监测，沉降值定为H3[11]。通过以上方法，可以检验加、卸载过程中变形观测和计算的准确性，对误差数据进行修正[12]，监测沉降结果见表2。

表2 521号墩支架加载各阶段沉降量计算 mm

6 支架预拱度设置及梁体线形分析

6.1 反支点预压数据分析

根据监测数据结果，通过对比该断面其他点位变形量，可以找出差异点，并剔除异常数据，其余点位变形量的平均值即为该断面的总变形量，以此类推计算所有断面的总变形量[13]。依据该方法，计算确定所有断面的总沉降量、非弹性变形值及弹性变形值[14]，其计算结果见表3。

表3 所有断面变形量计算 mm

6.2 施工预拱度调整

该桥施工预拱度=设计预拱度(设计图给出)+弹性变形值，根据施工预拱度调整立模高程[15]。所有断面施工预拱度见表4。

表4 所有断面支架预拱度计算 mm

6.3 主梁线形分析

通过模拟分析，求得主梁上各断面的变形值，等待成桥后，监测各断面的梁体高程，求得主梁上各断面的实测预拱度值(见表5)，最终得出主梁的施工预拱度与实测值对比曲线[16](见图9)。由图9可知，混凝土浇筑完成后，梁体线形基本与设计吻合。

表5 主梁的施工预拱度与实测值对比

图9 主梁的施工预拱度与实测值对比(单位：mm)

7 结论

以徐盐高铁跨徐沙河(100+200+100) m连续梁-拱0号-1号梁段为工程背景，运用有限元进行模拟分析，验证现浇支架施工的准确性和可行性。经过反支点预压加载，消除支架非弹性变形，并通过监测得到支架的弹性变形值，从而确定施工合理的预拱度数值，为立模高程提供可靠的依据。研究表明，在高铁大跨大体积连续梁-拱桥现浇支架体系中，采用钢绞线反支点预压替代传统压重预压工艺，可解决传统压重预压堆载耗时长、安全风险高等问题，并大幅降低制作预压材料及机械租赁成本。为今后大跨大体积现浇支架体系预压提供参考。