长沙磁浮线浏阳河大桥施工阶段受力特性分析

2016-04-20项文彦张波杨珊

公路与汽运 2016年2期

关键词：刚度桥梁

项文彦,张波,杨珊

(1.中铁十六局集团路桥工程有限公司,北京 101500;2.长沙理工大学土木与建筑学院,湖南长沙 410004)

长沙磁浮线浏阳河大桥施工阶段受力特性分析

项文彦1,张波2,杨珊2

(1.中铁十六局集团路桥工程有限公司,北京 101500;2.长沙理工大学土木与建筑学院,湖南长沙 410004)

摘要:长沙南站至黄花机场线是国内首条自主研发的中低速磁浮线,浏阳河大桥是其上主跨(110 m)最大的桥梁工程,研究其施工阶段的受力特性具有重要的工程意义。文中对浏阳河大桥施工过程进行仿真分析,得到了各阶段主梁内力和变形结果;重点对大桥挂篮预压和合龙过程进行分析计算,并与现场实测数据进行对比,为大桥施工安全提供技术依据;因磁浮路线对轨道平整度要求极高,还特别对浏阳河大桥活载作用下主梁的挠度进行了计算分析,结果表明活载引起的挠度较小,满足设计要求。

关键词:桥梁;中低速磁浮;三跨连续梁;受力特性;刚度

1 工程概况

浏阳河大桥为长沙中低速磁浮交通工程长沙南站—黄花机场预应力砼双线连续梁桥,主桥桥跨布置为(85+110+85)m。连续箱梁采用单箱单室截面,C50砼,三向预应力,箱宽5.7 m,翼板悬臂1.2 m,全宽8.1 m。箱梁根部高8.0 m,端部及跨中高5.0 m。主桥立面布置见图1。采用悬臂浇筑施工方法。相较于等跨径的公路三跨变截面连续梁,该桥的竖向刚度大很多。

2 有限元模型

2.1 模型的建立

利用MIDAS/Civil 2012建立全桥有限元模型,其中主梁采用梁单元模拟,支座采用弹性连接模拟。按施工的先后顺序把大桥划分为19个施工阶段。结构有限元计算模型见图2。

图1 浏阳河大桥主桥立面布置(单位:m)

2.2 材料特性

模型中采用C50砼,弹性模量E=3.5×104MPa,泊松比=0.1667;预应力钢绞线公称直径为15.2 mm,标准强度为1 860 MPa,弹性模量E= 1.95×105MPa。

2.3 荷载和约束

计算荷载包括结构自重、二期恒载、预应力、砼收缩徐变、基础不均匀沉降、活载及附加力(列车制动力、温度力)。其中活载计算图式见图3。

图2 浏阳河大桥有限元计算模型

图3 活载计算图式(单位:cm)

主桥典型施工步骤为0#块墩梁固结→浇筑至最大悬臂阶段→边跨合龙→体系转换(墩梁由固结转为铰接)→中跨合龙→二期恒载及安装附属设施→通车运营。

桥墩墩底采用固结约束,支座采用弹性连接约束,墩梁固结处采用刚性连接模拟。

3 计算结果与分析

3.1 主桥的内力

考虑5种典型工况(工况一为最大悬臂状态;工况二为边跨合龙;工况三为体系转换;工况四为中跨合龙;工况五为二期恒载),对其内力(弯矩、剪力)及支座反力进行比较分析。各工况下的弯矩、剪力和支座反力见图4～6。

图4 典型工况下的弯矩(单位:k N·m)

图5 典型工况下的剪力(单位:k N)

图6 典型工况下的支座反力(单位:k N)

根据图4可以得出:在二期恒载时,其墩顶负弯矩为-549 978.94 k N·m,需在顶板配置较多的预应力束。与中跨合龙工况相比,二期恒载工况下墩顶负弯矩值增加较多。由于弯矩值的增加只是由二期恒载引起,可通过适当优化承轨梁的结构形式来减少二期恒载的重量,进而降低墩顶负弯矩增量值。

