图1 横移就位后的钢－混凝土桁梁
苏国明
(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京102600)
摘 要：赣韶铁路疏解线跨京广铁路处受线路高程及桥下铁路净空限制，需采用建筑高度低的桥式结构，同时为减少后期维修保养对桥下铁路运营的干扰，桥面系不允许采用钢结构。综合考虑以上限制因素，设计采用一孔88 m钢－混凝土组合简支桁梁跨越既有铁路，桥面系采用混凝土槽形梁，此梁型具有造型美观、自重轻、跨越能力强、建筑高度低的优点，在立交条件困难时不失为一种较好的选择。文章重点介绍了桁式、桁宽、桁高、节间距及预应力槽形梁截面形式，通过有限元软件对杆件、系梁、行车道板及钢－混节点进行了系统分析，验证了设计的合理性;同时对钢－混凝土组合简支桁梁的施工进行了介绍，施工采用在既有铁路一侧浇筑混凝土槽形梁并拼装钢桁腹杆和上弦杆，然后整体侧位横移至设计位置并高位落梁，通过合理设置支墩及保护墩，保证了高位落梁的安全。
关键词：钢－混凝土组合桁梁;槽形梁;仿真分析;高位落梁
跨度达到88 m的铁路单线简支桥，可供选择的方案有钢桁梁、钢管拱、组合桁梁等。钢桁梁常用的混凝土桥面体系及钢桥面体系均存在桥面体系钢结构部分后期维护保养问题，且行车道结构高度一般为1 m以上。简支下承式钢管拱的预应力系梁高度一般要2 m以上，且施工时间长，施工工序多，后期存在吊杆更换问题。组合桁梁国内已建桥梁有仅腹杆为钢构件，上弦压杆采用钢筋混凝土构件，下弦拉杆采用预应力混凝土构件，其用钢量较省，行车道结构高度0.5 m左右。但其上弦钢混节点受力较为复杂，腹杆受力较大，优点是后期维护保养工作量少，施工一般采用原位现浇。
赣韶铁路疏解线跨京广铁路处，受线路与既有线斜交角度小、梁高受限、地下溶洞等因素影响，同时考虑既有线上方尽量减少维护工作量，采用一孔88 m组合简支钢－混凝土桁梁。考虑到既有线上方搭支架现浇及拼装对铁路运营干扰过大，施工方案采用在线路一侧浇筑预应力混凝土槽形梁并拼装完毕钢桁架，整体横移就位。横移就位后的钢－混凝土桁梁如图1所示。
图1 横移就位后的钢－混凝土桁梁
(1)铁路等级:国铁I级，客车最高行驶速度160 km/h;
(2)正线数目:单线;
(3)线路情况:位于－5.6‰的直线坡道上，部分位于缓和曲线上;
(4)设计荷载:中－活载;
(5)地震烈度:桥址区地震动峰值加速度0.05 g，相当于地震基本烈度Ⅵ度。
桥梁全长 90 m(含两侧梁端至支座中心各1.0 m)。主梁为钢－混组合桁架结构，桥面系部分采用预应力混凝土槽形梁结构，桥面以上采用钢桁架结构，桁高10 m，节间距11 m，两片主桁中心距6.7 m。梁部分位于缓和曲线上，曲梁直做，如图2所示。
槽形梁梁高160 cm，支点部分加厚至210 cm;槽形梁底板宽790 cm，内侧净宽550 cm，腹板厚120 cm;人行道悬臂部分长100 cm，悬臂端部板厚20 cm，梗肋处厚35 cm;道床板跨中厚49.7 cm，与腹板倒角处厚45 cm，形成2%的横坡。
图2 桁架梁总体布置图(cm)
图3 槽形梁截面(cm)
上弦杆采用钢箱形截面，箱高770 mm(内到内)，箱宽550 mm(内到内)，板厚28～44 mm不等，腹板中心设置一道横向加劲肋，肋宽200 mm，板厚16 mm、24 mm。
腹杆采用箱形及工字形截面，箱形截面高650 mm(外到外)，宽550 mm(内到内)，板厚24 mm、32 mm;工字形截面高550 mm，翼缘板宽450 mm，翼缘板厚24 mm，腹板厚20 mm。
上平联采用工字形截面，高380 mm，翼缘板宽400 mm，翼缘板厚16 mm，腹板厚12 mm。
纵向预应力钢束布置于槽形梁腹板及底板内，采用通长及交叉配束方式。在梁端加厚段布置横向预应力钢束，主要满足横移过程中横向不均匀沉降及端部传递剪力的需要。
由于采用组合结构，槽形梁行车道板施加预应力会引起钢桁腹杆及上弦杆内力变化，如张拉完毕再拼装钢桁部分，则钢桁杆件受力较小，但会导致由于混凝土梁体弹性压缩变位而引起钢桁拼装精度难以满足要求;如先拼装钢桁再浇筑混凝土并张拉，虽能保证钢桁顺利拼装，但会增大钢桁杆件受力。考虑到施工便利且杆件内力增加不大，设计最终采用先拼装钢桁杆件再浇筑混凝土的方案。本梁的钢桁材质采用Q370qE，槽形梁为C50混凝土。
采用空间有限元程序Midas建立空间模型对本桥进行受力分析，采用梁单元，并对施工过程进行模拟。在主力作用下，槽形梁上缘最大压应力为12.7 MPa，最小压应力为0.9 MPa;下缘最大压应力为9.2 MPa，最小压应力为2.8 MPa;最大主拉应力为0.26 MPa，最大主压应力为8.1 MPa。上弦杆均为压杆，主力工况最大压应力为184 MPa;腹杆主力工况最大拉应力为190 MPa，最大压应力为185 MPa，平联杆件主力工况最大拉应力为115 MPa，最大压应力为163 MPa，均满足要求。同时对腹杆中的拉杆进行疲劳检算，疲劳应力幅均满足要求。
跨中行车道板横向按钢筋混凝土构件检算，取单延米按腹板处简支检算跨中配筋;支点处截面按预应力构件检算，横移时考虑两侧1 cm不均匀沉降，同时对运营状态进行检算。
