刘海春

(中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136)



铁路桥梁现浇支架PBL剪力键的应用性研究

刘海春

(中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136)

现浇支架一般采用对拉钢筋以平衡施工荷载产生的拉力，但当桥梁现浇支架不具备布置精轧螺纹钢的技术条件时，PBL剪力连接件是较好的选择.通过在预埋构件腹板开孔并穿入钢筋形成PBL剪力连接件，能够平衡预埋构件由于施工荷载产生的拉力.以新建京沈客专大凌河特大桥0#块现浇支架为研究对象，研究了PBL剪力连接件在无对拉钢筋现浇支架中的适用性.有限元软件分析计算表明：设计PBL剪力连接件能够平衡预埋构件中由于施工荷载产生的拉力，且安全储备较大；现浇支架整体刚度和强度满足施工技术要求.

PBL；现浇支架；预埋构件；0#块

1　工程概况

京沈客专辽宁段TJ-3标大凌河西支特大桥起止里程为DK314+444.94～DK317+074.51，全长2629.57米.全桥共有3处连续梁：1处跨越老宽线，1处跨越承朝高速，1处跨越306国道.

本文连续梁以跨越老宽线的40+64+40米连续梁为研究对象，该连续梁位于辽宁省凌源市老宽线的南端进出口.该连续梁梁体为单箱单室、变高度、变截面箱梁，底板、腹板、顶板局部向内侧加厚，均按直线线性变化.梁全长145.5米，计算跨度为40+64+40米，中支点处界面中心处梁高6.035米，桥面宽12.6米.该连续梁采用挂篮悬臂施工，分为9个施工块段及边跨直线段.主墩高度分别为31米和32.5米，边墩高度分别为34米和35.5米.梁体按三向(纵向、横向、竖向)预应力设计，设计使用年限等级为一级(使用年限100年).

2　0#段现浇支架施工工艺

0#段拟采取现浇支架法施工方案[1-6]，竖向1次浇筑完成，在墩顶预埋牛腿搭设型钢支架，外侧模直接采用定型钢模板借助墩顶预埋牛腿支架进行施工，内箱顶板采用满堂支架浇筑.正面(顺桥向)采用7片36b双拼工字钢和28b双拼工字钢、25b双拼工字钢焊接成的三角形钢牛腿作为承重结构.牛腿间距根据上部荷载分布情况布置.牛腿顶部搭设2片36b双拼工字钢承重梁，梁顶搭设三角桁架，上铺钢模板形成正面底模系统.侧面(横桥向)采用3片36b双拼工字钢和28b双拼工字钢、25b双拼工字钢焊接成的三角形钢牛腿作为承重结构.牛腿顶部搭设2片22b双拼工字钢做作为承重梁.水平布置I36b、I28b工字钢要平衡，预埋深度要保证1米，具体布置形式如图1和图2所示.

图1　 现浇支架横桥向立面图(单位：m)

图2　现浇支架纵桥向立面图(单位：m)

3　施工荷载计算

3.1荷载分项

利用CAD中面域的命令，对选取的截面划分不同的面域[5-7]，计算腹板、翼缘板、底板+顶板的横向面积，如图3所示.

图3　箱梁组成部分面积

(1)正面现浇支架

单侧单个顶板和底板(底板长度4.39m)：

P顶、底=26×3×5.4312÷2÷4.39=48.25kN/m

单侧单个腹板：

P腹=26×3×3.922÷2÷0.74=206.7kN/m

单侧单个翼缘板(未悬出墩身部分)：

P翼=26×3×0.2996÷2÷0.5=23.37kN/m

单侧单个翼缘板(悬出墩身部分)：

P翼=26×3×1.01÷2÷2.5=42.02kN/m

(2)施工荷载：

P施=2.5×3÷2=3.75 kN/m

(3)振捣荷载(水平面模板)：

P振=2×3÷2=3 kN/m

(4)模板荷载(钢模重量)：

P钢模=1.2×3÷2=1.8kN/m

3.2施工荷载组合

设计计算采用承载力极限状态法[8,9]，荷载组合如表1所示.

表1　施工荷载组合

计算箱梁底模荷载组合为：

(1)单侧单个底板：

∑P=∑Piγi=(48.25+1.8)×1.2+(3.75+3)×1.4= 69.51kN/m

(2)单侧单个腹板：

∑P=∑Piγi=(206.7+1.8)×1.2+(3.75+3)×1.4=259.65kN/m

(3)单侧单个翼缘板(未悬出墩身部分)：

∑P=∑Piγi=(23.37+1.8)×1.2+(3.75+3)×1.4=39.65kN/m

(4)单侧单个翼缘板(悬出墩身部分)：

∑P=∑Piγi=(42.02+1.8)×1.2+(3.75+3)×1.4=62.03 kN/m

4　0#段现浇支架结构受力分析

4.1有限元模型

结合现浇支架图纸和有限元软件Midas/Civil,对0#段现浇支架的整体结构进行受力分析，所建有限元模型共1338个结点，1342个单元，荷载采用线荷载的形式添加到I36b和I22b构件上.整体模型如图4所示.

图4　有限元整体模型

4.2有限元计算结果

材料容许应力Q235钢，弯曲应力[σw]=145MPa，剪应力[τ]=85MPa，轴向应力[σ]=140MPa.

