輕軌高架短線節段法橋梁整體受力性能分析

別永紅，焦　烽，王文敬，梁　斌（.中鐵十五局集團有限公司，上海00070；.河南科技大學土木工程學院，河南洛陽 4703）

輕軌高架短線節段法橋梁整體受力性能分析

別永紅1，焦烽2，王文敬2，梁斌2
（1.中鐵十五局集團有限公司，上海200070；2.河南科技大學土木工程學院，河南洛陽 471023）

摘要：以澳門輕軌C370標段項目為背景，開展了一聯5×60m混凝土節段預制等高度變截面連續箱梁橋有限元計算，以研究該類箱梁在正常使用階段和施工狀態下的結構行為，不同工況組合下梁體應力狀況與預應力變化等結構靜力性能。研究結果表明：在承載能力極限狀態，梁體內力滿足規定，整體性較好；體內外預應力增量隨跨中彎矩基本呈線性變化，靜力增量及預應力損失值相對較小；在施工階段，梁體下緣壓應力儲備充足，滿足運梁安全性要求。

關鍵詞：短線節段法；輕軌；逐跨拼裝；設計；施工

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.018

引言

隨著城市的發展，人口、車輛的增加，對容量有限的道路交通系統帶來了課題，國內外為了解決城市交通問題，紛紛采用城市軌道交通系統。但針對施工場地狹窄的軌道項目設計，對施工質量、速度以及環境保護提出了更高的要求。節段預制拼裝混凝土橋呈現分段標準化、工廠化預制并利用現代化機械設備現場拼裝的鮮明特點，較好地滿足了上述要求［1］。

國外對節段預制拼裝橋梁的研究開展較早，歐洲首先出現了現今被稱作逐段預制的混凝土箱梁，節段預制拼裝造橋技術持續發展，并從歐洲逐步推廣到全世界，成為建造橋梁主要技術之一［2］。Jean Muller在20世紀80年代末編制了分析預制節段、干接縫、體外預應力結構的有限元程序。隨著我國橋梁技術的發展，20世紀90年代始節段預制拼裝造橋技術得到較廣泛應用和發展，上海滬閔二期高架橋梁首次使用短線法預制節段梁［3］，上海新瀏河大橋采用專用造橋機逐跨拼裝，蘇通大橋的引橋也采用了預制節段逐跨整體吊裝的施工方法和預制節段懸臂拼裝的施工方法［3］，實現了構件生產的工廠化及現場施工的裝配化，走環境負荷低、科技含量高、生態良性循環的可持續發展之路［4］。雖然較大規模地采用節段預制法，但就整體而言，相對于我國每年建造的橋梁總量，采用該技術的橋梁所占比例極少，其應用范圍與其技術優勢不匹配［5］。且節段預制拼裝橋梁的抗彎、抗剪性能受體內外預應力的配置比例、配筋率、接縫的類型和位置等因素的影響，與整體式橋梁相比存在較大的差異［6-7］。且分段施工中的結構分析必須在正確反映整個施工過程中的荷載作用以及真實反映不同結構體系中的受力性能前提下，確保各個施工階段的結構狀態對實際結構體系在最不利條件下滿足穩定性、強度和剛度要求［8-10］。因此對分段預制裝配橋梁需結合具體施工方法及施工階段進行橋梁整體受力分析。

本文以澳門輕軌C370標段為工程背景，研究材料性能、構件尺寸、施工荷載等計算參數對分段施工實際結構的影響因素規律。

1工程概況

澳門輕軌C370一期氹仔口岸段建造工程由高架橋和高架車站組成，共設3座高架車站，4段高架區間及2條車廠連接線；區間高架橋節段梁430片，其中匝道梁181片。區間段節段梁長一般為2.5米，標準梁高為2.1米，標準梁寬為9.54米，重約30噸，非標準段最大塊體重約45噸。車廠連接段節段梁長一般為2.5米，標準梁高為2.16米，標準梁寬為5.61米，重約20噸。采用短線預制法施工，短線法是一側采用端模，另一側利用已澆筑成的相鄰節段作為端模（也可采用兩側均設置端模）來進行控制實現預制的節段預制方法。高架區間節段梁在預制場進行預制，運輸至現場后，車廠通道箱梁和標準內跨度箱梁采用架橋機整跨拼裝工藝進行拼裝，在橋面寬度變化或半徑很少的區域采用鋼管支架工藝進行安裝。施工總體平面圖如圖1所示。