下弦节点板埋入槽形梁腹板内，腹杆内力通过钢与混凝土之间的PBL剪力键和剪力钉传递至主梁，受力情况复杂，采用大型结构分析软件ANSYS，对节点部分钢与混凝土的结合情况进行实体分析，选取腹杆轴力最大的E1节点进行计算分析，下弦槽形梁纵向梁段取10 m范围，实体模型如图4所示。
图4 E1节点处实体分析模型
根据计算结果，节点板竖向在拉杆侧局部发生最大拉应力为112 MPa，在压杆侧局部发生最大压应力为－80 MPa;纵向在拉杆侧局部发生最大129 MPa的拉应力，在压杆侧局部发生最大－103 MPa的压应力。节点板最大主拉应力为138 MPa，最大主压应力为－111 MPa。槽形梁边主梁上缘最大压应力－12 MPa，最小压应力 －3 MPa，下缘最大压应力－8 MPa，最小压应力－2 MPa。
自振特性分析如下:
一阶竖向自振频率为1.932 Hz，如图5所示;二阶横向自振频率为2.096 Hz，如图6所示。
图5 一阶线自振特性模态
图6 二阶线自振特性模态
根据工程特点和地形条件，本工程采用侧位现浇、拖拉横移就位的方法施工。组合梁施工方法为在桥梁右侧对孔搭设拼装支架，支架顺桥中心线距设计桥梁中心线为33.3 m。在梁体梁端搭设钢立柱支架，中间部分搭碗扣式支架，组成梁体现浇平台。先拼装上部钢桁架，再浇筑梁体混凝土，张拉预应力钢筋，拆除碗扣式支架，然后进行横移施工。
临时墩立柱采用外径1 200 mm，壁厚16 mm钢管柱，联结系采用外径500 mm、壁厚12 mm的钢管。滑道梁分为滑道梁Ⅰ、滑道梁Ⅱ。
滑道梁Ⅰ为4跨等高连续梁结构，跨度组成为(6.7+11.0+14.2+9.5)m。截面由2片2 000 mm× 800 mm工字型钢拼接成箱梁，梁长41.4 m，分为A(25.8 t)、B(28.0 t)、C(27.3 t)、D(22.6 t)4个节段。滑道梁上下翼板厚30 mm，腹板厚24 mm，节段间采用高强螺栓连接。
滑道梁Ⅱ为4跨连续梁结构，跨度组成为(6.7+9.5+16.7+9.5)m。中间节段为鱼腹式梁，最大截面由2片2 400 mm×800 mm工字型钢拼接成箱梁，梁长42.4 m，分为 E(21.07 t)、F(29.1 t)、G(29.0 t)、H(31.0 t)4个节段。滑道梁上下翼板厚30 mm，腹板厚24 mm，节段间采用高强螺栓连接。
滑道梁及支架如图7所示。
图7 滑道梁及支架示意图
5．1 组合梁横移系统
组合梁横移系统由上滑道、下滑道、反力限位座、牵引装置及操作平台组成。
(1)下滑道:在滑道梁Ⅰ、滑道梁Ⅱ上铺设20 mm厚钢垫板作为下滑道。钢板与滑道梁上翼缘板焊接，钢板拼接焊缝用砂轮磨平，钢板表面及边缘毛刺均打平磨光。
(2)上滑道:由梁底永久支座组成，支座下摆下设滑块，垂直于滑道梁安放于4个支座下，其底部嵌入3cm厚高强度NGE滑板。NGE滑板是一种新型高分子工程塑料合金材料，抗磨损性好、摩擦系数低和承载能力高。
(3)反力限位座:每个滑道梁上设2个反力限位座，由20 mm厚钢板焊接而成。
(4)牵引装置:采用2台200 t牵引(连续)千斤顶，安装于滑道梁Ⅰ及滑道梁Ⅱ横移方向的端部，在内侧滑梁穿入2束915.24钢绞线(长度约40.0 m)并锚固，钢绞线另一端分别与千斤顶连接。
5．2 横移施工步骤
(1)组合梁碗扣支架拆除。
(2)在滑道梁上设置标尺，在就位处设置明显的标识及限位，便于横移控制。
(3)将横移钢绞线穿过梁底后锚装置，并设初张力以检验钢绞线与锚具之间是否夹紧。钢绞线安装完毕后利用千斤顶将钢绞线在后锚点处单根预紧，预紧力F=1 860×140×0.7×0.1=1.82 t，预紧后使钢绞线在横移时受力均匀。
(4)进行试横移。打开主控台及泵站电源，启动泵站，用主控台控制千斤顶同时施力试顶。试顶距离0.5 m。试顶时，记录试顶时间和速度，根据实测结果与计算结果比对进行调整速度，即应做好以下3项重要数据的测试工作:第一，前进速度，应将横移速度控制在设计要求内;第二，控制采取点动方式操作，测量组应测量每点动一次梁两端前进距离的数据，以供横移初步到位后进行精确定位提供操作依据。试顶过程中，应检查桥体结构是否平衡稳定，有无故障，关键受力部位是否产生裂纹。如有异常情况，则应停止试顶，查明原因并采取相应措施，整改后方可继续试顶;第三，记录梁体两端启动时顶力的大小，从而计算滑道的摩擦系数。
(5)进行正式横移。先选择手动模式，主控台操作人员按下“前顶进”按钮，油泵操作人员调整溢流阀的工作限压，在30%、50%、70%、80%、85%、90%、95%、100%牵引力状态下，检查各受力结构变形情况，如有异常立即报告。检查油泵、横移千斤顶、前后夹持器、压力表、钢绞线是否异常。手动操作横移系统牵引主梁滑移启动后，转换至自动运行模式，进行主梁的自动连续横移。自动横移过程中，应注意记录横移过程中的油压最大值、最小值。横移过程中必须保证所有参与牵引的千斤顶同时作业。横移过程中通过保证横移力的一致来减小结构偏转的不利情况的发生。
(6)横移中线控制。自动连续横移过程中对主梁的梁端线进行观测，如果发现主梁端线偏离滑道梁轴线，应立即停止横移，进行纠偏。
