鐵路橋梁現澆支架PBL剪力鍵的應用性研究

劉海春

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

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鐵路橋梁現澆支架PBL剪力鍵的應用性研究

劉海春

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

現澆支架一般采用對拉鋼筋以平衡施工荷載產生的拉力，但當橋梁現澆支架不具備布置精軋螺紋鋼的技術條件時，PBL剪力連接件是較好的選擇.通過在預埋構件腹板開孔并穿入鋼筋形成PBL剪力連接件，能夠平衡預埋構件由于施工荷載產生的拉力.以新建京沈客專大凌河特大橋0#塊現澆支架為研究對象，研究了PBL剪力連接件在無對拉鋼筋現澆支架中的適用性.有限元軟件分析計算表明：設計PBL剪力連接件能夠平衡預埋構件中由于施工荷載產生的拉力，且安全儲備較大；現澆支架整體剛度和強度滿足施工技術要求.

PBL；現澆支架；預埋構件；0#塊

1　工程概況

京沈客專遼寧段TJ-3標大凌河西支特大橋起止里程為DK314+444.94～DK317+074.51，全長2629.57米.全橋共有3處連續梁：1處跨越老寬線，1處跨越承朝高速，1處跨越306國道.

本文連續梁以跨越老寬線的40+64+40米連續梁為研究對象，該連續梁位于遼寧省凌源市老寬線的南端進出口.該連續梁梁體為單箱單室、變高度、變截面箱梁，底板、腹板、頂板局部向內側加厚，均按直線線性變化.梁全長145.5米，計算跨度為40+64+40米，中支點處界面中心處梁高6.035米，橋面寬12.6米.該連續梁采用掛籃懸臂施工，分為9個施工塊段及邊跨直線段.主墩高度分別為31米和32.5米，邊墩高度分別為34米和35.5米.梁體按三向(縱向、橫向、豎向)預應力設計，設計使用年限等級為一級(使用年限100年).

2　0#段現澆支架施工工藝

0#段擬采取現澆支架法施工方案[1-6]，豎向1次澆筑完成，在墩頂預埋牛腿搭設型鋼支架，外側模直接采用定型鋼模板借助墩頂預埋牛腿支架進行施工，內箱頂板采用滿堂支架澆筑.正面(順橋向)采用7片36b雙拼工字鋼和28b雙拼工字鋼、25b雙拼工字鋼焊接成的三角形鋼牛腿作為承重結構.牛腿間距根據上部荷載分布情況布置.牛腿頂部搭設2片36b雙拼工字鋼承重梁，梁頂搭設三角桁架，上鋪鋼模板形成正面底模系統.側面(橫橋向)采用3片36b雙拼工字鋼和28b雙拼工字鋼、25b雙拼工字鋼焊接成的三角形鋼牛腿作為承重結構.牛腿頂部搭設2片22b雙拼工字鋼做作為承重梁.水平布置I36b、I28b工字鋼要平衡，預埋深度要保證1米，具體布置形式如圖1和圖2所示.

圖1　 現澆支架橫橋向立面圖(單位：m)

圖2　現澆支架縱橋向立面圖(單位：m)

3　施工荷載計算

3.1荷載分項

利用CAD中面域的命令，對選取的截面劃分不同的面域[5-7]，計算腹板、翼緣板、底板+頂板的橫向面積，如圖3所示.

圖3　箱梁組成部分面積

(1)正面現澆支架

單側單個頂板和底板(底板長度4.39m)：

P頂、底=26×3×5.4312÷2÷4.39=48.25kN/m

單側單個腹板：

P腹=26×3×3.922÷2÷0.74=206.7kN/m

單側單個翼緣板(未懸出墩身部分)：

P翼=26×3×0.2996÷2÷0.5=23.37kN/m

單側單個翼緣板(懸出墩身部分)：

P翼=26×3×1.01÷2÷2.5=42.02kN/m

(2)施工荷載：

P施=2.5×3÷2=3.75 kN/m

(3)振搗荷載(水平面模板)：

P振=2×3÷2=3 kN/m

(4)模板荷載(鋼模重量)：

P鋼模=1.2×3÷2=1.8kN/m

3.2施工荷載組合

設計計算采用承載力極限狀態法[8,9]，荷載組合如表1所示.

表1　施工荷載組合

計算箱梁底模荷載組合為：

(1)單側單個底板：

∑P=∑Piγi=(48.25+1.8)×1.2+(3.75+3)×1.4= 69.51kN/m

(2)單側單個腹板：

∑P=∑Piγi=(206.7+1.8)×1.2+(3.75+3)×1.4=259.65kN/m

(3)單側單個翼緣板(未懸出墩身部分)：

∑P=∑Piγi=(23.37+1.8)×1.2+(3.75+3)×1.4=39.65kN/m

(4)單側單個翼緣板(懸出墩身部分)：

∑P=∑Piγi=(42.02+1.8)×1.2+(3.75+3)×1.4=62.03 kN/m

4　0#段現澆支架結構受力分析

4.1有限元模型

結合現澆支架圖紙和有限元軟件Midas/Civil,對0#段現澆支架的整體結構進行受力分析，所建有限元模型共1338個結點，1342個單元，荷載采用線荷載的形式添加到I36b和I22b構件上.整體模型如圖4所示.

圖4　有限元整體模型

4.2有限元計算結果

材料容許應力Q235鋼，彎曲應力[σw]=145MPa，剪應力[τ]=85MPa，軸向應力[σ]=140MPa.