本文選擇其中一聯5×60m混凝土節段預制等高度變截面連續箱梁，箱梁截面如圖2所示。箱梁節段采用短線匹配法預制、架橋機逐孔拼裝工法進行施工，梁段長2.4米，接縫采用環氧樹脂密復式剪力鍵，每跨設置15厘米濕接縫。

圖1　施工總體平面圖

圖2　道斷面

箱梁簡支狀態下預應力全部由體內預應力提供，以抵抗一期恒載和施工臨時荷載；箱梁在連續狀態下張拉的體外預應力用于抵抗二期恒載和活載。體外預應力筋構造詳圖如圖3所示。

圖3　體外預應力筋構造

2整體受力計算模型

2.1計算模型

澳門輕軌C370連續梁橋采用簡支變連續的施工過程，用上行式架橋機進行逐跨節段拼裝，高架區間上部結構由混凝土縱梁組成，車廠通道箱梁和標準內跨度箱梁采用架橋機整跨拼裝工法進行拼裝；在橋面寬度變化或半徑很少的區域采用鋼管支架進行安裝。橋身與橋墩整合，于伸縮縫處配以分離式橋墩。高架區間共分為20個單元；橋墩跨徑為13.88米至35米。區間段節段梁長一般為2.5米，標準梁高為2.1米，標準梁寬為9.54米，重約30噸，最大塊體重35噸。車廠連接段節段梁長一般為2.5米，標準梁高為2.16米，標準梁寬為5.61米，重約20噸。

計算模型采用MIDAS/Civil 6.7軟件進行施工全工程模擬。上部預制拼裝箱梁和下部橋墩結構均采用梁單元模擬，全橋共離散為84個單元。橋墩底部采用固結，不考慮樁土作用。計算模型如圖4所示。

圖4　計算模型圖

橋墩采用C40混凝土，對于上部預制節段拼裝箱梁部分采用C55混凝土，采用抗拉極限強度為1860MPa的鋼絞線，混凝土根據CEB-FIP標準考慮收縮徐變作用。具體采用參數如表1所示，所用材料符合JTG D62-2004規范要求。

表1　模型材料參數表

全橋采用簡支變連續的施工方法，因此分析時將施工過程分為四個主要的施工階段：橋墩施工階段、橋跨拼裝階段（簡支狀態）、合攏階段（簡支變連續狀態）、橋面二期恒載施工階段。在橋墩施工階段，橋墩底部固結，不考慮樁土作用。橋跨拼裝階段，四跨依次拼裝預制節段，形成簡支狀態，并張拉體內預應力，體外預應力轉向塊的重量通過節點集中荷載模擬。此節段為使體系受力明確，只考慮橋梁上部結構受力性能，簡支狀態下橋跨結構未與橋墩相連，施加臨時集中荷載模擬運梁車梁上運梁。合攏施工階段，張拉體外預應力，取消橋跨簡支狀態下的臨時支座，完成結構體系轉換，此時橋墩與上部結構固結。橋面二期恒載施工階段，通過梁單元荷載模擬70kN/m的橋面二期恒載作用，此時橋梁結構為成橋狀態。四個施工階段的持續時間依次為70d、7d、5d、5d。將體外預應力的效應簡化為作用在轉向塊和錨固出的等效荷載。

2.1荷載工況

計算模型未考慮橫向預應力荷載，體內預應力錨下張拉控制應力為1395MPa，預應力筋與管道的摩擦系數和孔道偏差系數分別取0.17和0.015；體外預應力錨下張拉控制應力為1209MPa，轉向塊處的摩擦系數為0.15，松弛系數0.3，錨具回縮值取0.006m；支座沉降：每個橋墩不均勻沉降按1cm考慮；系統溫差為升溫20℃，降溫-30℃；活載為公路Ⅰ級荷載。

荷載工況組合：根據結構體系與施工過程，選取8種工況，即自重，預應力，收縮徐變，支座沉降，公路級荷載，整體升溫，整體降溫。

根據不同設計狀況，進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態荷載組合，對橋梁承載能力、抗裂、撓度、應力進行計算。

