轉體連續梁橋鋼殼合龍技術研究

劉顯暉，張浩陽，梁 歡，李建強，楊 帆

（1.廣西科技大學 土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006；2.柳州泰姆預應力有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

到目前為止，我國使用轉體技術建設成的橋梁數量已達到世界第一，橋梁轉體的施工技術和工藝也達到世界領先水平[1]。傳統的跨線合龍施工工藝，在跨線施工時，不可避免的會影響既有線路，鋼殼合龍技術能夠有效避免對既有線路的影響，可以保證既有線安全運營，并能保障現場施工安全。鋼殼合龍技術的運用能大幅增加轉體法施工的可行性，為這一施工方法的普及帶來了巨大的前景，有效地推動了既有線路的橋梁建設[2-3]。鋼殼合龍技術在我國應用于轉體合龍施工方面已經相當廣泛，目前已經在集包鐵路跨線橋、北汝河特大橋跨孟寶鐵路、京石客專等多個項目的合龍施工中實踐。不過對于鋼殼合龍技術受力分析研究相對較少，田小路[4]、劉正飛[5]等運用有限元軟件分析了合龍段鋼殼的受力情況。本文通過介紹合龍段鋼殼的構成、加工以及安裝，闡述其與傳統的合龍技術對比的優勢，再利用ansys有限元軟件建立新建福廈鐵路漳州下行聯絡線特大橋的有限元模型，分析在混凝土建筑過程中合龍段鋼殼的受力情況，對合龍段鋼殼受力情況進行模擬分析，為指導合龍段混凝土施工以及橋梁順利合龍提供依據，也為類似工程施工提供借鑒。

1 工程概況及合龍段鋼殼構成

1.1 工程概況

作為國家“一帶一路”建設重點工程，新建福廈鐵路設計時速350 km，新建線路長277.42 km，連接福州、莆田、泉州、廈門、漳州等城市，對促進沿線城市快速發展具有重要意義。福廈鐵路漳州下行聯絡線特大橋主梁為預應力混凝土連續梁，截面采用直腹板整孔箱梁形式，主跨長100 m，橋面跨度7.1 m，33#、34#號墩采用雙幅同步轉體，雙幅橋體總重11 000 t，轉體施工就位后，由于轉體橋下端距電氣化接觸網只有4.89 m，傳統的支架搭設十分困難，常規掛籃和吊架底模容易侵界，出于安全以及施工可行性考慮，中跨合龍段采用鋼殼合龍技術進行合龍。

1.2 合龍段鋼殼構成

合龍段鋼殼主要由3 部分構成：預埋段鋼殼，嵌補段鋼殼，吊掛系統。鋼殼縱斷面如圖1 所示，橫斷面如圖2 所示。

圖1 鋼殼縱斷面圖（單位：mm）

圖2 鋼殼橫斷面圖（單位：mm）

預埋段鋼殼、吊裝段鋼殼均采用16 mm 厚不銹鋼復合鋼板組焊而成，鋼殼外形尺寸同梁體外輪廓尺寸一致，緊貼梁體設置于外輪廓之上，并設置鋼殼橫隔板、加勁肋同箱梁最后段進行錨固。預埋段鋼殼長度為2 000 mm，采用對稱設計，嵌入連續梁最后懸澆段末端1 500 mm，外伸500 mm，預埋于梁段末端。嵌補段長度為1 440 mm，在轉體到位后進行施工安裝，安裝時與預埋段搭接壓緊后與預埋段進行焊接，保證鋼殼的密封性，確保澆筑時無漏漿現象發生。吊掛系統由精軋螺紋鋼吊桿、連接螺母、錨固扁擔梁組成，如圖3 所示。連接螺母通過電弧焊焊接于預埋段鋼殼及合龍段鋼殼之上，螺母與吊桿通過栓接連接，吊桿上部錨固于扁擔梁[6]。

圖3 吊掛系統示意圖

1.3 合龍段鋼殼加工以及安裝

將合龍段鋼殼在工廠中分為4 塊制作，其中底板和翼板各2 塊，在轉體施工前,預先將合龍段鋼殼底板放置于箱梁內部，翼緣板放置于箱梁頂面，并做好相關固定防護。

轉體施工完成并精調就位后，吊裝嵌補段鋼殼，及時完成中跨合龍段作業面封閉。吊裝過程中按照先底板、再腹板、最后翼緣板的順序吊裝。安裝過程中及時安裝預應力孔道，并保證預應力孔道位置定位準確。

2 鋼殼合龍技術的優勢

鋼殼合龍工藝是采用與梁體的外形完全一致的高強度鋼殼作為外模，它既能承受合龍段的自重與施工時產生的荷載，又與混凝土結合成一個整體共同參與結構受力[7]。與傳統合龍工藝相比，鋼殼合龍技術具有以下的優勢：

（1）鋼殼施工能有效解決梁底施工空間有限的難題。

（2）鋼殼合龍施工技術是一種新型施工技術，轉體之前進行鋼殼預埋段的施工，轉體之后進行鋼殼合龍段的施工，形成封閉施工空間，所有操作均在封閉空間內完成，幾乎不影響下跨線路的正常通行，減小既有線施工安全風險[8]。

（3）在合龍段施工過程中，鋼殼既起到了合龍段模板的作用，又作為混凝土一部分，與混凝土一起參與受力，施工完畢后不用拆除，操作簡潔，施工速度塊，大大節約上跨既有線施工時間成本，具有較好的經濟效益。

