井吉铁路跨线桥优化施工方案结构受力分析*
? 井吉铁路跨线桥优化施工方案结构受力分析* 井吉铁路跨线桥优化施工方案结构受力分析*
李 勇1 朱崇利1,2 张 承1 刘念琴1
(1.深圳市桥博设计研究院有限公司, 广东深圳 518052； 2.哈尔滨工业大学深圳研究生院， 广东深圳 518055)
摘 要：井冈山经济技术开发区深圳大桥是一座跨3条铁道的城市立交桥，为适应地形需要，将三跨8片预制T形梁优化为两跨4片波形钢腹板PC组合梁；为满足作业时间要求采用顶推施工方案。结构受力分析结果表明:该方案解决了因溶洞桩基承载力不足危及铁路及桥梁安全的问题；缩短了施工周期,解决了施工时受铁路营运时间的客观限制；波形钢腹板PC组合梁改善了预应力混凝土板易出现裂缝的问题，且结构受力合理。
关键词：顶推；波形钢腹板；组合梁；施工方案；应力分析
1 工程概况
井冈山经济技术开发区深圳大桥井吉铁路跨线桥，地处井冈山经济技术开发区深圳产业园深圳大道上,大桥西起于扩展大道,东边终止于青原山路。由于原设计桥梁跨径的墩柱紧邻井吉铁路、且原墩位处地表以下17 m左右开始发育溶洞，直至地表以下76 m处仍未有完整基岩，贯通型大溶洞危及桥梁基础及铁路安全，同时不满足新墩位距铁路路基最小距离要超过20 m的要求。因此将原来三跨(50+40+40=130m) 8片预制T梁优化设计为两跨(65+65=130 m) 4片波形钢腹板PC组合梁及浅部粗式空心桩方案,主桥与井吉铁路斜交约124°,桥宽17 m,道路横坡坡度为1.5%。为满足铁路部门提供的有效作业时间段，采用顶推施工工艺[1-5]。
大桥主要材料力学性能为: C50混凝土,弹性模量取34 500 MPa，泊松比取0.2，线膨胀系数取10-5 ℃-1；Q345D钢，弹性模量取2.06×105 MPa，泊松比取0.3，线膨胀系数取1.2×10-5 ℃-1；Φ21.8钢绞线：弹性模量取1.95×105 MPa，标准强度取1 830 MPa，泊松比取0.3，线膨胀系数取1.2×10-5 ℃-1。混凝土强度等级采用C50;普通钢筋采用HPB300和HRB400，箱梁预应力钢绞线采用抗拉强度标准值fpk=1 830 MPa的大直径低松弛高强度钢绞线，公称直径21.8 mm，单根公称面积313 mm2;箱梁结构普通钢板及波形钢腹板均采用低合金高强度结构钢Q345D。桥梁立面见图1，主梁断面见图2。
2 施工方案优化
原设计图上部结构采用现浇然后再顶推、顶推与现浇交替进行的施工方案。但是通过与地方铁路开发公司及铁路局相关管理部门沟通后获知：从铁路运营管控的安全需要出发，允许单次连续作业时间短，顶推施工只能严格按照铁路局的要求分时段进行。而原设计图上部结构组合箱梁的施工方案作业周期长，难以满足本项目的工期要求，故必须调整施工方案：将跨线桥梁上部结构改为波形钢腹板PC组合小箱梁，将原上部结构先现浇后再顶推的施工方案调整为分块预制组拼、分组顶推的施工方案[6-12]。
注：图中
、
、
为桥墩，
为桥台；由右向左依次：第一段为导梁现浇段，第二、三段为预制拼装段。
图1 桥梁立面 m
图2 主梁断面
3 结构分析基本参数及假定
结构自重：混凝土容重取26 kN/m3，钢结构容重取78.5 kN/m3；二期恒载：桥面铺装层容重取23 kN/m3；预应力：按照成桥状态布置钢束，张拉控制力按照设计张拉力取；混凝土收缩及徐变作用：按照JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的规定计算；基础变位作用：按照桥台及桥墩位置沉降5 mm考虑；汽车荷载：采用公路Ⅰ级，荷载标准值、设计车道数、折减系数及冲击系数均按照JTG D 60—2004的规定计算；系统温度：整体升温按+25 ℃计算，整体降温按-25 ℃计算；不考虑地震作用等偶然荷载作用。
上部结构的计算分析采用MIDAS/Civil软件进行，采用杆件模型模拟，共计138个单元，126个结点。按照顶推施工工序，总共模拟了11个施工阶段(表1),荷载组合及系数见表2，顶推施工步骤见图3。
表1 施工工况
工况施工情况工况施工情况CS1CS2CS3CS4CS5组拼预制梁段和钢导梁段顶推496m，导梁处于最大悬臂状态导梁前端支撑在临时墩上顶推至1076m，导梁前段到达临时墩顶推至128mCS6CS7CS8CS9CS10CS11临时墩支撑转换钢导梁段浇筑混凝土顶推至130m临时墩支撑转换为永久支座二期恒载施工桥梁使用阶段
4 结构分析结果及验算
4.1 承载力验算
4.1.1 主要阶段结构内力计算结果
由表3可知：根据JTG D62—2004规定，主要阶段结构内力计算结果满足要求[13-14]。
表2 荷载组合系数
状态组合类型永久荷载作用可变荷载作用恒荷载收缩徐变支座沉降汽车荷载系统温度梯度温度承载能力极限状态基本组合 [***********]12正常使用极限状态短期作用效应组合1．0111．01．000801．01．00080长期作用效应组合1．011041．00080041．00080
图3 顶推施工步骤
表3 结构内力汇总
施工阶段最大剪力/kN最大负弯矩/(kN\5m)最大正弯矩/(kN\5m)最大悬臂阶段CS22932-40317—前端支撑阶段(CS3)1083-68265963连续顶推阶段1(CS4)2651-1385113213连续顶推阶段2(CS5)1944-1239314531支座转换阶段(CS6)2953-2307721942导梁浇筑阶段(CS7)2961-2354221747顶推结束阶段(CS9)4207-3669947574成桥阶段结构内力5830-5277262074
4.1.2 波形钢腹板
根据JTG D62—2004规定，取τα=166.67 MPa，τy=199.19 MPa，腹板厚tw=16 mm，高度h=3.4 m。则极限状态剪应力验算得τ=53.6 MPaτα， 局部屈曲验算可得
，皆满足要求[15-16]。
4.1.3 支座反力结果
根据表4反力结果可知支座反力值都满足JTG D62—2004的基本要求。
