跨武廣客運(yùn)專線頂推施工48 m曲線預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)

蘇國(guó)明

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600 )

1 工程概述

新建衡茶吉鐵路跨越武廣客運(yùn)專線處有3條鐵路,武廣客運(yùn)專線、京廣鐵路及環(huán)發(fā)線(鐵路專用線),形成一個(gè)三角地帶,如果采用轉(zhuǎn)體施工,順武廣懸灌時(shí)將侵入京廣限界,并且墩高近40 m,轉(zhuǎn)體施工不可行；在武廣客運(yùn)專線上采用支架現(xiàn)澆風(fēng)險(xiǎn)大,時(shí)間長(zhǎng),難以獲得批準(zhǔn),綜合考慮采用1孔48 m曲線簡(jiǎn)支箱梁頂推施工,具有施工速度快、跨武廣施工時(shí)間短、橋墩及梁頂無(wú)需加寬等優(yōu)點(diǎn)。

頂推施工現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)圖1。

圖1 頂推施工現(xiàn)場(chǎng)情況

2 48 m曲線箱梁設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)控制條件

橋梁位于緩和曲線上,大里程側(cè)為半徑1 200 m圓曲線,如果采用直梁,梁頂及墩頂均需加寬,設(shè)計(jì)采用曲梁曲做,減少工程投資。梁端為滿足支座布設(shè)進(jìn)行了腹板加寬,梁體計(jì)算時(shí)采用平面及空間分析,充分考慮曲線對(duì)支座受力的影響,根據(jù)頂推過(guò)程受力需要,梁體頂、底板均配置臨時(shí)束,滿足頂推過(guò)程受力交替變化的需要。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)形式

梁長(zhǎng)48.6 m,計(jì)算跨度為47.5 m。梁高為4.0 m、頂寬6.9、底寬3.6 m(梁端變?yōu)?.3 m)。跨中截面頂板厚34.5 cm,底板厚30 cm,腹板厚為32 cm；支點(diǎn)截面頂板厚64.5 cm,底板厚70 cm,腹板厚為105 cm。1孔梁混凝土345.4 m3。

2.2.2 預(yù)應(yīng)力束配置

梁體預(yù)應(yīng)力束分為成橋后永久用鋼束及頂推階段用臨時(shí)鋼束,臨時(shí)鋼束包括8根頂板束及2根底板束,均采用體內(nèi)束形式,其中臨時(shí)鋼束不灌漿,頂推完成后需拆除。頂推時(shí)由于支撐體系不斷變化,使得梁體各個(gè)截面正負(fù)彎矩交替變化,需要設(shè)置頂板臨時(shí)束及底板臨時(shí)束,并張拉底板永久束,而腹板束不張拉,使梁體截面上下緣均勻受壓,滿足頂推階段各種工況的需要。

2.2.3 結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算及主要成果

(1)全橋共分48個(gè)橋面單元,49個(gè)節(jié)點(diǎn),采用西南交大“橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS 4.03”進(jìn)行計(jì)算。主要計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 曲線箱梁縱向計(jì)算主要成果

(2)梁體豎向撓度和梁端轉(zhuǎn)角

中-活載作用下引起的撓度為-12.72 mm,為跨度的1/3734；梁端轉(zhuǎn)角為0.857‰,滿足規(guī)范要求。

2.2.4 支座布設(shè)及受力情況

由于曲線半徑大,鐵路曲線簡(jiǎn)支箱梁與直線簡(jiǎn)支箱梁梁體受力相差不大,但對(duì)于支座的影響比較顯著。固定及縱向支座布置于曲線內(nèi)側(cè),多向及橫向支座布置于曲線外側(cè),見(jiàn)圖2。

圖2 支座布置示意(單位：cm)

根據(jù)表2可知,在離心力及風(fēng)力作用下,內(nèi)外支座反力相差較大,對(duì)于固定支座,橫向水平力較大。

表2 曲線箱梁支反力計(jì)算主要成果 kN

3 頂推施工設(shè)計(jì)

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

頂推重力：9 720 kN；

最大頂推力：1 360 kN；

頂推速度：6 m/h；

頂推距離：73.5 m(理論頂推時(shí)間為：73.5/6=12.25 h)；

頂推動(dòng)力儲(chǔ)備系數(shù)：3.0(采用4臺(tái)1 000 kN千斤頂)；

頂推牽引索拉力安全系數(shù)：3.99(采用7根/束鋼絞線,共4束)；

頂推就位軸向誤差：±20 mm；

頂推滑塊安全儲(chǔ)備系數(shù)：3.12(采用滑動(dòng)支座滑塊)。

滑道安裝精度：頂面相對(duì)高差≤1 mm。

3.2 導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

在頂推過(guò)程中,最大懸臂長(zhǎng)度48.0 m,為確保梁體內(nèi)力在允許范圍內(nèi),在箱梁前端設(shè)置鋼導(dǎo)梁。導(dǎo)梁分3段加工,前段、尾段及預(yù)埋段,預(yù)埋段預(yù)埋入梁體為1.8 m,導(dǎo)梁底面與箱梁底面混凝土齊平。

