銀西高鐵小邊跨連續梁大節段現澆設計研究

劉先爭

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

連續梁由于支點負彎矩的卸載作用，跨中正彎矩顯著減少，在力學性能上優于簡支梁，其具有結構剛度大、橋面變形小、動力性能好、變形曲線平順、有利于高速行車等突出優點[1]。但邊中跨比值對連續梁受力影響較大，邊中跨比的選取是否合理是連續梁設計成功的關鍵。為了減小連續梁第一跨跨中彎矩和支座處負彎矩，以及考慮到施工、構造或減小受力等因素，連續梁邊跨通常小于中跨，根據以往經驗，等截面連續梁邊中跨比值一般在0.5～1.0之間，變截面連續梁邊中跨比值一般在0.5～0.8之間[2]。

變截面連續箱梁一般采用“T”形對稱懸臂施工邊、中跨主梁。懸臂施工具有施工過程不受橋下通車、通航的限制，也不受下面所跨河流、山谷地形限制，可以減少施工設備，減少所使用的模板數量且能高效利用，實現機械化和循環重復作業，施工工藝和工程質量能夠得到保障等優點，因此懸臂施工在變截面連續箱梁施工中被廣泛采用[3-7]。

邊中跨比取0.6～0.65，有利于充分發揮懸臂施工特點，各跨受力亦比較均勻。受客觀條件限制時，采用過小的邊中跨比不僅影響結構受力、產生負反力，還因主梁邊、中跨非對稱布置，無法對稱懸臂施工。不協調的邊中跨比會造成懸臂施工困難、主跨下撓、應力不易控制、邊跨梁端上翹及支座脫空等一系列問題。當橋梁受地形、路線、橋下構筑物等客觀條件限制導致出現邊中跨比不協調或結構不對稱時，必須采取有效措施來克服由此帶來的不利影響。

懸臂澆筑的節段分段長度一般為3 m～5 m，目的是使節段施工的重量變化均衡，有緩慢下降的趨勢，不會出現陡變，而加大掛籃設計的難度[8]。但與此同時，由于懸臂澆筑長度受限，故節段數量較多，且每個節段為遞進式，從而使得該工法施工周期較長，對于一些對施工工期有嚴格限制或者盡量縮短的項目無法滿足業主要求。本文對銀西高鐵跨南岸河堤四線橋建立有限元模型，研究不同邊中跨比和施工方法對梁受力的影響。

1 工程概況

銀西高鐵跨南岸河堤(51+110+51) m小邊跨四線連續梁位于福銀高速咸陽渭河公路橋上游85 m，以并橋方式跨越渭河，見圖1。為統籌利用渭河橋位資源，2017年5月 閻機城際鐵路首次提出與銀西高鐵并線共建渭河四線橋。渭河主河槽寬1 200 m，南河堤寬60 m，設計標準三百年一遇，北河堤寬20 m，設計標準百年一遇。為滿足跨河堤、主橋墩與公路橋墩隔墩對孔布置及規避下游廣播電視塔信號干擾等因素，主河槽采用17孔60 m鋼管斜撐加勁四線簡支梁，跨南岸河堤橋采用(51+110+51) m 小邊跨四線連續梁。受橋位及橋式方案防洪評價前期論證影響，渭河四線橋2019年5月開工建設，2020年12月建成通車，線下有效施工工期僅8個月。傳統的掛籃懸灌設計與施工，無法滿足要求的工期，本橋采用四線分幅大節段支架現澆同步快速建造技術，有效解決了工期技術瓶頸難題。

銀西高鐵跨南岸河堤橋分左右兩幅，銀西鐵路左右線位于中間，城際鐵路左右線分別位于兩側，見圖2。梁體采用單箱單室變高度直腹板箱形截面，箱梁頂寬11.3 m，底寬7.0 m，單側懸臂長分別為 2.95 m和1.35 m。主墩墩頂6.0 m范圍內梁高8.15 m，跨中及邊跨梁高5.15 m，其余梁高按二次拋物線變化。箱梁腹板厚度由90 cm變至50 cm；底板厚由90 cm變至50 cm；頂板厚40 cm；梁體中墩頂根部加厚至80 cm(邊墩頂根部加厚至125 cm)。

箱梁設計為縱、豎向預應力體系，縱向按全預應力構件設計，僅在中隔墻設置橫向預應力鋼束。箱梁縱向鋼束：腹板束采用15Φ15.2 mm鋼絞線，內徑φ90 mm波紋管成孔；頂板T束均采用19Φ15.2 mm鋼絞線，內徑φ100 mm波紋管成孔；其余鋼束均采用17Φ15.2 mm鋼絞線，內徑φ100 mm波紋管成孔。箱梁橫隔墻鋼束：采用4Φ15.2 mm鋼絞線，配用BM15-4及BM15P-4型扁錨，采用內徑70 mm×19 mm波紋管成孔。箱梁豎向預應力鋼筋：采用PSB830直徑32 mm精軋螺紋鋼筋和JLM-32精軋螺紋錨，內徑φ50 mm鐵皮管成孔。箱梁每道腹板設置一根豎向預應力鋼筋，順橋向間距50 cm，見圖3。