表4 最大支座反力(单支座) kN
方向L0桥台L1桥墩L2桥墩L3桥墩竖向 [***********]顺桥向——173—横桥向452524
4.2 挠度验算
根据JTG D62—2004验算,
，满足要求。
计算结果表明，最大竖向位移发生在跨中，挠度为-35.1 mm，满足要求，主梁刚度较大，结构变形较小，结构安全合理[17]。
4.3 应力验算
正常使用阶段正截面混凝土最大压应力，根据JTG D62—2004规定验算。计算结果表明：最大压应力发生中支点边第2个节间位置，应力值为-125 MPa；跨中顶板上缘混凝土结构压应力为-10.7 MPa，支点顶板上缘压应力值为-1.2 MPa；跨中底板下缘混凝土结构压应力为-3.5 MPa，支点底板下缘压应力为-8.3 MPa。均满足设计要求。
5 动力性能分析
桥梁结构的动力特性是其动力性能分析的重要参数, 本桥采用其固有频率和与之相应的振动周期(表5)表示其结构动力特性。通过对该桥自振模态(图4)的分析，发现其振动基频正常合理，结构动力特性良好[18]。
表5 特征值结果统计
模态号频率/Hz周期/s[***********][***********]0136
a—模态1;b—模态2;c—模态3;d—模态4。
图4 模态分析
6 整体稳定性分析
大跨度桥梁稳定问题往往成为设计的控制因素。但第二类稳定计算复杂，第一类稳定计算被广泛用于工程领域[11]。本桥在荷载作用下的稳定分析计算见表6。
表6 屈曲分析结果统计
模态号12345稳定系数[**************]6
从表中可以看出，该桥一阶屈曲稳定系数为364，其一阶、二阶失稳模态如图5所示，其结构稳定性良好，安全可靠[19]。
a—模态1;b—模态2;c—模态3;d—模态4。
图5 屈曲模态分析
7 结 论
1)将三跨8片预制T梁优化为波形钢腹板PC组合梁，由于其具有自重降低、抗震性能好、受力合理、方便施工等优势，改善了传统的预应力混凝土板易出现裂缝的问题。
2) 分块预制组拼、分组顶推的灵活施工方案，满足铁路部门营运管控的安全需要，适应单次作业时间短的需求。
3)波形钢腹板与顶底板之间采用贯通钢筋埋入式+带翼缘板焊钉的连接方式，波形钢腹板与混凝土横隔梁之间采用PBL键+焊钉的连接方式(支点位置采用Twin-PBL键，跨中位置采用S-PBL键)，波形钢腹板之间采用单排高强螺栓单面摩擦连接+角焊接头；焊钉连接增大波形钢腹板的抗屈曲能力，使剪应力传递流畅，缓和局部应力；具有足够的抗疲劳性能，可缓解由于剪力转移而产生的应力集中现象。经受力分析，波形钢结构体系承载力、应力、变形等均能满足JTG D62—2004要求。
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FORCE ANALYSIS OF DESIGN OPTIMIZED AND CONSTRUCTION FOR JINGJI RAILWAY OVER CROSSING BRIDGE
Li Yong1 Zhu Chongli1,2 Zhang Cheng1 Liu Nianqin1
(1.Shenzhen Bridge Design and Research Institute Co.Ltd, Shenzhen 518052, China; 2.Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School， Shenzhen 518055, China)
Abstract：Shenzhen Bridge of Jinggangshan economic and technological development area is an urban overpass bridge across three railway lines, in order to meet the terrain needs,the original three-span 8 pieces of precast T-beam was optimal designed as two-span 4 pieces of PC composite beam with corrugated steel web jacking construction scheme. The results of the analysis showed that the problem that the serious shortage of bearing capacity of pile foundation is the main reason for endangering the safety of railway and bridge was solved. The problem that the construction scheme was restricted by operating time of railway traffic was solved and shortens construction period.PC composite beams with corrugated steel web improved the problem that the traditional prestressed concrete plate was easy to crack with reasonable stress.
KEY WORDS：jacking; corrugated steel web; composite beam; construction scheme; stress analysis
*国家自然科学基金项目 (50878087)。
第一作者：李勇，男，1965年出生，工学博士，教授级高级工程师。
Email:[email protected]
收稿日期：2016-04-23
DOI：10.13206/j.gjg201611021