根据图5,在二期恒载工况下最大剪力达到-25 145.95 k N,与中跨合龙工况相比,剪力增幅达16%,增幅较大。剪力的大幅增加引起墩顶负弯矩值大幅增加。

该桥在施工过程中2#和3#墩上的0#块都利用临时钢管桩进行支撑,在未拆除之前其与桥墩共同承受主梁施加的压力。因此,2#和3#墩反力在最大悬臂工况与边跨合龙工况时都较小,最大值为12 688.2 k N。拆除临时钢管桩后,竖向荷载全依靠钢筋砼墩来承担,故其反力增长非常大,最大值达55 756.69 k N。为此,在拆除临时钢管桩时需采取措施防止墩顶附近的底板砼被压裂。临时支墩的使用可有效减轻永久墩上临时支撑的支反力,为后期拆除临时支座带来方便。

3.2 考虑活载作用下受力分析

磁浮路线对轨道平整度要求极高,且磁浮列车行进时需与轨道保持一定的间隙。因此,在磁浮列车运行过程中需对主梁的竖向挠度进行严格控制。图7为主梁在磁浮列车通过时其各个截面的最大竖向挠度值。

图7 活载作用下挠度(单位:mm)

从图7可看出:各跨的最大挠度均产生于跨中,最大挠度为14.3 mm。这是由于该桥主梁设计采用较大的梁体高度和腹板厚度,相应的其抗弯惯性矩及抗弯刚度也较大。

按照《长沙磁浮工程施工图设计》要求:在列车静活载作用下梁体的竖向挠度不应大于L/4 600,与公路桥梁L/600要求相比,其刚度是相应公路桥的7.6倍。根据浏阳河大桥计算结果,该桥梁体竖向挠度为14.3 mm＜23.9 mm,满足设计要求。

3.3 挂篮计算

浏阳河大桥施工采用菱形桁架挂篮,主要由挂篮、模板、走行系统三部分组成。其中:挂篮系统主要由主桁、前后横梁、锚固装置、滑梁、吊杆组成;模板系统主要由底篮(底模)、外模、内模、端模组成;走行系统主要由滑轨和牵引系统组成。

挂篮的主要技术参数:砼自重Gc=25 k N/m3; Q235的弹性模量Es=2.06×105MPa;浇筑节段最大重量161.35 t;浇筑节段最大长度3 m;主梁断面(长×宽)为3.5 m×8.1 m;挂篮行走方式为滑动;锚固方式为全锚式。

根据《公路桥涵设计通用规范》和《公路桥涵施工技术规范》,结合挂篮实际,取以下荷载:砼重量;挂篮自重;施工机具和人群重量。挂篮正常使用时采用的安全系数为1.2。

挂篮预压荷载计算:箱梁荷载161.35 t,挂篮自重(包括模板)120 t,则翼板砼重量为:

P1=0.5×(0.15+0.4)×1.2×2×3.5×25= 57.75 k N

顶板砼重量为:

P2=(4.1×0.4+0.3×0.8×0.5×2)×3.5× 25=164.5 k N

腹板砼重量为:

P3=0.5×(7.002+7.346)×2×0.8×3.5× 25=1 004.36 k N

底板砼重量为:

P4=(5.7×0.78+0.3×0.3×0.5×2)× 3.5×25=386.925 k N

荷载施加:由于箱梁腹板作用的位置不同,其正下方的主纵梁所承受的均布荷载集度也不同。设腹板正下方的主纵梁所承受的均布荷载集度为q1,其余主纵梁所承受的均布荷载集度为q2,则q1=57.8 k N/m,q2=23.5 k N/m。

建立图8所示挂篮模型。

图8 挂篮有限元计算模型

挂篮预压:在预压试验中,通过堆积重物实现均布荷载。重物可为砂袋或预制砼块,称重后直接布置在模板上。该方法中均布荷载可模拟实际截面上砼重量的分布来对挂篮进行加载,基本与施工现场情况相一致,可以体现挂篮的整体受力情况,消除悬浇前挂篮的非弹性变形,施工方法简单。该桥挂篮预压试验采用称重后的砂袋直接布置在模板上的方法实现均布荷载。挂篮预压计算值与实测值的比较见表1。