大跨铁路斜拉桥下横梁自承式施工参数分析

李 涛，黄媛媛，覃 早，占玉林，邵俊虎

(1.中国铁路成都局集团有限公司,成都 610082; 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031; 3.中铁二局第五工程有限公司,成都 610091; 4.成都大学建筑与土木工程学院,成都 610106)

1 研究背景

随着铁路桥梁建设技术的发展,现代斜拉桥技术在铁路桥梁中得到了广泛应用,且桥梁跨径也呈现逐渐增加的趋势。随着桥梁跨径增大,索塔越来越高,体积也越来越大,施工难度随之增加。斜拉桥索塔下横梁为关键受力构件,其构造复杂,运营阶段中需要承受来自主梁的支座反力,在荷载作用下容易出现裂缝,因此横梁施工质量的好坏直接决定了索塔的使用功能[1]。根据塔柱和下横梁施工的优先顺序分为塔梁同步和异步施工[2-5],一般采用支架法施工,支架基础设置在已施工完成的索塔承台之上[6-7]。在支架上浇筑下横梁混凝土时,常用的方法有一次浇筑法和自承式施工法[8-13],见表1。一般来说,对于高度不大于5 m的横梁多采用一次浇筑,高度大于5 m的横梁多采用自承式施工法[14]。一次浇筑法比较简单,施工周期短,梁段受力简单。但当下横梁混凝土方量和高度都较大时,该方法将面临诸如布料困难、不利于振捣、横梁变形较大等问题,这对于横梁在施工中的变形与受力控制均比较不利。常规的解决方案是增大支架的刚度,但过度增大支架的刚度会导致支架临时结构的造价急剧增高。为解决上述问题,一般采用自承式方法施工横梁,该方法原理是利用先浇的下横梁与塔身一起形成门式刚架,可分摊第二次浇筑的大部分荷载,克服了一次浇筑横梁带来的一系列问题。常用的自承式施工方法有2次浇筑、1次张拉和2次浇筑、2次张拉工艺[15-18]。

现有文献中对横梁自承式施工方法的施工工序已有较详细的研究,但施工时横梁的分层高度及支架刚度对横梁内力以及变形的影响尚未见系统研究。因此,以明月峡长江大桥为依托工程,建立了横梁自承式施工的双单元模型,模拟横梁的施工全过程,并对横梁自承式施工时分层高度和支架刚度对横梁效应的影响进行了研究,以期为横梁施工与设计提供参考。

2 工程概况

明月峡长江大桥位于长江上游重庆市南岸区广阳镇玉泉村。大桥南北走向一跨过江,桥北为重庆市渝北区,桥南为重庆市南岸区,本桥设计受地形、河流、通航控制。桥式为双层四线钢桁斜拉桥,孔径布置为(62.5+125+425+175+75) m,桥梁全长为877.8 m,南北边跨分别设置一个辅助墩。上层为预留客运专线、下层为重庆东环线双线铁路。

2.1 索塔结构设计

明月峡长江大桥为双塔不对称钢桁斜拉桥,其中2号索塔为189.5 m,3号索塔为203 m。索塔结构设计为花瓶形,由塔冠、上塔柱、中塔柱、下塔柱、上横梁、中横梁和下横梁等部分组成。3号索塔下塔柱高65.5 m,底部5 m高度范围内为实体段,其余部分为单箱单室空心截面;中塔柱高81 m,采用单箱单室空心截面;上塔柱高(含塔冠高度3 m)为56.5 m,采用单箱单室空心截面,在上塔柱内设置斜拉索锚块。3号索塔一般构造示意见图1。

图1 索塔、横梁一般构造 (单位:cm)Fig.1 General structure of cable towers and beams (unit: cm)

