大跨度無(wú)后澆段混凝土轉(zhuǎn)體T構(gòu)線形控制與受力研究

沈樂(lè)

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，不可避免地會(huì)出現(xiàn)公路橋梁與鐵路交叉的情況，這種情況下在設(shè)計(jì)階段需考慮如何最大限度地降低新建公路橋梁施工過(guò)程對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響?；炷赁D(zhuǎn)體剛構(gòu)橋憑借結(jié)構(gòu)剛度大、承載能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)體技術(shù)成熟、穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為跨越繁忙鐵路干線的理想方案。

公路橋梁跨越鐵路段常位于曲線段上，且與鐵路存在斜交角度，導(dǎo)致橋梁跨度較大，橋梁結(jié)構(gòu)具有明顯的空間效應(yīng)、受力復(fù)雜，且無(wú)后澆段施工空間，因此常采用整體澆筑完成轉(zhuǎn)體后頂升安裝支座的施工方式?；诖?，以臨淄至臨沂高速公路上跨瓦日鐵路轉(zhuǎn)體橋?yàn)槔瑢?duì)大跨徑曲線轉(zhuǎn)體橋預(yù)拱度設(shè)置、成橋線形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制等關(guān)鍵技術(shù)及受力性能進(jìn)行研究，以期為此類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考[1-4]。

1 項(xiàng)目概況

1.1 主橋結(jié)構(gòu)

臨淄至臨沂高速公路位于山東省北部，線路于淄博市沂源縣南安樂(lè)村東與瓦日鐵路交叉，交叉處對(duì)應(yīng)瓦日鐵路里程K1103+338。橋梁平面位于圓曲線上，道路中心線與鐵路夾角為53°，采用2×85m 整幅轉(zhuǎn)體T 構(gòu)橋上跨鐵路，橋梁結(jié)構(gòu)寬度為38.20m。

主橋上部為2×85m 全預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，采用單箱五室結(jié)構(gòu)，腹板采用斜腹板，斜率為3∶1；橫橋向箱梁頂、底板平行，頂、底板設(shè)置單向3% 橫坡；端部梁高4m，中支點(diǎn)梁高9.5m，變高部分梁高按2 次拋物線變化。箱梁頂板厚度為30cm，腹板厚度為0.5～1.1m；箱梁分別在中支點(diǎn)、梁端設(shè)置橫隔梁，中支點(diǎn)兩道橫梁厚度均為150cm，梁端橫梁厚度為200cm。

1.2 下部結(jié)構(gòu)

主墩采用矩形墩身，墩身橫橋向長(zhǎng)20m，順橋向?qū)?m，墩頂與梁體固結(jié)，墩底與轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的上轉(zhuǎn)盤(pán)固結(jié)。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)高4.8m，平面尺寸為21.8m×21.8m，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)下接主墩承臺(tái)。主墩承臺(tái)厚度為5.5m，承臺(tái)平面尺寸為24m×24m?；A(chǔ)采用5×5 根鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，樁基直徑為2.5m，樁間距5m。反力座承臺(tái)厚度為5.5m，平面尺寸為3m×3m，主墩承臺(tái)兩側(cè)各布置1 個(gè)反力座，并與主墩承臺(tái)一起澆筑。邊墩采用柱式墩接蓋梁，蓋梁橫橋向?qū)?6.9m，順橋向?qū)?.5m，墩柱采用5 根2.5m（橫）×1.8m（順）矩形墩，單個(gè)墩柱下設(shè)3.2m（橫）×7.5m（順）×3m 承臺(tái)，承臺(tái)下接2 根1.8m 鉆孔灌注樁。

2 橋梁線形控制

2.1 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)置

常規(guī)轉(zhuǎn)體T 構(gòu)橋是在梁端處設(shè)置一段后澆段，待橋梁先澆筑部分轉(zhuǎn)體完成后，在邊墩附近搭設(shè)支架澆筑后澆段，由于該方案有后澆段，因此對(duì)轉(zhuǎn)體部分線形控制要求相對(duì)較低，但在上跨鐵路位置，受鐵路運(yùn)營(yíng)的影響，缺乏設(shè)置后澆段的條件。因此，結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際情況、結(jié)構(gòu)受力合理性及施工方案的可行性，全橋在鐵路安全范圍外，先平行鐵路澆筑完成，再一次性轉(zhuǎn)體到位安裝支座，這樣既能降低對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響，又能縮短施工工期，但對(duì)轉(zhuǎn)體線形控制要求極高。

