维普资讯 http://www.cqvip.com 第２ ３卷，第５期 ２ ０ ０ ２年１ ０月 文章编号：１００１—４６３２（２００２）０５—０１０８—０４ 中 国 铁 道 科 学 ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ ＶＯ１．２３ Ｎｏ．５ Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００２ 型钢预弯复合梁在铁路桥梁中的首次应用 杨孚衡 ，蔡君田 ，李 凯 ，肖明伟 （１．铁道科学研究院铁建所，北京１０００８１ ２．沈阳铁路局沈阳工程总公司，辽宁沈阳１１０００１） 摘要：论述了型钢预弯复合梁的基本原理、优缺点和应用场合，说明了预弯复合梁桥的建造过程，阐明 了型钢预弯复合梁在制造与施工过程中对拱度的控制、横向稳定的控制、残余应力的消除以及预弯力的控制等 关键技术，并利用预弯复合梁正式预弯制作前的预弯试验证明了控制这些参数的重要性和如何控制这些参数。在 实际预弯制作过程中的实测结果表明，所选定的控制参数是正确的，控制方法是可靠的。 关键词：预弯复合梁；施工监测；铁路桥梁 中圈分类号：Ｕ４４８．３８ 文献标识码：Ａ 的拱度减小。 １概述 型钢预弯复合梁桥是由多片经过预弯制作的型 至螽詈 三雪 钢预弯复合梁在现场架设后再浇注二期混凝土而 成。型钢预弯复合梁的预弯制作是一个工序繁多并 且要求精确控制的过程。一般主要包括以下几个步 骤：（１）将一对在工厂里已经按预先设计的拱度制 造好的工字型钢梁固定在荷载台上，支好横向支架 和侧向支撑，并固定好钢梁两端的加力架，如图１； （２）利用加力架和油压装置对钢梁的两端同步加载 型钢预弯复合梁在２０世纪８０年代末受到我国 交通部门的重视并开始立项研究，现已在公路桥梁 图１预弯复合梁的制作 中得到应用。鞍钢铁路专用线跨哈大线桥（以后简 称“鞍钢跨线桥”）是我国第一座铁路型钢预弯复 到设计值并锁定，此时，钢梁底板上的拉应力和顶 合梁桥。鞍钢跨线桥在改造前为两孔单线并置的上 ＴＩ，桥下净空不满足 板上的压应力均达到设计值；（３）在每根钢梁的下 承式钢板梁桥，其梁高为１．３４ Ｉ哈大线电气化的要求。在不改变哈大线和鞍钢铁路 缘立模板，并浇注一期混凝土以包裹钢梁底板； （４）待一期混凝土达到９０％的设计强度后，再卸掉 专线标高的情况下，经过多次专家论证认为型钢预 弯复合梁桥是最合适、最经济的改造方案。 预弯力，此时，钢梁将回弹，一期混凝土被压缩而 产生符合要求的预压应力（鞍钢跨线桥的预应力设 鞍钢跨线桥不仅要求采用梁高非常低的这种型 计值达１９．５ ＭＰａ），同时钢梁应力将减小；（５）由 钢预弯复合梁桥，而且铁路专用线在平面上与哈大 线斜交成４５。ｌ０ 夹角。鞍钢跨线桥在改造后为两孔 于上片梁是倒置的，底板朝上，所以需要吊到一个 单线并置的简支梁，每孔梁由７片预弯复合梁组成， 能精确控制的特殊翻转装置中进行翻转。为防止梁 ＴＩ，跨度Ｌ ＝１６．９８ ＩＴＩ，梁全长Ｌ＝ 体屈曲，在预弯力卸载前要在一期混凝土和工字钢 其梁宽为４．０ ＩＴＩ，梁高Ｈ＝０．７８ ＩＴＩ，高跨比为Ｈ／Ｌ＝１／ 腹板间设置斜撑；（６）在现场进行单片预弯复合梁 １７．９４ Ｉ８。对于桥台，由于新梁自重较大（包括二期恒 的架设并浇注二期混凝土使各片预弯复合梁连成整 ２１＿体。自重和二期恒载、混凝土的干缩和收缩徐变都 载的单孔重量达２ ４５０ ｋＮ），设计活载为鞍钢特殊 会使预弯复合梁一期混凝土中的预压应力减小，梁 荷载（约为中荷载的１．１０倍），且台身截面较小，不能满足常规设计对偏心和应力的检算要求，经各 收稿日期：２００１，０５．１５ 作者简介：杨孚衡（１９６３～），男，湖南澧县人，副研究员。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期 型钢预弯复合梁在铁路桥梁中的首次应用 种方案比较后，在台后路基上采用了旋喷桩加固措 横向偏差仍然达７ ｍｍ～８ ｉｎｒｎ，不满足制造误差的 施，以卸去土压力对桥台的作用力。 规范要求。对于横向偏差偏大的问题，为了防止由 于横向偏差过大引起失稳，在预弯过程中在钢梁和 横向支架之间增设了横向限位支撑，用以提高钢梁 对于预设拱度偏大的问题，经过分析，认为最 ２工字钢梁的预设拱度控制 要有：钢梁的预设拱度、钢梁的旁弯以及预弯力。 对型钢预弯复合梁的质量起决定作用的参数主 的横向刚度和扭转刚度，具体细节见文献［２］。 预设拱度将直接影响成桥后梁的线形；而过大的旁 主要的原因是由于工字型钢梁在焊接过程中产生的 弯不利于预弯制作过程中梁体的横向稳定控制。该 残余应力引起的，所以在正式预弯前采用了先加力 桥ｌ４片工字钢梁（Ａ型、Ｂ型钢梁的主要尺寸见图 预压锁定并放置ｌ２小时以上的措施来消除残余应 ２）的制造误差见表１。 表１工字型钢梁原始数据复测结果 图２型钢梁的主要尺寸 从表１中可以看出，钢梁的预设拱度都超过了 设计值８０ ｉｎｌｎ。在第一组的７片梁中，Ａ－Ｎ２—３的 预设拱度在支点处达９３ ｒｎｌＴｌ，在跨中达９１ ｒｎｌＴｌ。