導(dǎo)梁長(zhǎng)32 m,分段長(zhǎng)度分別為10、10、12 m,預(yù)埋段長(zhǎng)度1.8 m,高4.0～2.115 m,寬0.6 m,單個(gè)構(gòu)件最大質(zhì)量10.0 t。利用汽車吊將導(dǎo)梁分片吊裝至施工平臺(tái),利用導(dǎo)梁連接構(gòu)件人工完成導(dǎo)梁安裝,平面位置距離武廣客運(yùn)專線中心最近6.8 m,距離環(huán)發(fā)線最近距離6.35 m。 導(dǎo)梁分段示意如圖3所示。

圖3 導(dǎo)梁分段示意(單位：m)

3.3 臨時(shí)墩及貝雷支架設(shè)計(jì)

臨時(shí)墩柱為直徑1 000 mm×16 mm鋼管柱,最大墩高39.79 m,單個(gè)橋墩設(shè)置4根鋼管柱。鋼管柱之間設(shè)橫縱向連接,將臨時(shí)墩柱連接為一整體。臨時(shí)墩與主墩之間縱向連接采用貝雷支架連接,共同承受水平力。臨時(shí)墩柱采用場(chǎng)外預(yù)制,現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接完成。貝雷支架橫向采用12片,既作為箱梁現(xiàn)澆時(shí)的支架又作為箱梁頂推時(shí)臨時(shí)墩及永久墩之間的連接(圖4)。

圖4 臨時(shí)墩及貝雷支架

3.4 多點(diǎn)橫向限位裝置(圖5)

圖5 墩頂橫向限位裝置

在永久墩及臨時(shí)墩旁安裝橫向限位裝置,全橋共設(shè)置10處。限位裝置由連接鋼板、導(dǎo)向輪及支撐后背組成,支撐后背通過(guò)焊接和臨時(shí)墩的基礎(chǔ)相連接,導(dǎo)向輪通過(guò)螺栓與支撐后背固定,在頂推過(guò)程中,可以調(diào)節(jié)導(dǎo)向輪后螺栓之間的距離來(lái)調(diào)整導(dǎo)向輪與箱梁之間空隙,滾軸邊距離箱梁腹板邊2 cm,軸心距離梁底40 cm,因頂推必然存在不平衡受力,故梁體成蛇形前進(jìn),此時(shí)限位空隙小,方便及時(shí)糾偏。由于梁端變寬,在變寬段通過(guò)時(shí),需對(duì)橫向限位裝置進(jìn)行倒換。梁體需要糾偏時(shí),在梁體前后端橫向施加頂力,形成力偶,即可達(dá)到理想位置。

4 頂推施工計(jì)算

頂推施工過(guò)程采用MIDAS7.4.1頂推建模助手建立分析模型,頂推步長(zhǎng)1 m,共建立72個(gè)施工階段,模擬各階段情況下導(dǎo)梁和48 m箱梁受力。模型見(jiàn)圖6所示。

圖6 頂推模型

在頂進(jìn)過(guò)程中,支撐位置與梁體的相對(duì)關(guān)系在不斷變化,隨著尾端支撐不斷退出,支撐的數(shù)量不斷減少,頂推梁體結(jié)構(gòu)體系由多跨連續(xù)梁最終變?yōu)楹?jiǎn)支體系。頂推過(guò)程中應(yīng)力見(jiàn)表3。

頂推過(guò)程中鋼導(dǎo)梁最大拉應(yīng)力為129.3 MPa,最大壓應(yīng)力132.5 MPa,混凝土梁未出現(xiàn)拉應(yīng)力,最小壓應(yīng)力為0.5 MPa,最大壓應(yīng)力為17.0 MPa,均滿足要求。導(dǎo)梁前端最大位移為103.8 mm,48 m箱梁前端最大位移為42.8 mm。

表3 頂推過(guò)程應(yīng)力 MPa

注：表中正值為壓應(yīng)力，“-”為拉應(yīng)力。

由于所跨武廣客運(yùn)專線的重要性,為確保頂推過(guò)程萬(wàn)無(wú)一失,在正式頂推前,通過(guò)起落梁對(duì)頂推過(guò)程中最不利工況進(jìn)行了模擬。頂推過(guò)程中最不利工況出現(xiàn)在混凝土梁前端距設(shè)計(jì)位置16 m時(shí)導(dǎo)梁與混凝土梁連接部位出現(xiàn)最大應(yīng)力。正式頂推前,頂推段為多跨連續(xù)梁,通過(guò)在一側(cè)梁端起頂,給梁體一個(gè)強(qiáng)迫位移,可以模擬出導(dǎo)梁與混凝土梁連接部位在頂推過(guò)程中最大應(yīng)力的工況,實(shí)際起頂?shù)?5 cm時(shí)達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)論

該橋在武廣客運(yùn)專經(jīng)正式開(kāi)通前已順利就位,頂推時(shí)間共計(jì)3.5 d。通過(guò)以上分析表明,采用頂推法施工的48 m曲線預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求,通過(guò)設(shè)置臨時(shí)束,使得梁體滿足頂推過(guò)程正負(fù)彎距交替變化的受力需要,無(wú)須設(shè)置體外束；采用鋼管臨時(shí)墩及貝雷支架,同時(shí)滿足了梁體現(xiàn)澆及頂推過(guò)程克服水平力的需要,節(jié)約了施工投入；采用多點(diǎn)橫向糾偏技術(shù)其,在頂推過(guò)程中不斷橫向調(diào)整頂推方向,適應(yīng)了曲梁頂推軌跡。

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