索塔下横梁采用单箱单室截面,高6.0 m,宽9.5 m,横桥向理论中心距离为31.5 m。顶板、底板、腹板厚度均为1.0 m。在每个支点位置设置厚度1.0m的横隔板,共有2道。下横梁采用C50预应力混凝土,共布置108束15-15.2 mm预应力钢绞线,其中底板束36束,腹板束28束,顶板束44束。预应力束锚下张拉应力为1 302 MPa,所有预应力锚固点均设置在塔柱外侧,预应力管道采用内径为100 mm的金属波纹管,锚具为M15-15型锚具,采用真空辅助压浆工艺。

2.2 下横梁自承式施工工艺流程

明月峡长江大桥3号索塔下横梁采用2次浇筑、2次张拉的施工工序,施工按以下几个阶段进行。关键施工阶段见表2。

表2 下横梁自承式施工工艺Table 2 Self-supporting construction technology of lower beam

(1)下横梁支架施工。支架施工主要分为支架加工、立柱连接、连接系施工、砂筒施工四部分,采用先预制、再拼装方式。横梁支架立柱采用法兰盘连接,支架立柱施工完成后,施工横向连接系使结构形成整体。

(2)下横梁支架进行预压。在主要受力节点添加集中荷载,检验支架受载情况,并收集支架在预压荷载下的变形量。

(3)第一层下横梁施工。现浇第一层下横梁,待混凝土强度达到张拉要求,张拉下横梁第一层预应力束。

(4)第二层下横梁施工。第一层预应力张拉完成后即可进行第二层横梁现浇施工,待横梁混凝土强度达到95%、弹性模量达到100%且龄期不少于10 d,进行横梁剩余预应力束张拉、管道压浆。

3 下横梁自承式施工参数分析

本节建立了桥梁施工全过程的有限元模型,分析了下横梁自承式施工时分层浇筑高度以及支架刚度对横梁在施工期应力的影响规律。

3.1 有限元模型

利用Midas/Civil对整个桥梁施工全过程进行建模,并考虑混凝土收缩徐变效应。索塔及主梁桁架均采用梁单元模拟,斜拉索采用仅受拉的索单元模拟,桥面系采用板单元模拟。下横梁根据分层情况将上、下层横梁采用双梁单元模拟,两者之间通过弹性连接成整体。下横梁施工支架的刚度通过仅受压的弹性连接模拟,下横梁与下塔柱的连接采用弹性连接中的刚接模拟。下横梁自承式施工模型见图2,成桥有限元模型见图3。

图2 下横梁自承式施工Fig.2 Self-supporting construction of lower beam

图3 全桥施工完成效果Fig.3 The completed construction effect of the whole bridge

3.2 计算工况

横梁高6 m,原设计横梁第一层浇筑高度为3 m,为研究分层浇筑高度对横梁效应的影响,分别取横梁第一层浇筑高度为1,2,3,4,5 m;为研究支架刚度对横梁效应的影响,支架刚度分别取值为1×107,1×106,8×105,6×105,4×105,3×105,2×105,1×105kN/m。计算工况见表3。

表3 计算工况Table 3 Calculation conditions

3.3 分析结果

在有限元模型分析中重点关注横梁施工过程、开始架设主梁至成桥阶段下横梁的应力和变形情况。由于横梁采用全预应力设计,因此,横梁的应力应满足全截面受压,不出现拉应力,且压应力不超过规范限值22.68 MPa[19-20]。对表3中的40种计算工况进行分析,分别得到了在横梁施工全过程以及架设主梁至成桥时横梁正应力和变形的最大、最小值,分别见图4～图6,图7给出了成桥阶段横梁的正应力情况。其中正应力的符号规定拉为正,压为负。

图4 下横梁施工过程正应力包络值Fig.4 Normal stress envelope value during construction of lower beam