(1)現澆支架彎曲應力驗算

在考慮結構自重和組合荷載作用下，現澆支架整體結構的彎曲應力如圖5所示.

圖5　現澆支架整體結構彎曲應力(MPa)

從圖5可以看出，現澆支架最大彎曲應力為85.2MPa<[σw]=145MPa，滿足規范要求.

(2)現澆支架剪應力驗算

在考慮結構自重和組合荷載作用下，現澆支架整體結構的剪應力如圖6所示.

圖6　現澆支架整體結構剪應力(MPa)

從圖6可以看出，現澆支架最大剪應力為44.4MPa<[σw]=85MPa，滿足規范要求.

(3)現澆支架軸向應力驗算

在考慮結構自重和組合荷載作用下，現澆支架整體結構的軸向應力如圖7所示.

圖7　現澆支架整體結構軸向應力(MPa)

從圖7可以看出，現澆支架最大軸向應力為36.2MPa<[σw]=85MPa，滿足規范要求.

(4)現澆支架變形驗算

在考慮結構自重和組合荷載作用下，現澆支架整體結構的變形如圖8所示.

圖8　現澆支架整體結構變形(mm)

從圖8可以看出，現澆支架最大變形為5.82mm

5　上支點PBL錨固抗拉驗算

在考慮結構自重和組合荷載作用下，托架整體結構上錨固支點最大拉力如圖9所示.

圖9　上錨固點抗拉水平力(kN)

由圖9可知：錨固雙拼工36b工字鋼最大水平力為192.6kN拉力.在未采用對拉鋼筋的情況下施工，存在較大的安全隱患，因此在雙拼工36b腹板中心處采用氧炔焰開80mm孔，并橫穿直徑為20mm的HRB335鋼筋形成PBL剪力鍵[10,11]，以滿足施工抗拉要求；其中貫穿鋼筋相對于36b腹板對稱布置，長度大于1.2m[12,13].PBL布置形式如圖10所示.

圖10　腹板開孔工36b布置圖(mm)

由于鐵路行業尚無相關施工規范，因此參考《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》(JTG/T D64-01-2015)9.3.4節，開孔鋼板剪力連接件抗剪承載力設計值可按下式計算：

式中：

Vpud為承載力極限狀態下開孔鋼板連接件抗剪承載力設計值(N)；

d為開孔鋼板開孔直徑(mm)；

ds為孔內貫穿鋼筋直徑(mm)；

fcd為混凝土軸心抗壓強度設計值(MPa)；

fsd為孔內貫穿鋼筋抗拉強度設計值(MPa)；

單個開孔連接鍵抗剪承載力設計值：Vpud=1.4×(802-202)×18.4+1.2×280×202=289.0kN；剪力連接件抗剪承載力設計值為：2×289.0kN=578.0 kN >192.6kN，滿足抗拔要求，且安全儲備較大.

6　PBL的適用性分析

(1)結構性能可靠

PBL剪力連接件能夠將0#現澆支架上錨固點處的拉力轉化為PBL連接件內的剪力進行承載.由于PBL剪力連接件承載效率高，剛度大，且貫穿鋼筋后具有明顯的延性，各項力學性能優異，有較好的適用性.

(2)施工工藝簡單

PBL剪力連接件主要是由孔內混凝土和貫穿鋼筋抗剪來承擔作用于預埋件的拉力，因此為保證孔內混凝土受力均勻，在燒焊開孔時應盡量保持孔內緣的平整度和圓度.在施工時只需要利用氧炔焰在預埋件腹板處燒焊出設計直徑的開孔并埋入貫穿鋼筋即可，與安裝對拉精軋螺紋鋼筋相比，施工簡便，質量易于控制.

(3)經濟效益明顯

PBL剪力連接件省去了對拉精軋螺紋鋼筋的材料費，因此PBL剪力連接件在無對拉鋼筋的現澆支架中有較好的經濟性和推廣前景.

7　結語

(1)PBL設計能使支架上錨固端滿足施工抗拔要求，因此，PBL剪力連接件在無對拉鋼筋的現澆支架中有較好的適用性；

(2)對于該特大橋0#塊現澆支架整體采用有限元軟件法計算分析，其強度和剛度滿施工要求，有效地指導了施工.

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(責任編校：晴川)

Study on the Application of PBL Shear Key of Railway Cast-in-place Bridge Bracket

LIU Haichun

(China Railway 19thBureau Group 3rdCo. Ltd., Shenyang Liaoning 110136, China)

Cast-in-place bracket generally uses the pulling reinforcement steel bars to balance the pull force caused by construction load, but when the bridge cast-in-place bracket does not have the technical condition of decorating steel bars, PBL shear connector is a better choice. PBL shear connectors are prepared by opening holes in webs of embedded components and putting the steel into the hole to balance the pull force caused by construction load. Taking the cast-in-place bracket of Daling River Bridges 0 # brock for Beijing Shenyang passenger line as the research object, the paper studies the applicability of the PBL shear connectors in a cast-in-place bracket. The finite element analysis and calculation show that the designed PBL shear connectors can balance the pull force of embedded components caused by the construction load, and have a high safety reserve. The stiffness and strength of cast-in-place brackets meet the requirements of the construction.

PBL; cast-in-place bracket; embedded components; 0 # block

2016-07-01

劉海春(1976— )，男，遼寧朝陽人，中鐵十九局集團第三工程有限公司工程師.研究方向：橋梁與隧道工程.

TU37

A

1008-4681(2016)05-0022-04