圖1 2×85m 轉(zhuǎn)體T 構(gòu)構(gòu)造圖（單位：cm）

2.2 轉(zhuǎn)體線形分析

在橋梁設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中，線形控制是重要因素。橋梁線形包含設(shè)計(jì)線形、成橋線形、竣工線形與最終線形。設(shè)計(jì)線形是設(shè)計(jì)文件中橋梁結(jié)構(gòu)的線形；成橋線形是施工合龍后的線形；竣工線形是橋面鋪裝、附屬等施工結(jié)束后的線形；最終線形是運(yùn)營(yíng)過(guò)程中收縮徐變基本完成時(shí)的線形。

橋梁線形控制主要是在滿足結(jié)構(gòu)受力的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)置合適的預(yù)拱度，使橋梁達(dá)到成橋線形。預(yù)拱度主要分為施工預(yù)拱度與成橋預(yù)拱度，施工預(yù)拱度主要是為了抵消橋梁結(jié)構(gòu)恒載、預(yù)應(yīng)力、二期荷載及收縮徐變產(chǎn)生的變形而設(shè)置的預(yù)抬高值。成橋預(yù)拱度主要是為了抵消橋梁在運(yùn)營(yíng)階段由車(chē)輛荷載作用、預(yù)應(yīng)力損失及經(jīng)驗(yàn)抬高值產(chǎn)生的變形而設(shè)置的抬高值。施工階段需要根據(jù)施工預(yù)拱度和成橋預(yù)拱度設(shè)置預(yù)拋高，進(jìn)而使橋梁線形達(dá)到設(shè)計(jì)線形。

2.3 轉(zhuǎn)體工況分析

臨淄至臨沂高速上跨瓦日鐵路變截面轉(zhuǎn)體T 構(gòu)橋采用大節(jié)段滿堂支架澆筑施工方案，不設(shè)置后澆段，整橋澆筑完成進(jìn)行轉(zhuǎn)體安裝支座，橋梁結(jié)構(gòu)施工、體系轉(zhuǎn)換過(guò)程較為復(fù)雜、整體施工周期較長(zhǎng)。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要通過(guò)精確的計(jì)算，分析橋梁結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中變形情況與受力狀態(tài)，使成橋線形和受力狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

轉(zhuǎn)體T 構(gòu)橋主梁落架后的受力形式類(lèi)似懸臂梁結(jié)構(gòu)，特別是大跨徑T 構(gòu)結(jié)構(gòu)，落架后梁端撓度較大，結(jié)合落架后結(jié)構(gòu)受力、轉(zhuǎn)體后線形控制及支座安裝特點(diǎn)，對(duì)三種工況進(jìn)行分析。工況一：橋梁施工過(guò)程中不設(shè)置預(yù)拋高，轉(zhuǎn)體后對(duì)梁端進(jìn)行頂升，安裝支座，使橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到成橋線形。工況二：橋梁施工過(guò)程中設(shè)置一定高度的預(yù)拋高，轉(zhuǎn)體后對(duì)梁端頂升，安裝支座，使橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到成橋線形。工況三：橋梁施工過(guò)程中設(shè)置較大的預(yù)拋高，轉(zhuǎn)體后橋梁不用頂升，直接安裝支座。以上述三種工況為例，對(duì)梁端撓度、墩頂彎矩、墩頂附近應(yīng)力及支反力進(jìn)行分析。

3 分析結(jié)果

轉(zhuǎn)體T 構(gòu)采用全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橋梁在滿堂支架上分4 個(gè)節(jié)段進(jìn)行澆筑，澆筑完成后落架轉(zhuǎn)體。

3.1 結(jié)構(gòu)變形分析

工況一：施工期間不設(shè)置預(yù)拋高，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，橋梁澆筑完成后落梁，梁端最大撓度為19.4cm（見(jiàn)圖2）。梁端需要頂升19.4cm 才能使梁端達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，跨中2#節(jié)段最大上撓0.43cm，3#節(jié)段最大下?lián)?.79cm，需要靠施工過(guò)程中設(shè)置預(yù)拱度來(lái)抵消，如圖3 所示。轉(zhuǎn)體T 構(gòu)梁端墩梁間隙為50cm，設(shè)置4 個(gè)千斤頂頂升點(diǎn)，頂升19.4cm 單點(diǎn)頂力需要達(dá)到4250kN，采用600t 千斤頂，轉(zhuǎn)體后墩梁間隙僅30.6cm，不滿足千斤頂空間要求，無(wú)法滿足施工要求。

