簡支結合梁無支架施工技術在軌道交通中的應用

岳宗崇

(北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037)

1 結合梁發展概況

橋梁結構專業中所說的結合梁是指受壓區采用混凝土、受拉區采用鋼結構，鋼結構與混凝土構件之間采用剪力連接件進行連接，使兩者共同受力、變形協調的一種組合結構，鐵路系統稱之為結合梁。

結合梁是在鋼結構和鋼筋混凝土結構基礎上發展起來的一種新型結構。組合結構的雛形最早于1894年出現于北美，當時出于防火的需要，并未考慮混凝土與鋼結構的共同受力［1］。真正具有現代意義的結合梁橋最早出現在20世紀40年代的瑞典。隨著研究的深入，對于結合梁的研究逐漸完善，20世紀50年代，美國、前聯邦德國、前蘇聯、英國、印度相繼編制行業規范［2］。到1970年前后，結合梁技術進入蓬勃發展期，其應用更是一日千里，一躍成為繼傳統的木結構、砌體結構、鋼結構和鋼筋混凝土結構之后的第五大結構［3］。我國的結合梁系統研究始于20世紀80年代，尤其是近些年在公路和城市橋梁建設方面取得了舉世公認的進步［4］。1993年建成北京國貿橋，1994年建成上海南浦大橋，掀起了我國結合梁橋應用的高潮。結合梁橋在橋梁結構中的成功應用實現了輕型大跨、預制裝配、快速施工的目的，符合我國城市立交橋建設的國情。繼國貿橋之后，僅北京又有數十座大跨立交橋的主跨采用了這種結構形式，最大跨度已達到70 m，取得了顯著的技術經濟效益和社會效益［5］。

在軌道交通工程應用方面，常規結合梁橋分為連續結合梁和簡支結合梁。連續結合梁在研究應用方面比較廣泛，各種施工技術不斷涌現。而簡支結合梁相對研究較少、技術措施也比較單一，包括搭設臨時支架、分段吊裝拼接鋼梁、澆筑混凝土橋面板、拆除臨時支架。本文要介紹的是針對簡支結合梁的較新穎的一種技術措施，有望在一定程度上推動簡支結合梁的普及應用。

2 結合梁的特點

按功能類型不同，結合梁的組成部分可分為3部分:上部混凝土橋面板、下部鋼梁、中間部分的剪力連接件。單從受力特點和構造上就可以看出簡支結合梁是一種非常優秀的結構，簡支梁的上緣受壓、下緣受拉特性與結合梁的材料特性分布使其結合得完美無缺，即受壓區(上緣)采用受壓性能優異的混凝土板，受拉區(下緣)采用受拉性能優異的鋼梁。結合梁充分發揮了鋼材和混凝土的材料特性，使形成整體的結合梁既有足夠的剛度來控制結構變形和降低振動、噪聲，又提供了足夠的結構強度來降低梁高，另外還兼顧了減輕結構自重、節省鋼材、降低工程造價的需求，再加上良好的抗震性能和施工便利性，使結合梁成為鋼梁、混凝土梁以外又一種新穎的橋梁結構［6］。

3 結合梁的計算理論

結合梁的計算理論和鋼梁、混凝土梁相同，都采用彈性理論，符合平截面假定，材料服從虎克定律，因此原則上可以利用材料力學公式計算結合梁截面的應力和變形［5］。但是材料力學公式只適用于單一的勻質彈性體，而結合梁是由鋼材和混凝土兩種不同性質的材料組成的組合結構，因此計算之前應首先進行截面換算，即將兩種材料換算為具有相同彈模的同一種材料。這樣就可以根據換算截面的幾何特征值，利用材料力學公式進行結合梁的應力和變形計算。

與鋼梁、混凝土梁的另一個不同點就是結合梁的截面形成過程。第1階段，在混凝土橋面板澆筑時，由于鋼梁和混凝土橋面板尚未形成聯合截面，鋼梁、澆筑的混凝土橋面板重量將由鋼梁自身承擔;第2階段，隨著混凝土的強度、彈性模量的上升，達到設計標準，之后增加的荷載將由聯合截面承擔，并且兩者的應力、變形是疊加關系，表達為:

式中，σs為鋼梁應力;M1為第1階段荷載彎矩效應;M2為第2階段荷載彎矩效應;Ws為鋼梁截面抗彎抵抗矩;W0為聯合截面抗彎抵抗矩［7］。

其中M1第1階段荷載包括:鋼梁自重、澆筑的橋面板混凝土重量、施工臨時荷載;M2第2階段荷載主要包括:橋面二期荷載，車輛、溫度等結合梁形成聯合截面之后施加的荷載。

4 無支架施工技術措施

4.1 無支架施工的技術方案

常規簡支結合梁的施工是需要搭設臨時支架來為鋼梁的拼裝創造條件的，本文所說的無支架是指無任何地面支架，完全不受地面條件限制的無支架施工。無支架施工的核心內容為:鋼梁整孔預制吊裝、無支架現澆施工全橋橋面板。

