大西鐵路客運專線連續鋼箱梁設計及頂推施工研究

王國棟

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

大西鐵路客運專線連續鋼箱梁設計及頂推施工研究

王國棟

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

大西線聯絡左線特大橋主跨上跨鄭西客運專線等3條既有鐵路,采用(64+68+64)m等高連續鋼箱梁頂推施工方案;著重介紹鋼箱梁細部構造尺寸的擬定過程,并采用空間有限元軟件建立全橋板單元模型進行縱向整體計算;介紹鋼箱梁頂推施工方案并對整個頂推施工過程進行模擬,分析頂推過程中梁的受力性能。

連續鋼箱梁;構造尺寸;整體計算;頂推施工

1 工程概況及橋式方案的確定

大西鐵路客運專線運西段聯絡左線特大橋以小角度與既有包西鐵路何臨上行客車聯絡線、鄭西客運專線、包西鐵路何臨下行客車聯絡線交叉,受既有交叉線路平、立面條件的限制,大西線聯絡左線只能以上跨形式跨越鄭西客運專線等3條既有鐵路。

結合工程實際情況,設計分別考慮了混凝土連續梁方案及鋼箱連續梁方案。預應力混凝土連續梁方案采用懸灌法施工或轉體施工,但在營運客運專線上方進行懸灌施工,施工難度大,大型設備吊裝作業困難,墜落物難以防止,施工周期長,安全風險較大。連續梁轉體施工方案則需要足夠的施工場地,而現場施工場地狹小,難以滿足要求。綜合考慮施工、既有線運營安全等因素,大西線聯絡左線特大橋主橋設計為(64+ 68+64)m等高連續鋼箱梁跨越上述3條既有鐵路,并采用頂推法施工。

2 鋼箱梁的構造及結構計算

2.1 鋼箱梁主要構造尺寸的擬定

(1)鋼箱梁截面

鋼箱梁采用單箱單室等高截面,梁高4.8 m,頂寬7.5 m,底寬4.3 m,頂板厚24 mm,底板厚24 mm,腹板厚26 mm的構造尺寸,標準斷面如圖1所示。

圖1 鋼箱梁標準斷面(單位:mm)

(2)鋼箱梁縱向加勁肋形式及間距的確定

由于鋼箱梁采用的鋼板均比較薄,在強大的軸壓力及彎矩作用下,局部穩定性問題顯得尤為重要,為此,配置一定數量的縱向加勁肋以減小主板材的寬度,從而提高鋼板的臨界屈服應力。

鋼箱梁頂、底板及腹板加勁肋形式的確定主要考慮以下幾個方面:①加勁肋自身的剛度必須滿足一定的構造要求,以免自身失穩;②加勁肋必須保證頂、底板及腹板的局部穩定性;③頂板加勁肋應能承受局部車輪荷載。綜合考慮以上因素,鋼箱梁頂、底板設置T形縱向加勁肋,其中為減小頂板在輪載作用下的變形,頂板與軌道相對應的位置各設置2道加大縱肋,主鋼板上焊接T形加勁肋形成一個整體后,可視為T形截面加勁梁。T形加勁肋的橫向間距為500 mm,加大縱肋的翼緣寬240 mm,板厚12 mm,腹板高600 mm,厚12 mm;普通加勁肋的翼緣寬180 mm,厚12 mm,腹板高250 mm,厚12 mm。腹板設置板形加勁肋,肋寬280 mm,厚20 mm。如圖2所示。

圖2 縱向加勁肋示意(單位:mm)

(3)鋼箱梁橫隔板間距及截面類型的確定

本鋼箱梁的梁高較高,中間橫隔板的設置可提高鋼箱梁的整體剛度,防止出現過大的局部應力,減小鋼箱梁的畸變和橫向彎曲變形,確定適當的間距及截面類型既可滿足受力要求又能節省鋼材,是設計的關鍵點之一。本鋼箱梁設計中沿縱橋方向,橫隔板間距分別采用1.6、2.0 m進行比較,截面形式采用A、B型間隔設置,橫隔板與鋼箱梁內側采用焊接方式連接,橫隔板大樣如圖3所示。

圖3 橫隔板大樣

2.2 箱梁縱向整體計算

采用空間有限元軟件建立全橋板單元模型,按照荷載的實際位置施加二期恒載、活載、不均勻升降溫、支座不均勻沉降等,計算鋼箱梁的強度、剛度、穩定性及疲勞,模型如圖4所示。

圖4 全橋模型

考慮頂板直接承受中—活載,頂板板厚分別采用24、26 mm,同時橫隔板間距采用2.0 m和1.6 m進行比較,摘取了部分控制截面的應力如表1所示。

表1 強度驗算結果

通過計算可以看出,2種工況下結果較為接近,均滿足規范要求。但工況一較工況二鋼箱梁自重更輕,節省鋼材約54 t,故最終采用頂板厚24 mm,橫隔板間距2.0 m的設計方案。

3 鋼箱梁頂推施工

(1)鋼箱梁概況

鋼箱梁全長197.5 m,總質量為1 700 t,前導梁長24 m,質量150 t,后導梁長33 m,質量80 t,最大頂推長度為254.5 m,最大頂推重力為19 300 kN,最大頂推力為1 900 kN。

(2)頂推施工方案

聯絡左線鋼箱梁頂推方案首先在16號墩～20號墩之間搭設拼裝和頂推平臺,拼裝采用1臺350 t履帶吊為起吊設備,在頂推過程中設置前后導梁,利用天窗時間逐段頂推到24號墩,拆除前后導梁,調整鋼箱梁位置,落梁,安裝支座,拆除鋼箱梁拼裝平臺。鋼箱梁頂推布置如圖5所示。

圖5 鋼箱梁頂推布置示意

通過空間有限元軟件MIDAS Civil建立全橋梁單元模型,模擬整個頂推過程,鋼箱梁在自重作用下達到最大懸臂狀態時,導梁前端產生的撓度最大,此時,導梁最前端下撓213.5 mm＜68000/200=340 mm,最大組合應力119.3 MPa＜[σ]=220 MPa,均滿足規范要求。最大懸臂狀態模型見圖6。

圖6 最大懸臂狀態模型

4 結語

(1)對于類似上跨營運客運專線橋梁,采用等高連續鋼箱梁頂推施工方案較為合理。

(2)鋼箱梁的設計過程中,細部構造的設計尤為重要,應給予充分的重視。

(3)目前,本橋已順利完成頂推作業,該頂推方案對同類橋梁具有一定的借鑒價值。

(4)本鐵路鋼箱梁上跨鄭西客運專線,從梁高及室寬上來講均超越了既有組合結構的鋼箱梁,處于國內領先水平。

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Design and Incremental Launching Construction for Continuous Steel Box Girder on Datong-Xi'an Railway Passenger-dedicated Line

WANG Guo-dong
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

U238;U448.36

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.020

1004-2954(2014)08-0085-02

2013-11-22

王國棟(1983—),男,工程師,2009年畢業于蘭州交通大學,工學碩士,E-mail:wangguodong23@163.com。