時速250 km客運專線單箱雙室簡支箱梁設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

桂 婞

(中鐵上海設(shè)計院集團有限公司 橋隧處，上海 200070)

城際軌道交通作為一種全新的軌道交通方式，目前在經(jīng)濟發(fā)達的長三角、珠三角和環(huán)渤海圈相繼開工建設(shè)，如滬寧城際、廣珠城際、海南東環(huán)線、長吉城際等，都為設(shè)計時速250 km的客運專線。為此，常用簡支梁的研究與通用參考圖的編制勢在必行。在滿足城際鐵路技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，充分考慮結(jié)構(gòu)的景觀性、經(jīng)濟性和施工難度，吸收國內(nèi)外客運專線簡支箱梁的設(shè)計、施工經(jīng)驗，編制了“時速250公里客運專線(城際鐵路)簡支箱梁通用參考圖”，目前已發(fā)布使用。本參考圖的一個顯著特點就是采用了單箱雙室截面梁，需要對其受力特點與構(gòu)造等關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

1 單箱雙室截面梁適應(yīng)范圍及主要設(shè)計參數(shù)

1.1 適用范圍

時速250 km客運專線(城際鐵路)簡支箱梁適用于旅客列車最高行車速度250 km/h，ZK活載，雙線，直線、曲線，最小曲線半徑 3 500 m，線間距為4.6 m和5.0 m;分別按鋪設(shè)有砟軌道和無砟軌道設(shè)計。

1.2 主要設(shè)計參數(shù)

1)恒載。梁體結(jié)構(gòu)自重按 26.0 kN/m3計算。4.6 m線間距有砟軌道橋面二期恒載根據(jù)直線、曲線及有聲屏障和無聲屏障采用201.0 kN/m、181.5 kN/m、183.0 kN/m和163.5 kN/m。5.0 m線間距時，按以上數(shù)值均加6 kN/m。無砟軌道橋面二期恒載按100～180 kN/m分級設(shè)計。

2)活載。列車豎向活載采用ZK標準活載、ZK特種活載，相應(yīng)的參數(shù)取值參照現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范［1-2］。

3)其他荷載。其他荷載參照現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范［1-2］。

4)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、強度、變形、動力特性均按現(xiàn)行規(guī)范要求［1-2］。

2 簡支箱梁結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)國內(nèi)外高速鐵路簡支箱梁的截面形式及構(gòu)造特點，考慮城際鐵路的特點，綜合箱梁施工、架設(shè)、結(jié)構(gòu)受力、環(huán)境保護、運營養(yǎng)護維修、輪廓景觀造型等因素，選擇了單箱雙室形式，截面形式見圖1。

圖1 單箱雙室截面方案(單位:mm)

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點

單箱雙室三腹板截面進一步減小了箱梁橫向計算跨度。大懸臂圓弧形斜腹板外形，具有良好的景觀及傳力效果。防撞墻內(nèi)、墻外采用不等高及采用V形橋面，有利于橋面排水?？缰薪孛娓靼搴癯叽缇^經(jīng)濟，進一步減輕了結(jié)構(gòu)自重。

4 單箱雙室截面設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，除按常規(guī)簡支箱梁設(shè)計進行縱向、橫向受力分析外，特別針對三腹板剪力分配、梁端受力等關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，以全面掌握該梁受力特點。

4.1 計算模型

采用空間實體模型進行綜合分析，混凝土采用8節(jié)點solid45單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用link8單元，預(yù)應(yīng)力采用初應(yīng)變的方法進行施加，其模型如圖2、圖3，整個模型共62 691個節(jié)點，240 361個單元。

圖2 混凝土單元

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼筋單元

4.2 邊界條件設(shè)定

本梁設(shè)固定、縱向活動、橫向活動及雙向活動支座各一個，支座橫向中心距5.4 m。

4.3 三腹板受力分析

根據(jù)空間實體單元的受力分析結(jié)果，對主梁各截面按照圖4所示的區(qū)域的剪應(yīng)力進行積分，得到代表性截面各邊腹板和中腹板剪力值，如表1。

