孫宗磊 陳懷智 潘湘文 張偉偉

(1.中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司 北京 100844；2.中鐵上海設(shè)計院集團有限公司 上海 200070)

1 研究背景

隨著我國高速鐵路橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，大跨度橋梁日益增多，混凝土梁式橋剛度大、噪聲小、成本低、維修養(yǎng)護方便，能很好地滿足高速鐵路對平順性、穩(wěn)定性、可靠性的要求[1－2]。當(dāng)跨度需求進一步增加時，可采用梁拱組合及矮塔斜拉橋體系的混凝土橋。矮塔斜拉橋體系受力合理、結(jié)構(gòu)剛度大，跨徑布置靈活、施工方便，工后徐變控制較好，當(dāng)橋梁跨徑小于300 m時，矮塔斜拉橋在經(jīng)濟性上更具競爭力[3－5]。近些年矮塔斜拉橋在高速鐵路橋梁建設(shè)中發(fā)展迅猛，先后建成主跨220 m商合杭鐵路穎上特大橋、主跨178 m京沈客專潮白河大橋及主跨2×200 m黃黃鐵路巴河特大橋等多座高速鐵路大跨度混凝土矮塔斜拉橋。

本文以池黃高鐵三塔矮塔斜拉橋為工程背景，對矮塔斜拉橋索力參數(shù)敏感性[6]、主梁局部應(yīng)力狀態(tài)進行分析研究，通過研究得到相關(guān)的規(guī)律指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計。對懸臂澆筑施工中大節(jié)段懸臂澆筑及常規(guī)掛籃澆筑進行比選探討，對深水庫區(qū)鉆孔樁平臺與圍堰一體化施工技術(shù)進行研究。本文的研究結(jié)論可以為類似的橋梁設(shè)計施工提供借鑒和參考。

2 工程背景

新建池州到黃山高速鐵路設(shè)計速度350 km/h，線間距5.0 m，采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道[7]。太平湖特大橋主橋全長789.7 m，計算跨徑(48＋118＋2×228＋118＋48)m，為雙線三塔矮塔斜拉橋(見圖1)，橋位處水深約35 m。橋梁中塔塔墩梁固結(jié)，邊塔塔梁固結(jié)，橋墩設(shè)支座。主梁采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，跨中和中支點梁高分別為6 m、12 m。橋面以上塔高47.2 m，有效塔高(最上排斜拉索理論錨固點到橋面距離)35 m。橋塔形式為矩形直立式，橫橋向?qū)挾?.6 m，順橋向?qū)挾?～8 m。每個橋塔設(shè)置9對斜拉索，橫向雙索面布置，塔上索間距為1.2 m，梁上索間距為8 m。斜拉索采用單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線，每根拉索在橋塔內(nèi)通過分絲管索鞍通過，錨固于箱梁腹板外側(cè)。

圖1 立面布置(單位:m)

3＃、9＃邊墩采用圓端形實體橋墩，分別采用11根 φ1.5 m、8根 φ1.5 m 鉆孔樁基礎(chǔ)。4＃、8＃輔助墩采用圓端形實體橋墩，均采用14根φ1.5 m鉆孔樁基礎(chǔ)。5＃、7＃邊塔橋墩為矩形實體墩，基礎(chǔ)采用12根φ3 m的鉆孔灌注樁。6＃中塔橋墩為矩形實體墩，基礎(chǔ)采用15根φ3 m的鉆孔灌注樁。三個主塔基礎(chǔ)均采用高樁承臺，自由樁長15～28 m。

3 設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 斜拉索索力參數(shù)敏感性分析

以原設(shè)計為基準(zhǔn)，分別使索力增加和減少10%、20%，通過模擬計算，研究索力變化對橋梁結(jié)構(gòu)的主梁截面應(yīng)力和位移的影響。本橋為對稱結(jié)構(gòu)，以中塔為分界線，計算結(jié)果只取一半。規(guī)定壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正。圖2a為主力作用下，梁體上下緣最大應(yīng)力計算結(jié)果。圖2b、圖2c為不同索力情況下，相對于原設(shè)計主梁上緣和下緣應(yīng)力的差值。

圖2 索力變化對主梁應(yīng)力的影響

從圖2中可以看出，隨著索力增大，跨中主梁上緣和下緣壓應(yīng)力均減小，主塔位置主梁上緣和下緣壓應(yīng)力均增大。

索力每變化10%，塔根無索區(qū)梁部上緣應(yīng)力會產(chǎn)生1.3 MPa變化量，變化幅值為10.5%。跨中位置梁部上緣應(yīng)力會產(chǎn)生0.8 MPa變化量，變化幅值為7.2%。