(1)现浇支架弯曲应力验算

在考虑结构自重和组合荷载作用下，现浇支架整体结构的弯曲应力如图5所示.

图5　现浇支架整体结构弯曲应力(MPa)

从图5可以看出，现浇支架最大弯曲应力为85.2MPa<[σw]=145MPa，满足规范要求.

(2)现浇支架剪应力验算

在考虑结构自重和组合荷载作用下，现浇支架整体结构的剪应力如图6所示.

图6　现浇支架整体结构剪应力(MPa)

从图6可以看出，现浇支架最大剪应力为44.4MPa<[σw]=85MPa，满足规范要求.

(3)现浇支架轴向应力验算

在考虑结构自重和组合荷载作用下，现浇支架整体结构的轴向应力如图7所示.

图7　现浇支架整体结构轴向应力(MPa)

从图7可以看出，现浇支架最大轴向应力为36.2MPa<[σw]=85MPa，满足规范要求.

(4)现浇支架变形验算

在考虑结构自重和组合荷载作用下，现浇支架整体结构的变形如图8所示.

图8　现浇支架整体结构变形(mm)

从图8可以看出，现浇支架最大变形为5.82mm

5　上支点PBL锚固抗拉验算

在考虑结构自重和组合荷载作用下，托架整体结构上锚固支点最大拉力如图9所示.

图9　上锚固点抗拉水平力(kN)

由图9可知：锚固双拼工36b工字钢最大水平力为192.6kN拉力.在未采用对拉钢筋的情况下施工，存在较大的安全隐患，因此在双拼工36b腹板中心处采用氧炔焰开80mm孔，并横穿直径为20mm的HRB335钢筋形成PBL剪力键[10,11]，以满足施工抗拉要求；其中贯穿钢筋相对于36b腹板对称布置，长度大于1.2m[12,13].PBL布置形式如图10所示.

图10　腹板开孔工36b布置图(mm)

由于铁路行业尚无相关施工规范，因此参考《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》(JTG/T D64-01-2015)9.3.4节，开孔钢板剪力连接件抗剪承载力设计值可按下式计算：

式中：

Vpud为承载力极限状态下开孔钢板连接件抗剪承载力设计值(N)；

d为开孔钢板开孔直径(mm)；

ds为孔内贯穿钢筋直径(mm)；

fcd为混凝土轴心抗压强度设计值(MPa)；

fsd为孔内贯穿钢筋抗拉强度设计值(MPa)；

单个开孔连接键抗剪承载力设计值：Vpud=1.4×(802-202)×18.4+1.2×280×202=289.0kN；剪力连接件抗剪承载力设计值为：2×289.0kN=578.0 kN >192.6kN，满足抗拔要求，且安全储备较大.

6　PBL的适用性分析

(1)结构性能可靠

PBL剪力连接件能够将0#现浇支架上锚固点处的拉力转化为PBL连接件内的剪力进行承载.由于PBL剪力连接件承载效率高，刚度大，且贯穿钢筋后具有明显的延性，各项力学性能优异，有较好的适用性.

(2)施工工艺简单

PBL剪力连接件主要是由孔内混凝土和贯穿钢筋抗剪来承担作用于预埋件的拉力，因此为保证孔内混凝土受力均匀，在烧焊开孔时应尽量保持孔内缘的平整度和圆度.在施工时只需要利用氧炔焰在预埋件腹板处烧焊出设计直径的开孔并埋入贯穿钢筋即可，与安装对拉精轧螺纹钢筋相比，施工简便，质量易于控制.

(3)经济效益明显

PBL剪力连接件省去了对拉精轧螺纹钢筋的材料费，因此PBL剪力连接件在无对拉钢筋的现浇支架中有较好的经济性和推广前景.

7　结语

(1)PBL设计能使支架上锚固端满足施工抗拔要求，因此，PBL剪力连接件在无对拉钢筋的现浇支架中有较好的适用性；

(2)对于该特大桥0#块现浇支架整体采用有限元软件法计算分析，其强度和刚度满施工要求，有效地指导了施工.

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(责任编校：晴川)

Study on the Application of PBL Shear Key of Railway Cast-in-place Bridge Bracket

LIU Haichun

(China Railway 19thBureau Group 3rdCo. Ltd., Shenyang Liaoning 110136, China)

Cast-in-place bracket generally uses the pulling reinforcement steel bars to balance the pull force caused by construction load, but when the bridge cast-in-place bracket does not have the technical condition of decorating steel bars, PBL shear connector is a better choice. PBL shear connectors are prepared by opening holes in webs of embedded components and putting the steel into the hole to balance the pull force caused by construction load. Taking the cast-in-place bracket of Daling River Bridges 0 # brock for Beijing Shenyang passenger line as the research object, the paper studies the applicability of the PBL shear connectors in a cast-in-place bracket. The finite element analysis and calculation show that the designed PBL shear connectors can balance the pull force of embedded components caused by the construction load, and have a high safety reserve. The stiffness and strength of cast-in-place brackets meet the requirements of the construction.

PBL; cast-in-place bracket; embedded components; 0 # block

2016-07-01

刘海春(1976— )，男，辽宁朝阳人，中铁十九局集团第三工程有限公司工程师.研究方向：桥梁与隧道工程.

TU37

A

1008-4681(2016)05-0022-04