3 合龍段有限元模型的建立

3.1 幾何模型的建立及網格劃分

合龍段為鋼-混結合段，構造相對復雜，運用大型有限元軟件Ansys 無法精確模擬，因此需要做出一些簡化以及假設。依據圣維南原理，鋼-混結合段的局部應力與離它較遠區域的應力聯系很小，只與相近梁的應力狀態有關，所以本文采用已澆筑箱梁段,選取6 m 建模，選用solid65 模擬箱梁混凝土，shell63 模擬鋼殼，鋼殼按照實際尺寸建模，未考慮吊掛系統的影響，忽略鋼殼與混凝土的相互黏結和摩擦作用，采用約束方程生成剛性區域將混凝土梁段與預埋段鋼殼擬合共同受力。嚴格按照實際尺寸建模，x 軸沿橋梁縱軸向，y 軸豎直向上，z 軸沿橫橋向，有限元模型如圖4。

3.2 邊界條件及荷載施加

為準確模擬真實情況，兩側預埋段按固結考慮邊界條件,后吊裝段與預埋段按整體剛性連接考慮，所有荷載均按照面荷載加載于對應的結構網格上[9]。根據鋼殼受力情況可以分為豎向荷載、水平荷載以及側壓力。

豎向荷載主要包括鋼殼自重、底板處混凝土自重、合龍段箱梁的頂板、翼緣板、腹板等模板的自重等。

水平荷載主要包括傾倒混凝土產生的水平沖擊荷載和混凝土對鋼殼的側壓力。

側壓力可按下列公式計算，并取其中的較小值[10]，其余荷載按照相應規定施加。

式中：F 為新澆筑混凝土對模板的最大側壓力，kN/m2；γc為混凝土的重力密度，kN/m3；V 為混凝土的澆筑速度，m/h；t0為新澆混凝土的初凝時間，h，可按試驗確定，當缺乏試驗資料時，可采用t0=200/（T+15）t0（T 為混凝土的溫度，℃）；β1為外加劑影響修正系數。不摻外加劑時取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑時取1.2，這里取1.0；β2為混凝土坍落度影響修正系數，當坍落度小于30 mm 時，取0.85，坍落度為50～90 mm 時，取1.0，坍落度為110～150 mm時，取1.15，這里取1.0；H 為混凝土側壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度，m，混凝土側壓力的計算分布圖形如圖5 所示；h 為有效壓頭高度h=F/γc=1.9 m。

圖5 側壓力分布圖

4 結果分析

根據施工經驗，在混凝土澆筑時，由于混凝土的沖擊荷載，鋼殼在局部可能產生較大的應力以及變形，在此分析澆筑混凝土時對鋼殼的影響。

4.1 應力分析

通過有限元分析得到鋼殼的應力圖，如圖6 所示?？梢钥闯?，最大的mises 應力為82.99 MPa，Ux方向的最大應力為40.69 MPa，Uy 方向最大應力值為37.3 MPa。鋼殼鋼板表面的應力分布較為均勻，應力主要集中在鋼殼與混凝土接觸的邊緣段以及鋼殼底板中間位置。根據相關規范要求[10]，Q345 鋼板（≤16 mm）最大的抗拉、抗壓和抗彎強度為215 MPa，滿足施工要求。

圖6 應力圖

4.2 變形分析

本文主要分析鋼殼在混凝土澆筑時，鋼殼的豎向變形以及橫橋向變形，鋼殼的豎向變形主要發生在鋼殼底板以及加勁肋板處，最大變形量為0.86 mm；橫橋向鋼殼的變形沿縱向中心線對稱，主要發生在鋼殼兩側腹板位置，最大的變形量為0.75 mm。根據相關規范中關于最大變形值的規定，對結構表面外露的模板，最大變形值為模板構件計算跨經的1/325。通過分析計算可知鋼殼最大變形量符合施工技術要求。

通過有限元軟件分析結果可以得出以下結論：合龍段鋼殼的底面和側面產生的應力以及應變均處于規范的容許范圍，高應力集中區域面積很小，不會對鋼殼整體受力造成影響，鋼殼能夠承受來自混凝土澆筑時的沖擊荷載，保證混凝土澆筑時鋼殼的正常工作。

5 結語

本文以新建福廈鐵路漳州下行聯絡線特大橋轉體中跨合龍段為研究背景，對鋼殼合龍技術進行了詳細介紹，并闡述了鋼殼合龍技術的優勢，對合龍段鋼殼在混凝土澆筑時進行了有限元分析，得出了以下的結論：

（1）與傳統的轉體合龍工藝對比，合龍段鋼殼在連接后形成的封閉體系，大大減少了外界的干擾，能夠保證后續鋼筋及混凝土的施工安全，消除了施工雜物掉落到既有線上的安全隱患。

（2）鋼殼作為一種新型的合龍技術，由于時間有限，本文僅研究了施工過程中對鋼殼的影響，對于后續橋梁使用過程中未進行進一步的分析，需要更加深入的探索。

隨著轉體橋梁應用的增多，傳統的轉體橋合龍工藝存在著較大的安全隱患，鋼殼這種集模板、結構于一體的新型施工方法應用前景將會愈發廣闊，在橋梁建設中將會發揮越來越大的作用。