在 第二组的７片梁中， Ｎ５—５和Ｂ－Ｎ２—７两片梁的预 设拱度都超过了９０ ｒｎｌＴｌ。表１中所列的横向偏差 （旁弯）较大，其中，两片边梁Ａ－Ｎ２—１和Ｂ－Ｎ２—７ 的横向偏差超过１０ ｒｎｌＴｌ，即使进行了纠偏处理后的 力的影响。为了充分消除残余应力，预压时的预弯 力比正式预弯时的预弯力大ｌ０％。实际预弯过程中 的实测数据表明，预压能使大部分工字型钢梁的预 设拱度减小１０ ｒｎｌＴｌ～１５ ｒｎｌＴｌ，有的甚至将近２０ ｒｎｌＴｌ。由此可见，预压对消除残余应力是有效的。 ３预弯锁定与预弯力的确定 为了准确地掌握所需预弯力的大小、锁定之后 的应力损失以及残余应力的消除等关键参数，首先 进行预弯试验。第一组两片钢梁（Ｂ－Ｎ２—３／Ｂ－Ｎ２—４） 进行了两轮循环加载（预弯力从零加到设计荷载 ２８５ ｋＮ，再卸载到零为一个循环）试验。测试结果 表明当预弯力达到设计值２８５ ｋＮ时，钢梁底板上 的拉应力达不到设计值１８５．４ ＭＰａ。第二次预弯加 载试验，预弯力增加到了３００ ｋＮ（０ ｋＮ一５０ ｋＮ一 １００ ｋＮ—ｌ５０ ｋＮ一２００ ｋＮ一２５０ ｋＮ一２８５ ｋＮ一３ｏ０ ｋＮ一０ ｋＮ），之后又进行了预弯锁定试验，即在第 一天下午预弯力从零加载到３００ ｋＮ并将钢梁锁定、 第二天上午８：００再卸载到零，以测得钢梁在锁定 过程中的应力损失以及在锁定后一夜内的应力损 失。图３（ａ）为上片钢梁跨中截面底板上的最大拉 应力和下片钢梁顶板上的最大压应力随荷载变化的 曲线，图３（ｂ）为钢梁跨中竖向位移随荷载变化的 曲线。 从图３（ａ）中可以看出，当预弯力加载到３００ ｋＮ时，钢梁底板的拉应力及顶板的压应力都能分 别达到设计值１８５．４ ＭＰａ和２０４ ＭＰａ。从以后的预 弯实测数据中也能看到，为使钢梁底板的拉应力达 到设计值１８５．４ ＭＰａ，预弯力基本上在２９０ ｋＮ和 ３００ ｋＮ之间。预弯力具体的数值大小由钢梁底板 上的实测拉应力控制。图３（ｂ）表明，位移的变化 曲线基本上和应力的变化曲线在特征上相同，即在 加载的最初阶段，钢梁的刚度要小一些，之后，位 移、应力基本上与荷载成线性关系。 维普资讯 http://www.cqvip.com １１０ 中国铁ｋＮ （ｂ） 图３第二次预弯试验曲线 表２预弯复合梁锁定试验测试结果 表２为钢梁在锁定收验过程中几个主要阶段的 道科学 第２３卷 测试结果。表中的数值以钢梁未受荷载时为零做参 考。当加载到３００ ｋＮ后测定，再锁定后测定，再 卸去预弯力后测定，得知其值与加载到３００ ｋＮ时 的测值相比大都有损失，但是损失很小。锁定一夜 之后（“卸载前”）的各项测值与锁定时的测值相比 大都有损失，但损失也是很小的。所以，表２中的 测值表明，预弯加力装置以及所采取的各种措施是 合适的，阻力小、损失小。所采用的锁定构件也是 合适的，损失很小。从表２中还可以看出，钢梁加 载到３００ ｋＮ后，卸载后的测值并未回零，产生了 一定的应力损失。这表明在加载过程中有一定的非 弹性变形因素引起了应力损失，但损失幅度很小。 说明锁定装置引起的结构非弹性变形很小，可以使 用 ４钢梁在预弯制作过程中的测试结果 当钢梁从一种状态变化到另一种状态时，都要 对钢梁进行拱度、位移及应力测试，并与设计值进 行比较。该桥ｌ４片钢梁共分７组进行预弯制作， 时间跨度达一个月。 这里只研究钢梁的应力，混凝土的应力变化见 文献［２］。图４为Ｂ－Ｎ２—１跨中截面在预弯和卸预 弯力过程中其弯曲应力沿梁高度方向上的分布图。 图４预弯制作过程中钢梁弯曲应力沿梁高方向的分布 图中，“预弯”指在加预弯力过程中产生的应 力；“卸预弯力”指在浇筑完一期混凝土后卸预弯 力时产生的应力，并且专指卸预弯力过程中产生的 应力增量；“一期应力”是指预弯复合梁在预弯制 作过程中累计产生的应力，即在加预弯力和卸预弯 力过程中所产生的两项应力之和，这里并不包含钢 梁自重和混凝土自重所引起的应力。为了减少温度 对预弯力及应力测值的影响，尽量在凌晨温度比较 恒定的时候进行钢梁的预弯并锁定，同时也尽量在 凌晨进行卸预弯力的工作。图４中Ｂ—Ｎ２—１钢梁在 预弯制作过程中各阶段的应力分布表明，首先它们 的应力分布基本上呈直线，说明各应力测点的数据 维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期 型钢预弯复合梁在铁路桥梁中的首次应用 １１１ 是正常的；其次，钢梁在加预弯力后和单片复合梁 列结论：在卸预弯力后的应力都与设计值很接近，即设计值 １．在工字钢梁横向偏差较大时，应采取严格的 为在加预弯力后钢梁上缘的应力为一２０４ ＭＰａ，下 防横向失稳措施。在型钢梁正式预弯前必须进行预 缘的应力为１８５．２ ＭＰａ，在单片复合梁卸预弯力后 压以消除残余应力对预设拱度的影响，此时的预弯 钢梁上缘的应力为一２０ ＭＰａ，下缘的应力为８７．８ 力可以比设计值大１０％。 ＭＰａ。 ２．在单片预弯复合梁的预弯制作过程中，对预 ５结论 弯力的控制宜采用应力控制法。直接控制预弯力的 大小并不一定能保证钢梁中的应力达到设计值。 动静载试验结果 和一年多来的运营实践表 ３．