高速鐵路異型變寬預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計

張 揚

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司橋梁院,北京 102600)

1 工程概況

某在建的客運專線高架車站特大橋,由站臺外若干連續(xù)梁和站臺內(nèi)簡支梁組成。其中一座(32.6+2×32.7+32.6)m四跨連續(xù)梁橋位于該車站站臺外道岔區(qū)間,全長 130.6 m(含兩側(cè)梁端至邊支座中心各0.75m),橋上線路數(shù)目由兩線變四線,正線間距 5.0 m,到發(fā)線線間距由 0變化至 3.232 m;正線按旅客列車設(shè)計行車速度 350km/h;設(shè)計荷載:ZK活載[1～3],采用無砟軌道。

該橋小里程側(cè)接 32m雙線簡支梁,大里程側(cè)接 3×36m四線變六線道岔梁。本橋線路采用無縫道岔結(jié)構(gòu)形式,無縫道岔梁有 3種類型可選:即混凝土連續(xù)梁、跨度為 6～12m剛構(gòu)、簡支梁。根據(jù)無縫道岔的布置原則,道岔應(yīng)盡可能整組布置在一聯(lián)梁上,轉(zhuǎn)轍器部分、轍叉部分不得跨越兩聯(lián)梁,且梁上的道岔應(yīng)盡可能對稱布置。且臨近車站區(qū)間,受空間限制橋墩數(shù)量不宜設(shè)置過多,因此在該處選擇四跨一聯(lián)的混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu),而不選擇簡支梁和 6～12m剛構(gòu)形式。并且為保證道岔區(qū)間橋面的連貫性,本橋四跨連續(xù)梁采用外輪廓線性變化的橋面變寬形式。

2 主橋梁部結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸(圖1、圖2)

圖1 全橋立面、平面布置(單位:cm)

本橋主梁采用等高度變寬單箱雙室截面。箱梁頂板全寬 13.405～19.871m,中間支點中心梁寬分別為15.019,16.638,18.257m,箱梁外輪廓采用線性變化。梁體采用直腹板形式,梁高 3.05m。翼緣懸臂長度為3.35m;全聯(lián)頂板厚度為 35～55 cm;底板在支點處厚90 cm,跨中厚 30 cm;腹板在跨中厚 40 cm,靠近支點處由 40 cm變化至 80 cm。在每個支點處設(shè)置隔板,中間支點處隔板厚度 2m,邊支點處厚度 1.5m。并在每個隔板處設(shè)置進(jìn)人孔,供檢查人員通過。此外,在兩端隔板處設(shè)置底板進(jìn)人孔,和相鄰聯(lián)梁的進(jìn)人洞連接。

圖2 1/2跨中和支點斷面布置(單位:cm)

2.2 預(yù)應(yīng)力體系

本橋采用單箱雙室截面形式,預(yù)應(yīng)力體系采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

2.2.1 縱向預(yù)應(yīng)力體系(圖3、圖4)

本橋頂板和底板均采用變寬形式,預(yù)應(yīng)力筋布置的合理與否,直接關(guān)系到預(yù)應(yīng)力能否充分發(fā)揮它的作用。本橋腹板預(yù)應(yīng)力筋的線形由一線拋物線段組成,凹形部分在跨內(nèi),凸形部分在支座處,并采用頂板、底板兩種縱向預(yù)應(yīng)力束抵抗主梁在施工和使用荷載作用下的正、負(fù)彎矩。為了使縱向預(yù)應(yīng)力能盡快傳到箱梁的全斷面上,應(yīng)將頂板、底板束盡量靠近腹板布置,并采用豎彎形式,減小預(yù)應(yīng)力損失。箱梁截面采用單箱雙室,根據(jù)截面應(yīng)力分布的特點,每個箱梁橫斷面的鋼束應(yīng)該對稱布置。此外,縱向預(yù)應(yīng)力應(yīng)布置在截面有效寬度內(nèi),以保證結(jié)構(gòu)受力的合理性[4]。

圖3 縱向預(yù)應(yīng)力立面布置

圖4 1/2支點、跨中預(yù)應(yīng)力鋼束布置(單位:cm)

綜合這些因素,再結(jié)合材料經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及方便施工的原則,通過最優(yōu)控制方法確定了縱向預(yù)應(yīng)力束的布置方案?？紤]到理論計算程序與實際結(jié)構(gòu)受力有諸多方面差別,同時在設(shè)計施工中有些因素是難以精確計算的,對箱梁的截面計算留有一定的安全儲備[5～6]。

為方便施工且減少主梁鋸齒塊數(shù)目,縱向預(yù)應(yīng)力可以選取相對較大的噸位錨固體系。本梁縱向預(yù)應(yīng)力束采用 15-7φ5mm和用 12-7φ5mm兩種鋼絞線,抗拉標(biāo)準(zhǔn)強度 fpk=1 860MPa,鋼束的錨下張拉控制應(yīng)力為 0.7fpk=1302MPa,管道形成采用金屬波紋管成孔。

2.2.2 橫向預(yù)應(yīng)力束

本橋橋面較寬,在箱梁頂板和隔墻處均設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力。箱梁頂板橫向預(yù)應(yīng)力束采用 4-7φ5 mm鋼絞線,錨下張拉控制應(yīng)力 0.7fpk=1 302MPa,橫向預(yù)應(yīng)力采用 BM15-4系列扁形錨具。橫向預(yù)應(yīng)力采用單端交錯張拉。