2 小邊跨與常規邊跨受力對比分析

連續梁主要承受恒載、活載、附加力和特殊荷載等作用，合理的邊中跨比既要滿足受力性能好，又要滿足施工等的要求。中交二公院楊興和武電坤以3跨等截面連續梁簡化模型為基礎，以邊中跨比m為變量，建立方程，分析邊中跨比對截面彎矩、支座反力的影響。得出以下結論：當主跨徑不變時，在梁自重的作用下，隨著邊中跨比m增大，跨中彎矩M中先增大，當m=0.45時達到峰值，隨后減小，墩頂彎矩M頂先減小，當m=0.45時達到低谷，隨后增大，此時M中與M頂差值最??；邊支點反力F邊隨著m增大而增大，當m>0.35時不出現負反力；中支點反力F中隨著m增大先減小，當m=0.4時達到低谷，隨后增大。變截面連續梁由于自重沿橋縱向變化，若以邊中跨比m為變量，建立方程，分析邊中跨比對截面彎矩、支座反力的影響，涉及變量較多，分析比較困難。

連續梁合理成橋狀態優化方法較少[9-13]，斜拉橋合理成橋狀態的優化方法發展比較成熟，可以參考借鑒，例如有零位移法、應力平衡法、剛性支承連續梁法、彎曲能量最小法、彎矩平方和最小法、影響矩陣法、用索量最小法、一階分析法、序列二次規劃法、凝聚函數法等[14]。湖南大學劉勇等在相關合理成橋狀態優化方法的基礎上，選取最小單位彎曲變形能力作為邊跨與中跨跨徑比優化的目標函數，當邊跨與中跨跨徑比在0.5～0.6時，隨著邊跨的增加，中墩支點產生較大的負彎矩，使中跨跨中彎矩降低，從而使整個橋梁彎矩分配均勻，趨于最優；而當邊跨與中跨跨徑比在0.6～0.7時，隨著邊跨的增加，中跨的彎矩減小不足以抵消支點負彎矩和邊跨正彎矩的增加，最終導致平均彎曲變形能的迅速增加，因此以最小彎曲變形能作為優化指標的最優邊跨與中跨跨徑比為0.6。從施工和經濟方面考慮，提出邊跨與中跨跨徑比變化范圍為0.55～0.65[15]。

鐵路橋梁與公路橋梁相比，具有對變形和剛度要求嚴苛，活載大等特點，綜合考慮鐵路橋梁受力、施工、經濟等各方面的因素，通過大量的理論分析和工程試驗，鐵路橋梁三跨連續梁邊中跨比一般為0.6～0.7，例如鐵路連續梁標準圖：(32+48+32)m連續梁邊中跨比m=0.67,(40+64+40)m連續梁邊中跨比m=0.625,(48+80+48)m連續梁邊中跨比m=0.6,(60+100+60) m連續梁邊中跨比m=0.6。

銀西高鐵跨南岸河堤橋，受地形等各方面的因素制約，孔跨組合為(51+110+51) m，邊中跨比0.46。以本橋為背景，保持截面高度、恒載、活載等不變，采用Midas civil軟件，對孔跨組合為(51+110+51) m連續梁(邊中跨比為0.46)與孔跨組合為(66+110+66) m連續梁(邊中跨比為0.6)建立模型，對比分析兩種孔跨組合下的受力特點。

彎矩對比分析：為對比結構的彎矩情況，考慮恒載、恒載+活載作用下結構的內力?，F選取邊跨L/2、中支點及中跨L/2處截面為控制截面，對上述兩種孔跨組合作彎矩對比分析，在恒載、恒載+活載作用下彎矩值見表1。兩種跨度組合，結構彎矩對比如圖4～圖6所示。

表1 控制截面彎矩對比表 kN·m

從圖表對比結果可知，(66+110+66) m連續梁中墩支點產生較大的負彎矩，中跨跨中正彎矩降低。(66+110+66) m連續梁與(51+110+51) m連續梁單位彎曲能之比為：恒載作用下為0.92，恒載+活載作用下(最大值)為0.97，恒載+活載作用下(最小值)為0.88。邊中跨比為0.6 的(66+110+66) m連續梁，彎矩曲線與橋梁縱軸線所圍面積更小，彎矩分配更均勻，受力更合理。