当加力架设计合理时，预弯力锁定后的损失 明，该桥的设计、施工和施工监测都是成功的，在 是很小的，一般在百分之三以内。所以，预弯力可 复合梁的预弯制作过程中所采取的各项措施及对各 稍大于设计值，具体数值可由预弯力锁定试验求 个参数的控制是正确的。通过该桥实践，可得到下 得。 参 考 文 献 ［１］ 竺存宏，李广远．预弯复合梁的设计与施工［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９３． ［２］ 杨孚衡．鞍钢跨线桥型钢预弯复合梁施工监测［Ｒ］．北京：铁道部科学研究院铁道建筑研究所．１９９９． ［３］ 杨孚衡，宣１９９９． 言．鞍钢跨线桥型钢预弯复合梁静动载试验［Ｒ］．北京：铁道部科学研究院铁道建筑研究所 Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｐｒｅｆｌｅｘ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｂｅａｍ ｉｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｂｒｉｄｇｅｓ ＹＡＮＧ Ｆｕ—ｈｅｎｇ ，ＣＡＩ Ｊｕｎ—ｔｉａｎ ，ＬＩ Ｋａｉ ，ＸＩＡＯ Ｍｉｎｇ—ｗｅｉ （１．Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ ２．Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｒｍｌｗａｙ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｉｒｓｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｐｒｅｆｌｅｘ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ＣＯｍ— ｐｏｓｉｔｅ Ｂｅａｍ ａｎｄ ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｖｅｒ ｏｔｈｅｒ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｉｔｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ｏｆ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃａｓｅ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅ—ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｆｌｅｘ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｂｅａｍｓ．Ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｔｅｓｔｓ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｐｒｅ—ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｆｌｅｘ Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｂｅａｍｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｖａｌｉｄａｔｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｉｎｉｔｉａｌ ｄｅ— ｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｆｏｒｃｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｎ—ｓｉｔｕ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ— ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｓｔｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｆｏｒｃｅｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｌｅａｓｅ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｒｅｆｌｅｘ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｅａｍ；Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；Ｒａｉｌｗａｙ ｂｒｉｄｇｅ （责任编辑贺振中）