索力每變化10%，塔根無索區(qū)梁部下緣應(yīng)力最大會產(chǎn)生1.1 MPa變化量，變化幅值為10.0%?？缰形恢昧翰肯戮墤?yīng)力會產(chǎn)生0.81 MPa變化量，變化幅值為8.6%。

不同索力作用下主梁跨中徐變變形、恒載跨中豎向位移及靜活載跨中豎向位移見表1。豎向位移以向下為負(fù)，向上為正。

表1 不同索力工況下主梁變形 mm

由表1可以看出索力與徐變變形和恒載跨中撓度呈線性關(guān)系，每10%的索力變化會造成跨中最大15 mm徐變變形，53.1 mm恒載變形量。梁體徐變變形變化幅值120%，恒載撓度變化幅度42%。

同時索力變化對靜活載主梁豎向變形沒有影響，因此如不調(diào)整拉索規(guī)格，索力的增減對成橋后剛度沒有影響。

綜上所述，相較于主梁應(yīng)力，主梁徐變變形和恒載撓度對斜拉索索力更為敏感，索力變化引起的主梁截面應(yīng)力變化量不是線性的，具有不均勻性，施工期間斜拉索索力控制要引起重視。

3.2 主梁局部分析研究

矮塔斜拉橋的塔墩梁固結(jié)區(qū)、索梁錨固區(qū)、索塔錨固區(qū)等關(guān)鍵部位，其受力復(fù)雜，桿系單元模型是無法準(zhǔn)確計算的，需采用實體有限元結(jié)構(gòu)進行分析計算[8－9]。

綜合考慮計算模型規(guī)模，依據(jù)圣維南原理，截取所要關(guān)注的塊段建立局部實體模型，將全橋桿系模型內(nèi)力等效施加在截斷處，同時在局部模型中施加相應(yīng)的約束條件。

3.2.1 局部模型建立

對塔墩梁錨固區(qū)，選擇中塔塔墩梁錨固區(qū)橫梁兩側(cè)各21 m，共42 m梁體及主塔下方的20 m段范圍建立實體有限元模型(見圖3)。

圖3 中塔塔墩梁錨固區(qū)有限元模型

將整體桿系模型中提取的截斷位置梁單元內(nèi)力轉(zhuǎn)化為節(jié)點力作為施加在局部桿系模型的邊界力，見表2、表3，施加位置見圖3。比較同一工況下整體模型與局部桿系模型的內(nèi)力，如圖4所示，可以看出兩模型的內(nèi)力趨于一致，差距在5%以內(nèi)。

圖4 整體與局部桿系模型內(nèi)力對比

表2 主力組合下邊界力

表3 縱向預(yù)應(yīng)力鋼束效應(yīng)產(chǎn)生的邊界力

內(nèi)力對比吻合后可將表2、表3中的邊界力作為外荷載加載到實體有限元模型中。

3.2.2 計算結(jié)果分析

3.2.2.1 塔墩梁固結(jié)區(qū)、塔梁固結(jié)區(qū)

如圖5所示，在主力作用下梁頂、人孔上下側(cè)、梁底會出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.9 MPa。為此，對于塔墩梁固結(jié)區(qū)或塔梁固結(jié)區(qū)，設(shè)計采取在橫梁梁頂、人孔上下側(cè)、梁底設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力措施改善受力。

圖5 主力下0號塊橫向正應(yīng)力云圖(單位:Pa)

3.2.2.2 索梁錨固區(qū)(見圖6)

圖6 主力工況下索梁錨固區(qū)主梁應(yīng)力云圖

在索力作用下，錨固橫梁下緣受拉，尤其在錨固橫梁與腹板相接位置，最大拉應(yīng)力為1.82 MPa。通過在錨固橫梁施加橫向預(yù)應(yīng)力后可有效改善其受力，拉應(yīng)力需控制在規(guī)范[10]限值之內(nèi)。

在索力作用下，邊腹板出現(xiàn)3.2 MPa豎向拉應(yīng)力，因此在索梁錨固區(qū)的梁段腹板箍筋需要加強。

拉索錨固塊和箱梁腹板相接位置會出現(xiàn)2.0 MPa順橋向局部拉應(yīng)力，因此錨固塊和箱梁腹板相接位置梁體縱向鋼筋需做加強。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 懸臂澆筑施工技術(shù)優(yōu)化研究