剪力對比分析：同樣選取上述截面為控制截面，考慮恒載、恒載+活載作用下剪力值見表2。兩種跨度組合，結構剪力對比如圖7～圖9所示。

表2 控制截面剪力對比表 kN

從圖表對比結果可知，中支點和中跨L/2處剪力基本相同，邊中跨L/2處剪力略有不同，由邊跨長度不同導致。由于邊中跨比的變化，對剪力變化影響較小。

支座反力對比分析：考慮恒載、恒載+活載作用下，上述兩種孔跨組合的邊支座和中支座反力值見表3。

表3 支座反力對比表 kN

中支座反力變化較小，(66+110+66) m連續梁邊支座反力更大。在恒載+活載MIN作用下，(51+110+51) m連續梁邊支座支反力較小，安全儲備較少，為克服小邊中跨比帶來的不利影響，增加邊支座安全儲備，銀西高鐵跨南岸河堤橋在邊跨選用素混凝土施加配重。

3 掛籃懸灌施工與大節段支架現澆受力對比分析

銀西高鐵跨南岸河堤 (51+110+51) m連續梁有效施工工期僅有8個月，原掛籃懸灌設計施工方法不能滿足工期要求，由掛籃懸灌施工改為大節段支架現澆施工。箱梁節段長度變化：

原掛籃懸灌方案：中支點0號梁段長12 m，邊支點支架現澆梁段長4.75 m，邊、中跨合攏梁段長2 m。邊跨掛籃懸灌施工共10個梁段，長度為(8×4+2×3.5)m；1/2中跨掛籃懸灌施工共12個梁段，長度為2×3.5 m+8×4 m+2×4.5 m，見圖10。

大節段支架現澆方案：大節段支架現澆方案箱梁高度、腹板厚度、頂底板厚度等與掛籃懸灌方案相同。中支點支架現澆0號梁段長17 m，邊支點支架現澆梁段長6.75 m，邊跨合攏梁段長12 m、中跨合攏梁段長2 m。邊跨另外2個支架現澆梁段長度分別為12 m，11.5 m，1/2中跨另外4個支架現澆梁段長度分別為11.5 m，12 m，12 m，9 m，見圖11。

采用西南交大李喬教授編制的《橋梁結構分析系統》(BSAS)程序對箱梁進行施工階段和運營階段的縱向平面內力分析計算，計算分析了主梁在主力、主力+附加力作用下的正應力和主應力。

掛籃懸灌方案：主力作用下：強度安全系數2.37，抗裂安全系數1.49，上緣最大壓應力11.27 MPa，上緣最小壓應力1.47 MPa，下緣最大壓應力11.12 MPa，下緣最小壓應力2.18 MPa，混凝土最大剪應力3.48 MPa，混凝土主拉應力2.20 MPa，混凝土主壓應力12.05 MPa。主力+附加力作用下：強度安全系數2.32，抗裂安全系數1.41，上緣最大壓應力13.14 MPa，上緣最小壓應力1.26 MPa，下緣最大壓應力11.82 MPa，下緣最小壓應力1.95 MPa，混凝土最大剪應力3.48 MPa，混凝土主拉應力2.92 MPa，混凝土主壓應力12.48 MPa。

大節段支架現澆方案：主力作用下：強度安全系數2.34，抗裂安全系數1.46，上緣最大壓應力15.52 MPa， 上緣最小壓應力1.86 MPa， 下緣最大壓應力10.63 MPa， 下緣最小壓應力1.95 MPa，混凝土最大剪應力3.26 MPa，混凝土主拉應力1.65 MPa，混凝土主壓應力12.61 MPa。主力+附加力作用下：強度安全系數2.23，抗裂安全系數1.36，上緣最大壓應力14.87 MPa，上緣最小壓應力0.80 MPa，下緣最大壓應力11.58 MPa，下緣最小壓應力1.88 MPa，混凝土最大剪應力3.26 MPa，混凝土主拉應力1.70 MPa，混凝土主壓應力12.76 MPa。

兩種施工方案均滿足TB 10092—2017鐵路橋涵混凝土結構設計規范[15]，掛籃懸灌方案與大節段支架現澆方案相比，梁體節段較多，腹板束錨固位置更加靈活，有利于降低荷載的影響，節省鋼束，安全系數更大。

4 結論

1)小邊中跨比對連續梁受力產生不利影響，造成單位彎曲能更大，邊支座易脫空等系列問題。

2)掛籃懸臂施工節段數量較多，每個節段遞進式施工，工期較長，無法滿足對于一些對施工工期有嚴格限制或者盡量縮短的項目，大節段支架現澆施工能有效節省工期。

3)掛籃懸臂施工改為大節段支架現澆施工，通過改變預應力鋼束配置，結構各項應力指標均能滿足規范要求，保證結構安全。