從表1及圖5可看出，由于僅在邊腹板側(cè)設(shè)有支座，截面剪力逐步由跨中的三腹板均勻受力轉(zhuǎn)變?yōu)檫吀拱逯饕芰?，邊腹板與中腹板剪力比值由支點處的2.0倍到跨中的1.0倍，在梁端4 m范圍內(nèi)變化劇烈，全梁剪力分配關(guān)系較為穩(wěn)定，在主應(yīng)力計算時，要充分考慮各腹板剪應(yīng)力分布不均現(xiàn)象。

圖4 腹板、頂?shù)装鍏^(qū)域劃分

表1 32 m簡支梁在各工況下各腹板剪力值

圖5 邊腹板剪力/中腹板剪力

4.4 梁端支點受力分析

在最大支反力左右下，梁端底板頂及底板底橫向正應(yīng)力如圖6和圖7。

從圖6可看出，在最大支反力工況下，在支座頂板局部區(qū)域內(nèi)，底板頂橫向拉應(yīng)力達5.6 MPa，大于考慮混凝土塑性影響后的混凝土拉應(yīng)力，設(shè)計時按鋼筋混凝土截面進行檢算，裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

在中腹板底板底，最大橫向拉應(yīng)力為2.9 MPa，小于混凝土拉應(yīng)力，設(shè)計時亦按鋼筋混凝土截面進行檢算，可滿足規(guī)范要求。

4.5 梁端吊點受力分析

吊梁工況，梁端邊腹板及頂板頂應(yīng)力見圖8和圖9。

圖6 梁端部底板頂橫向正應(yīng)力(單位:kPa)

圖7 梁端部中腹板底板底橫向正應(yīng)力(單位:kPa)

圖8 梁端邊腹板豎向正應(yīng)力(單位:kPa)

單箱雙室梁由于梁體自重輕，且中腹板分擔(dān)部分剪力，使吊梁時混凝土拉應(yīng)力明顯小于目前國內(nèi)的客運專線其他箱梁形式，其邊腹板最大豎向拉應(yīng)力為4.3 MPa，頂板頂橫向正應(yīng)力3.1 MPa，均小于考慮混凝土塑性影響后的混凝土拉應(yīng)力，具有較好的抗裂性。

5 經(jīng)濟性能比較

該系列通用參考圖通過選取合理的設(shè)計參數(shù)，在工程實踐中體現(xiàn)出良好的經(jīng)濟性，一孔跨度32 m梁的工程數(shù)量對比見表2。由表2可知，每孔梁較2221A-Ⅱ和2321A-Ⅱ兩種梁的混凝土分別減少47 m3和64 m3，自重減輕后，對于存梁臺座基礎(chǔ)及地基處理要求進一步降低，要求相應(yīng)的運、架設(shè)備吊重能力進一步減小，可采用吊重7 000 kN運梁車及架橋機。

圖9 梁端頂板頂橫向正應(yīng)力(單位:kPa)

表2 一孔跨度32 m梁的工程數(shù)量對比

6 結(jié)語

本梁具備與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的外形特點，體現(xiàn)了現(xiàn)代高等級鐵路建設(shè)充分考慮景觀要素，配以流線形橋墩，是目前國內(nèi)客運專線景觀效果較好的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)，并已成功運用于昌九城際、海南東環(huán)線、長吉城際、滬寧城際等建設(shè)項目。

[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)［2005］140號 新建時速200～250公里客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定(上、下)［S］.北京:人民鐵道出版社，2005.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民鐵道出版社，2005.

[3] 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司.經(jīng)規(guī)標準［2008］169號 時速250公里城際單箱雙室梁 通橋(2008)2224A［S］.武漢:中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，2008.