圖2 2×85m 轉(zhuǎn)體T 構(gòu)不設(shè)置預(yù)拋高落架后線形圖（單位：cm）

圖3 2×85m 轉(zhuǎn)體T 構(gòu)頂升線形圖（單位：cm）

工況三：施工期間在梁端支點(diǎn)位置設(shè)置19.4cm 預(yù)拋高，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，轉(zhuǎn)體后梁端支點(diǎn)位置標(biāo)高達(dá)到成橋標(biāo)高，跨中2#節(jié)段最大上撓0.3cm，3#節(jié)段最大下?lián)?cm，同樣需要疊加施工預(yù)拱度加以抵消。過(guò)大的預(yù)拋高會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)體球鉸反力較大，同時(shí)會(huì)使端支座最不利工況下出現(xiàn)負(fù)反力，需要在梁端箱室內(nèi)進(jìn)行混凝土灌注，增大結(jié)構(gòu)荷載，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)受力不利。

工況二：施工期間設(shè)置9.1cm 預(yù)拋高，轉(zhuǎn)體完成后頂升10cm，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，橋梁澆筑完后成落梁，梁端最大撓度10cm，如圖4 所示。轉(zhuǎn)體后梁端頂升使梁端達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，跨中2#節(jié)段最大上撓0.36cm，3#節(jié)段最大下?lián)?.89cm，在設(shè)置預(yù)拋高的過(guò)程中考慮預(yù)拱度即可使橋梁轉(zhuǎn)體后達(dá)到成橋線形，如圖3 所示。轉(zhuǎn)體后梁端設(shè)置4 個(gè)頂升點(diǎn)，頂升高度10cm，單點(diǎn)最大頂力2500kN，使用350t 千斤頂，梁底操作空間40cm，滿足施工要求，結(jié)構(gòu)受力均滿足受力要求，且處于合理區(qū)間。

圖4 2×85m 轉(zhuǎn)體T 構(gòu)工況二落架線形圖（單位：cm）

3.2 結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)運(yùn)營(yíng)階段不同工況下應(yīng)力值可知，不同工況下結(jié)構(gòu)均處于受壓狀態(tài)，均滿足結(jié)構(gòu)受力要求（見(jiàn)表1）。工況一不設(shè)置預(yù)拋高，由于轉(zhuǎn)體后頂升高度較高，使橋梁頂緣產(chǎn)生較大壓應(yīng)力，底緣壓應(yīng)力儲(chǔ)備減小。工況三設(shè)置較大的預(yù)拋高，不進(jìn)行頂升操作，落架后由于梁體相對(duì)高度下降較多，導(dǎo)致底緣壓應(yīng)力相對(duì)較大，而頂緣壓應(yīng)力儲(chǔ)備減小。工況二通過(guò)設(shè)置合理的預(yù)拋高和頂升高度，橋梁成橋后頂、底緣應(yīng)力儲(chǔ)備均存在更合理的位置，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)更好?？梢?jiàn)，合理設(shè)計(jì)預(yù)拋高和頂升，不僅能使橋梁結(jié)構(gòu)受力處于更好的狀態(tài)，也能減少鋼束用量，提高工程經(jīng)濟(jì)效益。

表1 運(yùn)營(yíng)階段橋梁應(yīng)力

4 結(jié)論

對(duì)2×85m 混凝土轉(zhuǎn)體T 構(gòu)橋線形控制進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比分析不同工況下頂升距離、結(jié)構(gòu)受力情況，得出以下結(jié)論：

第一，合理的預(yù)拋高可以減小梁體落梁后的梁端下?lián)?，使轉(zhuǎn)體后梁端頂升距離短、反頂力值小，結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化過(guò)程中受力狀態(tài)更佳，經(jīng)濟(jì)性更高。

第二，不設(shè)置預(yù)拋高或設(shè)置較大的預(yù)拋高，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體過(guò)程中發(fā)生較大的變形，為滿足結(jié)構(gòu)受力需要增加結(jié)構(gòu)尺寸、增加配束，結(jié)構(gòu)不合理且經(jīng)濟(jì)性較差。

第三，對(duì)于條件受限的跨線橋，頂推方案施工困難，且需要一次性跨越時(shí)，不設(shè)置后澆段的轉(zhuǎn)體T 構(gòu)橋具有明顯的優(yōu)越性，該類(lèi)橋型在跨越繁忙鐵路干線等工程中有顯著優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。