3計算結果分析

3.1成橋狀態內力

按分段施工法形成橋梁結構時，施工階段和成橋階段的結構內力與施工順序密切相關，由于施工順序的變化，使得成橋狀態結構彎矩會發生很大的變化。橋跨結構各施工階段完成，橋梁達到成橋狀態時，結構的內力狀態如圖5、圖6所示。根據承載能力極限狀態基本組合項進行荷載工況組合，橋梁上部結構在荷載組合下的跨中最大正彎矩為8002 kN·m，墩頂最大負彎矩為13699 kN· m。均小于截面極限承載能力。

圖5　成橋階段彎矩圖

圖6　成橋階段剪力圖

3.2預應力作用下結構內力

采用節段預制拼裝橋梁與傳統的現澆體內預應力橋梁相比，采用的預應力體系和施工方法有較大的不同。節段法除了采用體內預應力筋之外，還采用體外預應力筋混合配束。現行公路橋規僅針對體內預應力給出計算規定，但對體外預應力，無計算條款。因此在進行此類橋梁計算時，需要確定體外預應力筋在活載作用下的內力變化及預應力效應。圖7給出了主梁在預應力作用下的內力圖。

圖7　預應力作用下主梁彎矩圖

表2　預應力損失

從圖中看出，預應力作用下，主梁正負彎矩變化區段與自重作用下相反，正負彎矩最大值均出現在邊跨。預應力損失會引起主梁下翼緣壓應力儲備不足的問題，因此有必要對預應力損失進行計算，計算結果如表2所示。連續梁橋施工階段每跨預應力損失如表3所示。

表3　施工階段逐跨預應力損失值

3.3正截面混凝土的最大壓應力驗算

正截面混凝土的最大壓應力驗算，受壓區混凝土的正截面最大壓應力應滿足σc≤0.5 fck= 17.75MPa。圖8和圖9分別為主梁上、下翼緣應力值。從圖中看出，上翼緣最大壓應力12.2MPa，下翼緣最大拉應力13.64MPa，均滿足要求。

圖8　主梁上翼緣應力（MPa）

圖9　主梁下翼緣應力（MPa）

4結論

本文以澳門輕軌高架橋為背景，運用MIDAS軟件模擬其階段拼裝施工過程，研究節段預制拼裝連續梁橋整體受力特性，重點研究拼裝施工階段的結構狀態對實際結構體系的影響，主要結論如下：

1）采用節段預制拼裝橋梁由于各節段之間存在接縫，且非預應力鋼筋在接縫處斷開，削弱了主梁的抗彎剛度，使其在極限狀態的受力性能與整體現澆梁不同。所以在進行極限狀態的設計時，需對其抗彎剛度和抗剪強度進行折減。

2）建立模型時，將體外預應力的效應簡化為作用在轉向塊和錨固出的等效荷載，降低了結構的超靜定次數，簡化了計算，得到了較為準確的結果，可以在同類結構模擬中加以采用。

參考文獻：

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［10］Segmental Manual Florida Department of Transportation Bureau of Construction［M］，1989.

（責任編輯：郝安林）

中圖分類號：U441+.2

文獻標志碼：A

文章編號：1673-2928（2016）04-0059-05

收稿日期：2015-10-22

作者簡介：別永紅，男，中鐵十五局集團澳門公司高級工程師，研究方向：房屋建筑工程施工和研究。

Overall Mechanical Performance Analysis of a Light Rail which be Constructed with the Method of Short-Line Precast Segmental

BIE Yonghong1，JIAO Yufeng2，WANG Wenjing2，LIANG Bin2
（1.China Railway 15th Construction Bureau Group Corporation，Shanghai，200070，China；2.Civil Engineering School，HenanUniversity of Science and Technology，Luoyang，471023，China）

Abstract:The paper calculates a equal high degree of variable cross section continuous box girder bridge with 5x60m concrete precast segment of the light rail C370 segment program in Macao.Finite element model of this bridge is created.Studies the Structural static performance of this box girder bridge，such as the structural behavior under normal use stage and construction condition，Structural static performance the stress state and prestress change of beam under different working conditions and so on.The results indicated that torsion，the beam have a good internal force performance under the ultimate load bearing capacity.Pre-stress increments have a linear change.Static increment and the loss of pre-stress value are relatively small.Edge of the beam body reserves sufficient compressive stress，meet the security requirement.

Key words:shot-line method；light rail；span-by-span installation；design；construction