由图4可知,在横梁施工过程中,第一层浇筑高度为1,2 m时,横梁下缘将会出现拉应力,不满足横梁的设计要求,因此,后续分析中不再对第一层浇筑高度为1 m与2 m时横梁的应力及变形情况进行研究。当支架刚度保持不变时,随着浇筑高度增大,横梁上缘均受压,最小压应力最大可减小约1.5 MPa;横梁下缘均受压,最小压应力最多增大约1.3 MPa。当保持浇筑高度不变时,支架刚度由1×107kN/m变化至2×105kN/m,横梁的应力基本不会变化;当支架刚度由2×105kN/m减小至1×105kN/m时,横梁上缘最小压应力变化约0.1 MPa,下缘最小压应力变化约0.4 MPa,且有明显拐点。

由图5可知,在架设主梁至成桥过程中,当支架刚度保持不变时,随着浇筑高度由3 m增至5 m,横梁上缘均受压,最小压应力最大可减小约3.6 MPa;横梁下缘均受压,最小压应力最多增大约1.5 MPa。当保持浇筑高度不变,支架刚度由1×107kN/m变化至2×105kN/m时,横梁应力基本不会变化;当支架刚度由2×105kN/m减小至1×105kN/m时,横梁上缘最小压应力变化约0.3 MPa,下缘最小压应力变化约0.3 MPa,且有明显拐点。

图5 架设主梁至成桥阶段横梁正应力包络值Fig.5 Normal stress envelope values of cross beams from the erection of main beams to the completion of the bridge

由图6可知,在横梁施工过程和架设主梁至成桥阶段,当支架刚度保持不变时,随着浇筑高度增大,挠度逐渐减小;当保持浇筑高度不变时,支架刚度由1×107kN/m变化至2×105kN/m,横梁挠度基本不变(不考虑1 m和2 m的情况),当支架刚度由2×105kN/m减小至1×105kN/m时,挠度增加约1 mm,且有明显拐点。

图6 下横梁跨中变形包络值Fig.6 Midspan deformation stress envelope values of lower beam

由图7可知,在成桥阶段,支架刚度保持不变,随着横梁第一层浇筑高度由3 m增至5 m时,横梁下缘最大压应力逐渐增大,上缘最小压应力逐渐减小。考虑到在后期运营时,下横梁主要承受支座传递的压力且主要表现为弯曲的受力特征,下缘受拉,上缘受压。为使得横梁在运营阶段有足够的应力储备,建议第一层浇筑高度选为3 m。另外,横梁上下两层交界处属于截面薄弱部分,让交界面处于截面中性轴处也有利于提高横梁的承载能力。

图7 成桥阶段横梁正应力Fig.7 Normal stress of cross beams in the bridge completion stage

综上所述,建议在本工程中第一层浇筑高度选为3 m;支架刚度应大于2×105kN/m。

4 结论

(1)结合本工程实际情况,当横梁分两层浇筑施工,下层浇筑高度为1 m和2 m时,横梁下缘将会出现拉应力,此时不能满足规范要求;浇筑高度为3,4,5 m时,在横梁施工过程以及架设主梁至成桥阶段横梁都处于受压状态且压应力不超过规范限值,结构受力满足相关规范及设计要求。

(2)支架刚度保持不变,在成桥阶段,当横梁第一层浇筑高度由3 m增至5 m时,横梁下缘最大压应力增大约0.5 MPa,上缘最小压应力减小约2 MPa。考虑到在后期运营时,下横梁在支座反力作用下上缘受压且下缘受拉,为使得横梁在运营阶段有足够的应力储备,建议第一层浇筑高度选为3 m。

(3)当第一层浇筑高度保持不变(不含1 m和2 m),支架刚度由1×107kN/m变化至2×105kN/m时,横梁的正应力和挠度基本不会变化。当支架刚度由2×105kN/m减小至1×105kN/m时,在横梁施工过程和架设主梁至成桥过程中,横梁上、下缘最小正应力以及横梁挠度会出现明显拐点,因此建议支架刚度应大于2×105kN/m。

(4)研究了浇筑高度和支架刚度对横梁上下缘应力和变形的影响规律,并提出了浇筑高度和支架刚度的建议值。但对于上下两层间存在的接触面应力未做分析,有待后续研究,进一步对横梁自承式施工过程的应力情况进行补充。