1)鋼梁整孔預制吊裝。根據常規簡支結合梁施工，整孔預制吊裝階段主要難點在運輸環節。軌道交通橋梁寬度一般為10 m左右，跨越結構物的需求使得結合梁跨度一般都超過30 m，這類超長、超寬的結構物運輸對城市交通而言確實很難［8-9］。根據上部結構設計的特性，為解決運輸問題鋼梁可分成2片或多片制作，現場采用橫梁連接。

2)無支架現澆施工全橋橋面板。澆筑混凝土橋面板時，可以利用已經架設完畢的鋼梁作為承重結構，通過錨固在鋼梁腹板上的螺栓進行無支架橋面板澆筑工作［10］(見圖 1)。

圖1 結合梁懸臂支架

根據計算分析，無支架施工時鋼梁在澆筑混凝土橋面板階段受力較大，并通過應力疊加效應，最終使鋼梁應力成為結構控制應力，難以通過計算。根據結合梁的計算理論，鋼梁在澆筑橋面板階段受力較大是因為此階段鋼梁和混凝土尚未形成聯合截面，荷載作用(自重及施工荷載)全部由鋼梁承擔。第1階段過大的鋼梁應力直接拉高了鋼梁的使用階段應力，極容易形成鋼梁應力控制設計的情況。從上述分析，鋼梁應力過大的問題應該這樣解決:在鋼梁形成聯合截面前盡量減小荷載重量，具體來說即為先澆筑鋼梁應力較大部分的橋面板混凝土，鋼梁應力越大，澆筑混凝土區段長度越短，待鋼—砼形成聯合截面后澆筑下一階段混凝土。

4.2 工程實例的計算分析和應用

北京地鐵14號線是北京市軌道交通線網中一條連接東北、西南方向的軌道交通L型骨干線，線路全長47.7 km，在線路里程 K3+079.055處上跨五環路，交角為90°。此處西五環為雙向六車道的通道橋，橋寬28 m(見圖2)。

圖2 北京西五環路現狀

此處橋梁采用36 m雙箱簡支結合梁方案，鋼梁高1.75 m，混凝土橋面板厚0.45 m(見圖3)。施工方法:采用鋼梁整孔吊裝、橋面板分2次澆筑施工，第1次澆筑跨中15 m范圍內的混凝土，待形成聯合截面后澆筑剩余混凝土。

圖3 結合梁橫斷面

橋梁總體縱向計算根據平面桿系理論，采用橋梁博士設計軟件進行計算。根據橋梁施工流程，結構施工階段劃分見圖4，各個階段鋼梁應力情況見圖5。

圖4 跨五環路結合梁施工步序

從各階段鋼梁應力包絡圖可以看出，鋼梁控制很理想。但若不考慮橋面板混凝土的分階段澆筑，則鋼梁的控制應力顯然高出不少(見圖6)。

圖5 各階段鋼梁應力包絡圖 單位:MPa

北京地鐵14號線于2011年初開工，2013年5月1日通車運營。在建設過程中，跨五環路的橋梁工程方案以其良好的施工便利性和經濟性贏得了各方人員的一致贊譽。

圖6 無分段澆筑鋼梁應力包絡圖 單位:MPa

4.3 無支架施工的技術特點

通過14號線工程的應用，無支架施工技術的推廣價值得到了體現。尤其在國內城市化高速發展、城市建設條件越來越苛刻的前提下，無支架施工技術顯得尤為重要。例如，對于跨越連續的現狀結構物、不允許設置臨時支架的河流、較高的結構物，以及對臨時支架成本過高等情況，都可以選擇無支架施工方案。相比懸澆、轉體等施工方案，無支架施工技術的優越性是顯而易見的，不但節省了造價，更為重要的是使施工難度降低了一個層次，甚至從景觀上來說，體量更小的簡支結合梁顯然更容易融入外部環境。

根據目前的施工技術條件和前文中的計算總結分析，無支架施工技術在應用推廣過程中應注意兩點:

1)由于運輸、吊裝的問題，無支架施工技術向大跨度方向的發展比較困難，跨度越大困難越大。

2)無支架施工技術適用于鋼梁上緣壓應力控制設計的開口鋼箱情況。分段澆筑對鋼梁底板的拉應力效應降低較少，而對上緣的壓應力卻能產生質的影響。從理論上說，只要分段足夠小，基本可以做到使鋼梁上緣忽略橋面板的存在。

5 結語

簡支結合梁無支架施工技術有效解決了橋梁無支架施工難題，是解決軌道交通橋梁跨越既有橋梁結構、鐵路線網等施工條件比較惡劣的情況的一條捷徑。簡支結合梁無支架施工技術的工藝簡單、施工難度小、可操作性強、效率高，經濟性更是和標準梁不相上下。該施工技術的應用，可為以后解決類似問題提供實踐經驗。

［1］邵長宇.第十八屆全國橋梁學術會議論文集［C］.天津:人民交通出版社，2008:150-158

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