3 施工方法

本橋采用設(shè)支架就地澆筑施工方法,在一聯(lián)連續(xù)梁的各跨全部設(shè)置支架,該聯(lián)橋施工完成后,各跨同時卸落支架,一次形成設(shè)計要求的一聯(lián)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。因此施工過程不會產(chǎn)生體系轉(zhuǎn)換,不產(chǎn)生恒載徐變二次矩。這種施工方法最大的優(yōu)點是梁兩端不受張拉空間限制,相鄰聯(lián)的連續(xù)梁、簡支梁可以同時施工,大大縮短了施工周期,并且橋梁整體性好,可采用強大的預(yù)應(yīng)力張拉體系,施工簡捷可靠。但是該方法需要的支架和模板數(shù)量較多,且需要一定的場地要求。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 翼緣有效寬度的計算

由于混凝土薄壁箱梁存在剪力滯效應(yīng),使得翼板內(nèi)彎曲正應(yīng)力沿梁寬方向分布不均勻,同時翼板內(nèi)彎曲正應(yīng)力沿厚度方向分布也不均,箱梁的剪力滯效應(yīng)不能忽略,否則會低估箱梁實際結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力,造成結(jié)構(gòu)不安全。本橋設(shè)計時考慮了由于剪力滯現(xiàn)象引起的翼緣折減,計算截面均采用其有效寬度。依據(jù)《新建時速 300～350 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》算出各截面有效寬度。由于支點的剪力滯效應(yīng)比較大,因此有效寬度在跨中折減比較小,支點折減比較大。

4.2 平面分析計算

該橋梁體縱向計算采用平面桿系有限元程序PRBP和 BSAS程序進(jìn)行計算。全橋共劃分為 58個單元,59個節(jié)點?？v向計算荷載包括恒載、活載、支座不均勻沉降、溫度變化、預(yù)應(yīng)力、基礎(chǔ)不均勻沉降及混凝土收縮、徐變等。

整個計算按施工階段及使用階段分別進(jìn)行計算,施工共分 8個階段,使用階段考慮了兩種荷載組合。

主力組合:自重 +二期恒載 +收縮徐變 +列車活載 +支座沉降;

主力 +附加力組合:主力 +溫度變化。

4.3 空間分析計算

該種形式的異型變寬連續(xù)梁在豎向荷載作用下,產(chǎn)生彎、剪、扭耦合,利用空間梁格法對該橋進(jìn)行空間檢算。采用空間有限元程序 MIDASCIVIL2006,箱梁采用該程序的 PSC變截面梁單元,預(yù)應(yīng)力鋼束考慮了豎彎和空間位置。二期恒載以線荷載形式加到梁單元上。列車活載采用模擬車道進(jìn)行移動荷載加載分析。

計算模型共 58個單元,59個節(jié)點。施工階段,恒活載及荷載組合與平面桿系模型相同。由于主梁為箱形截面,寬度較大。支座的布置應(yīng)能保證結(jié)構(gòu)任何部位縱向、橫向伸縮自由,本橋支座的橫向位置設(shè)置在每片腹板下方。

將 MIDAS的計算結(jié)果同平面桿系結(jié)果進(jìn)行比較,計算結(jié)果比較相近。最大壓應(yīng)力為 14.79 MPa,未出現(xiàn)拉應(yīng)力,滿足規(guī)范要求,箱梁主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

靜活載作用下梁體最大豎向撓度值 3.10mm,為跨度的1/10 516,滿足道岔梁的豎向剛度要求L/5 000=6.25mm,梁端豎向轉(zhuǎn)角為 0.260‰。梁體的剛度較大且平順度高,有利于行車。恒載作用下引起的最大撓度值 3.70mm,由恒載及靜活載引起的最大豎向撓度為 6.80mm,小于 15mm,可不設(shè)預(yù)拱度。

5 箱梁自振特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)除滿足一般強度要求之外,還必須有足夠的動力特性,以保證列車運行時的穩(wěn)定性及舒適性。因此,對于結(jié)構(gòu)的動力計算是非常必要的。采用 MIDADSCIVIL2006對本橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動力特性分析。計算結(jié)果表明,最低階振型(一階振型)的主要變形形式是主梁豎向彎曲,中跨變形大,這是符合鐵路連續(xù)梁橋變形規(guī)律的。本橋第一階振型周期是0.211 437 s,表明橋梁具有足夠的豎向剛度,在列車活荷載作用下不會產(chǎn)生過大的位移,滿足高速行車的要求。

6 結(jié)語

(1)異型變寬箱梁橋面逐漸變化,雖然具有一定空間效應(yīng),對比平面桿系模型和空間梁格模型計算結(jié)果相差不大,在設(shè)計周期緊張的條件下,可以采用平面桿系程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析計算。

(2)對于連續(xù)梁來說,合理的鋼束布置非常重要,通過調(diào)索保證結(jié)構(gòu)受力的均勻、合理,也可以使得梁體后期徐變變形較小。

(3)應(yīng)重視普通鋼筋的配置,特別是腹板閉口箍筋對結(jié)構(gòu)抗剪、斜截面強度和主拉應(yīng)力的作用非常大,設(shè)計中還要特別注意箍筋與縱向預(yù)應(yīng)力管道的避讓問題。

本橋的設(shè)計充分考慮了技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、耐久適用、經(jīng)濟(jì)合理等橋梁設(shè)計原則,滿足了站場道岔線路變化的要求,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,為類似的橋梁設(shè)計提供了借鑒。

[1]鐵建設(shè)[2007]47號,新建時速 300～350km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定(上、下)[S].

[2]TB 10002.1—2005,鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].

[3]TB 10002.3—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].

[4]李 珠,高建全.淺析預(yù)應(yīng)力連續(xù)配筋中理論線性與實際線性的差別[J].太原理工大學(xué)學(xué)報,2004(5):285,288.

[5]周軍生.變截面連續(xù)梁式橋設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意的幾個問題[J].公路交通科技,2001(8):63,65.

[6]童金虎,陳小兵.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋設(shè)計初探[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2005(12):45,48.