跨座式連續(xù)剛構(gòu)軌道梁橋施工過程受力分析

周 剛 （蕪湖市軌道（隧道）交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，安徽 蕪湖 241000）

0 前言

城市軌道橋梁布置存在線路曲線段多，相交道路、河道、鐵路多，橋梁沿線管線情況復(fù)雜等諸多建設(shè)條件的制約，因此對橋梁的跨越能力有較高的要求[1]。跨座式單軌交通具有對線路變化的良好適應(yīng)能力，以及占地面積少、運行噪音小、景觀效果好的優(yōu)點，在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛[2]。目前，跨座式單軌交通橋梁主要有簡支體系和連續(xù)剛構(gòu)體系[3-4]，簡支體系構(gòu)造簡單，受力明確，便于預(yù)制與吊裝架設(shè)，但由于PC簡支梁橋跨結(jié)構(gòu)整體剛度性能較差，因此對支座及伸縮裝置有極高的要求，且由于結(jié)構(gòu)受力特點的限制，簡支軌道交通橋梁橋跨不宜超過22m[5]。而剛構(gòu)體系軌道梁橋可有效解決跨座式單軌橋梁跨越能力不足的問題[6]。連續(xù)剛構(gòu)軌道梁橋是一種墩梁固結(jié)的混凝土變截面梁式橋，具有結(jié)構(gòu)整體受力特性好，抗彎、抗扭剛度大，承載力高等優(yōu)點，并且省去了支座的中介傳力部件，減少了伸縮縫數(shù)量，行車較為方便，已廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)中[7-8]。

為保障跨座式連續(xù)剛構(gòu)單軌交通工程施工質(zhì)量安全，對跨座式單軌交通工程連續(xù)剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁施工過程分析研究具有重要的工程指導(dǎo)意義。本文結(jié)合蕪湖市軌道交通2號線一期工程實例，利用有限元分析軟件Ansys，對跨座式連續(xù)剛構(gòu)單軌交通軌道梁橋各個關(guān)鍵施工階段和成橋階段進(jìn)行靜力分析，以期指導(dǎo)施工過程的安全風(fēng)險分析及施工監(jiān)控方案設(shè)計。

1 工程概況

蕪湖市軌道交通2號線一期工程區(qū)間軌道梁結(jié)構(gòu)為后張法預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，采用先簡支后連續(xù)的施工工藝。其中簡支PC梁采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場吊裝架設(shè)，PC梁與橋墩固結(jié)段采用現(xiàn)澆施工。蓋梁按部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，墩柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩柱與蓋梁均采用現(xiàn)澆施工。PC連續(xù)剛構(gòu)軌道梁采用實心矩形截面，跨中梁高1.6m，支點梁高2.2m，梁寬0.69m。預(yù)制部分梁體混凝土強度等級為C60，但要求混凝土彈性模量達(dá)到Ec=3.75×104MPa。現(xiàn)澆部分及封錨混凝土強度采用強度等級為C50的干硬性補償收縮混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼絞線強度級別為1860MPa，低松弛。

根據(jù)工程先簡支后連續(xù)的施工特點，計算的施工過程包括兩個關(guān)鍵施工階段和成橋狀態(tài)的計算。第一個關(guān)鍵施工階段是軌道梁的簡支階段，首先由梁廠進(jìn)行簡支梁部分的預(yù)制施工及預(yù)應(yīng)力張拉工作，然后吊裝預(yù)制軌道梁就位，此時軌道梁呈簡支狀態(tài)，每跨梁梁端采取臨時措施確保軌道梁穩(wěn)定。第二關(guān)鍵施工階段是軌道梁簡支轉(zhuǎn)連續(xù)的階段，澆筑墩頂現(xiàn)澆段混凝土，并張拉梁端間短預(yù)應(yīng)力鋼束，使之由分別獨立的3跨簡支梁轉(zhuǎn)化為3跨連續(xù)的橋梁結(jié)構(gòu)。

2 有限元模型建立

2.1 有限元建模

利用通用有限元分析軟件Ansys進(jìn)行建模。針對該結(jié)構(gòu)的受力特點，采用Beam188單元模擬混凝土，所建模型為一聯(lián)3跨，共有梁單元142個，節(jié)點148個；其中用于模擬墩頂現(xiàn)澆段的“生死”單元8個。Beam188單元適用于分析細(xì)長的梁，為二節(jié)點的三維線性梁單元。Beam188單元自由度的數(shù)目是由Ansys中的命令Keyopt（1）來控制的。當(dāng)Keyopt（1）=0時，Beam188單元每個節(jié)點有6個自由度，分別是沿x，y，z軸的位移及繞各軸的轉(zhuǎn)動。當(dāng)Keyopt（1）=1時，則會增加第七個自由度，即翹曲量。Beam188單元能很好的應(yīng)用于線性分析，適用于本結(jié)構(gòu)的受力特點。圖1為Beam188單元三維圖示。