預(yù)應(yīng)力混凝土梁懸澆通常采用掛籃施工[11－12]方式，適用于梁體節(jié)段長度一般為3～4.5 m。但工期較長，本次對大節(jié)段施工造橋機懸澆施工方案(見圖7)進行了研究。

圖7 大節(jié)段造橋機

大節(jié)段造橋機主要由三片縱向主梁、前橫梁、中橫梁及掛腿、后錨、底平臺、懸吊系統(tǒng)、走行系統(tǒng)等14部分組成。適用最大8 m、最大800 t的懸澆梁段施工。

針對大節(jié)段造橋機懸臂施工與常規(guī)掛籃，選用如下三個方案進行對比分析。

方案一:掛籃施工，最大節(jié)段長4.5 m。

方案二:造橋機施工，最大節(jié)段長8 m。

方案三:造橋機施工，最大節(jié)段長6 m。

各方案比較結(jié)果見表4。

表4 各方案對比

從表4可以看出采用造橋機大節(jié)段懸臂施工方案，梁部預(yù)應(yīng)力鋼束含量增加，方案二較方案一預(yù)應(yīng)力鋼束增加15%，同時造橋機設(shè)備投入費較掛籃多約500萬，總費用增加635.6萬。但工期可減少4個月。方案三節(jié)段長度與斜拉索間距不對應(yīng)，節(jié)段長度變化多，索梁錨固塊多為分段施工，施工復(fù)雜。

相較于常規(guī)掛籃施工，造橋機大節(jié)段懸臂施工會增加一定的工程投資，但可以較大程度減少主梁施工期，是一種值得推廣的新工藝。

4.2 鉆孔樁平臺與圍堰一體化施工技術(shù)

橋位處太平湖平均水深約35 m，最深處超過40 m，4?！?＃墩位于深水區(qū)(共 4個墩)，施工難度大、工程風(fēng)險高。為保證施工工期，提出了利用圍堰作為鉆孔平臺，采用鉆孔樁平臺與圍堰一體化施工方案。

主墩鋼圍堰設(shè)計為雙壁鋼吊箱結(jié)構(gòu)，6＃鋼吊箱尺寸為32 m×20 m×18 m，圍堰壁厚1.4 m，見圖8。

圖8 雙壁鋼吊箱圍堰結(jié)構(gòu)(單位:cm)

鋼吊箱圍堰在岸邊拼裝，拼裝完成后將圍堰滑入水中、插打鋼護筒，下放圍堰并完成浮平臺到固定平臺的轉(zhuǎn)換，巧妙地將圍堰同時作為樁孔樁平臺和承臺施工的擋水結(jié)構(gòu)，將棧橋施工和圍堰拼裝調(diào)整為可平行施工的工序。提升了圍堰拼裝質(zhì)量，大大縮短工期的同時還節(jié)省了樁孔樁平臺的鋼材用量，減少施工投入。

5 結(jié)束語

本文對深水庫區(qū)多塔矮塔斜拉橋的索力參數(shù)敏感性、梁部局部應(yīng)力、主梁懸臂施工及基礎(chǔ)施工方案進行研究，形成了一整套設(shè)計、施工關(guān)鍵技術(shù)，對今后同類型工程具有借鑒意義，主要結(jié)論如下:

(1)多塔矮塔斜拉橋索力對主梁徐變變形和恒載撓度影響突出。索力對主梁線形控制非常重要。

(2)局部實體模型的邊界力可通過提取整體模型的內(nèi)力求得，并可利用局部桿系模型驗證其正確性。

(3)中支點位置即塔墩梁固結(jié)區(qū)或塔梁固結(jié)區(qū)，在主梁橫梁梁頂、人孔上下側(cè)、梁底出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力，需要設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力改善受力。

(4)索梁錨固區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，錨固橫梁下緣受拉，可施加橫向預(yù)應(yīng)力改善其受力。該區(qū)域邊腹板箍筋、梁體縱向鋼筋需加強。

(5)相較于常規(guī)掛籃施工，造橋機大節(jié)段懸臂施工會增加一定的工程投資，但可以較大程度減少主梁施工期。

(6)對于深水庫區(qū)高樁承臺基礎(chǔ)，采用鉆孔樁平臺與圍堰一體化施工方案可有效縮短施工工期，減少鋼材用量，節(jié)約施工成本。