(7)横移就位控制。横移中线的控制采用横向纠偏装置来进行左右调整;横移里程的控制采用点动的方式，并配合经纬仪进行控制;就位后允许其中线偏差不大于1 cm。
(8)落梁就位。组合梁横移前已经将各永久墩支座安放完毕，待组合梁横移就位后采用落梁千斤顶，拆除滑道梁，同步操作将组合梁落在设计位置。落梁千斤顶布置在两侧墩顶，墩顶分别布置4台400 t千斤顶。
横移就位后需进行交替落梁操作，落梁高度达3 m。首先在两侧墩顶同时顶梁5 cm(可根据实际操作空间调整顶梁高度)至拼装支座脱空，拆除滑道梁，将支座底用钢垫块塞紧;然后两端交替落梁，每次落梁高度控制在15 cm，千斤顶倒顶前将保险支墩处塞紧;落梁至设计位置后将永久支座下摆同垫石连接固定。
落梁千斤顶、支架及保护墩安装如图8所示。
图8 落梁千斤顶、支墩及保护墩案安装现场
赣韶铁路疏解线跨京广铁路处采用一孔88 m钢－混凝土组合桁梁，有效解决了既有线上方钢桁梁维护保养的难题，行车道采用预应力槽形梁，结构高度低，解决了净空受限的问题，桥梁外观简洁美观。施工采用侧位横移方案，对既有线运营干扰少，高位落梁达3 m，通过合理设置支墩及保护墩，两端交替落梁，确保了施工安全。
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Design and Construction of 88 m Steel Concrete Combination Simply Supported Girder
SU Guoming
(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Beijing 102600，China)
Abstract：Limited by line elevation and clearance under bridge，where Ganshao railway untwining line crosses Jing Guang railway shall adopt a bridge structure with low building height，and the bridge deck system is not allowed to adopt steel structure to reduce the disturbance of later maintenance to railway operation．So in design，one 88m steel－concrete composite simply supported truss girder crossing the existing railway is used，the concrete trough girder is adopted for bridge deck system．This girder type has the advantages of attractive appearance，light weight，large spanning ability and low building height．It is a good choice under difficult interchange conditions．This paper focuses on the truss type，height，width，spacing and prestressed channel beam cross-section form;by using the finite element software，system analysis is performed to the rod，tie beam，carriageway plate and steel-concrete joint，the design rationality is verified;The construction of steel-concrete composite simply supported truss girder is adopted with pouring concrete trough beam and assembling steel truss web member and upper chord at one side of the existing railway，overall side cross-moving to the design location，by reasonably setting the buttress and protective buttress，the safety of high fall beam is ensured．
Key words：Steel-concrete composite truss girder，channel beam，simulation analysis，high fall beam
中图分类号：U445.46
文献标志码：B
文章编号：1674—8247(2015)01—0090—05
收稿日期：2014-09-24
作者简介：苏国明(1971-)，男，教授级高级工程师。