用Ansys建立計算模型時，首先建立成橋狀態(tài)的幾何模型，然后通過Ansys的生死單元功能模擬施工階段。第一關(guān)鍵施工階段軌道梁的簡支狀態(tài)需通過Ansys的生死單元功能“殺死”墩頂現(xiàn)澆段的梁單元，并將“死”自由度約束住來實現(xiàn)。計算時選用等效荷載法對預(yù)應(yīng)力效應(yīng)進(jìn)行模擬。模擬第二關(guān)鍵施工階段軌道梁結(jié)構(gòu)的連續(xù)時，則首先需激活墩頂現(xiàn)澆段的梁單元，然后施加梁端之間的預(yù)應(yīng)力等效荷載。利用Ansys進(jìn)行計算時，用時間步的技術(shù)來處理。橋梁的整體有限元模型如圖2所示。

圖1 BEAM1883-D單元圖

圖2 跨座式單軌梁橋有限元模型

2.2 計算荷載

按規(guī)范[9]取值的荷載包括：永久荷載、可變荷載。計算過程中主要分析豎向的荷載作用，包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重，線路上附屬設(shè)施（通信信號、供電及接地系統(tǒng)等自重）組成的二期恒載和單軌車輛設(shè)計活載。動荷載主要考慮單軌車輛設(shè)計荷載、列車沖擊荷載、軌道離心力荷載、混凝土的徐變影響、混凝土的收縮影響。單軌車輛設(shè)計活載布置如圖3所示，其中P=138kN。

附加荷載：列車制動荷載及啟動荷載，風(fēng)荷載、溫度變化的影響。

荷載取值：根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗，輕軌橋梁設(shè)計常規(guī)取值。

圖3 單軌車輛設(shè)計活載布置（單位：mm）

3 關(guān)鍵施工階段的受力分析

整個計算考慮兩個關(guān)鍵施工階段。第一個關(guān)鍵施工階段是吊裝架設(shè)預(yù)制軌道梁的階段，軌道梁呈簡支狀態(tài)；第二個關(guān)鍵施工階段是簡支轉(zhuǎn)連續(xù)的階段，在第二關(guān)鍵施工階段完成橋梁結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換。下面列出關(guān)鍵施工階段部分位移及應(yīng)力結(jié)果，如圖4、圖5及表1所示。

圖4 第一關(guān)鍵施工階段豎向位移

圖5 第二關(guān)鍵施工階段豎向位移

施工階段截面應(yīng)力（單位：MPa） 表1

由計算結(jié)果可知，該軌道梁結(jié)構(gòu)完成體系轉(zhuǎn)換后豎向撓度減小，其最大豎向撓度和應(yīng)力狀態(tài)在施工階段均較小。簡支狀態(tài)下，軌道梁跨中截面上緣受壓、下緣受拉，墩頂截面上緣受拉、下緣受壓；完成體系轉(zhuǎn)換后，到第二施工階段，軌道梁在跨中和墩頂截面均處于全截面受壓狀態(tài)。

4 成橋狀態(tài)的受力分析

成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力分析根據(jù)規(guī)范[9]，考慮如下的兩種荷載組合。

①主力組合：恒載＋活載＋預(yù)應(yīng)力荷載＋混凝土收縮徐變＋基礎(chǔ)不均勻沉降；

②主力＋附加力組合：主力＋溫度荷載。

各組合內(nèi)力結(jié)果如圖6～圖9所示。

該軌道梁結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)豎向位移及應(yīng)力結(jié)果，如圖10及表2所示。由計算結(jié)果可知，該大橋成橋狀態(tài)的應(yīng)力狀態(tài)是滿足規(guī)范[9]要求的。在單軌車輛設(shè)計活載的作用下，軌道梁的最大豎向位移為23mm，滿足規(guī)范[10]中豎向位移最大不超過跨度1/800的規(guī)定。

圖6 成橋狀態(tài)主力組合彎矩

圖7 成橋狀態(tài)主力組合剪力

圖8 成橋狀態(tài)主力+附加力組合彎矩

圖9 成橋狀態(tài)主力+附加力組合剪力

圖10 成橋狀態(tài)豎向位移

成橋狀態(tài)截面應(yīng)力（單位：MPa） 表2

5 結(jié)語

蕪湖市軌道交通2號線一期工程區(qū)間采用連續(xù)剛構(gòu)PC軌道梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用先簡支后連續(xù)的施工工藝，其軌道梁結(jié)構(gòu)在施工階段和成橋狀態(tài)的受力變形均能較好地滿足相關(guān)規(guī)范的要求，在工程施工過程中，特別是體系轉(zhuǎn)換前的第一個關(guān)鍵施工階段，混凝土截面出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)做好監(jiān)控監(jiān)測工作。體系轉(zhuǎn)換后和成橋后，結(jié)構(gòu)全截面受壓，應(yīng)力和變形均小于規(guī)范限值，滿足安全要求。